ГАЗОВАЯ ГОРЕЛКА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ С АКТИВНОЙ ВОЗДУШНОЙ СТРУЕЙ Российский патент 1997 года по МПК F23D14/66 

Изобретение относится к области смешения и сжигания физических смесей газообразного топлива с воздухом в технологических цепях нефтеперерабатывающей, нефтехимической промышленности, тепловой энергетике, металлургии.

Известно устройство для смешения и сжигания потока сжатого воздуха и эжектируемого им потока газа в камерах смешения, выполненных в корпусах газовых горелок с активной воздушной струей. (Иванов Ю.В. Газогорелочные устройства. М. Недра, 1972, стр. 82, рис. 2 38).

Известно устройство для смешения и сжигания газа низкого давления и эжектируемого им воздуха в камерах смешения, выполненных в корпусах атмосферных горелок (там же, стр.56 57 рис.2 19, 2 20).

Наиболее близкой по технической сущности заявленному является газовая горелка по а.с. 1657870 Мкл. Fz 23 В 14/00, 199 г.

Однако известное техническое решение имеет недостатки: для транспортирования топлива в камеру смешения используется эжекция струи сжатого воздуха, но так как эжекция энергетически слаба и значительно проявляется при больших давлениях и скоростях воздушного потока, в связи с чем неизбежен избыточный балластный воздух, потери тепла с отходящими газами. Процесс смешения топлива и воздуха использует кинетическую энергию удара движущегося потока воздуха, но так как масса воздуха незначительна, процесс идет на низком энергетическом уровне, в связи с чем поток смесей имеет недисперсную, струйную или завихренную структуру при низкой скорости горения, низкой температуре пламени и значительной длине факела. Неизбежен недожиг топлива и выделение СО в атмосферу. На низких скоростях движения воздушного потока процесс эжекции, смешения и сжигания топлива плохо управляем. Примитивный струйный способ смешения удлиняет процесс, во время и при больших значениях скорости потока требуется значительной длины камера и устройство.

Предварительный нагрев газа и воздуха в рекуператорах, с целью увеличения производства тепла в топках, в связи с низкой теплоемкостью и незначительной массой веществ малоэффективен и при низком необоснованном и бессистемном его применении в связи с тем, что температурное воздействие на топливо меняет параметры резонанса волн потоков, их волновые взаимосвязи и условия возникновения и слияния струй, ухудшая параметры эффективного горения. Чрезмерный и бессистемный прогрев природного газа без доступа воздуха сдвигает стартовые параметры воспламенения смеси, создавая условия для проскока пламени в камеру смешения, и ставят газ на грань разложения с выделением сажи.

Целью заявленного технического решения является получение тонкодисперсных, на молекулярном уровне, химически активных при горении воздушно-газовых топливных смесей в одноструктурном, с подавленной струйностью потока, однообразном по содержанию газа и воздуха в единице объема и на основе этого повышение теплопроизводительности горелки за счет увеличения скорости горения смеси и температуры пламени, снижения недожига топлива и выделения СО.

Указанная цель достигается тем, что кинетическое взаимодействие потоков веществ, разных по физическим параметрам, выраженное в соударении потоков под разными углами атаки, в эжекции, завихрении, турболизации потоков, совместно с естественной диффузией веществ, логически переходит в волновую взаимосвязь, в результате чего маломощная и слабоуправляемая на низких скоростях потока эжекция заменяется волновым вакуумным насосом; внешним температурным воздействием и внутрикамерным давлением компоненты смеси в потоках, разных по физическим волновым параметрам, вводятся в кратные волновые резонансные взаимоотношения; границы потоков и струй в потоках исчезают струи сливаются, механическая вибрация, возникающая в результате острого волнового резонанса рабочих волнопотоков, и естественная диффузия веществ завершают процесс смешивания, приводя воздушно-газовые смеси в едином потоке в состояние, заявленное целью изобретения.

На фиг.1 изображена горелка низкого давления; на фиг.2 камера смешения в волновом соотношении размеров.

В состоянии статики аппарат имеет элементы конструкции и связи: смеситель горелки 1 цилиндрическая пустотелая полость с прямолинейной геометрической осью, ее торцевые противоположные плоскости, отражающие волну, перпендикулярны к оси камеры. Подвод сжатого воздуха в камеру осуществлен трубопроводом 2 через пневмодроссель 3 продольно геометрической оси камеры. Подвод газа осуществлен газопроводом низкого давления 4 под углом 90^o к потоку воздуха через газовый дроссель 5 и 6 симметрично расположенных в диаметральной плоскости, равноудаленно от торцовых стенок, отверстий. Камера смесителя 1 через дроссель смеси 7 сообщена с оребренным трубопроводом смеси 8, переходящим в сопло 9 насадка горелки, снабженного плоской цилиндрической стабилизирующей решеткой 10. Вторичный воздух через регулятор 11 эжекцией факела поступает под кожух 12 и далее, обтекая трубопровод смеси и сопло, в устье факела пламени, увеличивая возможности регулирования соотношения газ/воздух.

При открытии запорной арматуры воздушный поток, возбужденный источником сжатого воздуха, через рекуператор подогрева первичного воздуха поступает в трубопровод 2 и через пневмодроссель 3, смеситель 1, дроссель смеси 7, трубопровод смеси 8, сопло 9, стабилизирующую решетку 10, преодолевая сопротивление воздушно-газового тракта, в топку. В связи с тем, что сопротивление воздушно-газового тракта горелки сравнительно незначительно, в камере отмечается расчетное падение давления относительно номинала давления. Перепад давления в системе вызывает движение движение возбуждает физическую, кинетическую волну. Камера, имеющая волновые признаки, пустотелая, открытая с обеих сторон полость, с прямолинейной геометрической осью; с торцовыми отражательными плоскостями, перпендикулярными геометрической оси, с подводом сжатого воздуха и выводом смеси по геометрической оси камеры, продольно, имея проходящую кинетическую волну, становится генератором собственных колебаний волны 1 (фиг.2), равной удвоенной длине камеры λ 2l; из общеволновой зависимости или 2l=v/f₁, где v физическая, регулируемая скорость воздушного потока, f₁ переменная, зависимая от скорости потока и длины камеры, величина частота пульсации камеры (для системы низкого давления и низких скоростей расчетная f₁≅20 Гц) и залегает по форме N 1 (фиг.2), при которой узел волны расположен в средней части камеры, в точке R-r пересечения оси подвода сжатого воздуха с осью подвода газа, что и определяет волновое падение давления в точке R-r камеры.

Газовый поток, используя свое давление и подсос, вызванный волновым разрежением в зоне R-r камеры, через газовый коллектор и газовпускные отверстия заполняет, за время импульса падения давления в камере, определенный неизменный объем.

Внедренная в потоке сжатого воздуха доза газа смещается в зону острого резонанса, подвергается воздействию высокочастотной, за счет энергии резонанса волн, механической объемной вибрации и через дроссель смеси выбрасывается в трубопровод смеси.

Производительность "газового элеватора" определяется частотой пульсации камеры при том, что частота пульсации f₁=v/2l зависима от скорости потока, ввиду чего от О-скорости потока до v_max, ограниченной f₁≅20 Гц горелка управляема от 0 до 100% расчетной производительности тепла.

v(0 _→ max)=2l•f₁(0 _→ 20 Гц)
В объеме аппарата, заполненным сжатым воздухом, через открытую арматуру действует основная ударная продольная звуковой частоте пневматическая волна 2 (фиг.2) длиною волны , где: С₂ скорость звуковой волны в кислоте воздуха; f₂ частота периодов волны, задаваемая источником сжатого воздуха.

В объеме аппарата через открытую газовую запорную арматуру действует волна газового потока, возбуждаемая источником сжатого газа. В связи с тем, что газовый поток подведен в камеру под углом 90^o, волна газового потока, не являясь продольной волной, в резонанс с продольными волнами пневматического потока не вступает, затухает в собственном резонансе.

При соударении воздушного и газового потока в камере возбуждается волна 3 (фиг. 2) газового потока , где: С₅ скорость звуковой волны в потоке газа; f₂ частота периодов звуковой волны, задаваемая источником сжатого воздуха.

Смешение потоков веществ, разных по физическим, прежде всего волновым параметрам, возможно при совмещении этих параметров согласно общеволновому закону кратностей в единую периодическую синусоидную волну потока.

Условия резонанса основных волн: и λ₂/λ₅=1/8; 1/4; 1/2; 1; 2; 3 и т.д., откуда C₂/f₂ С₅/f₂=1/8; 1/4; 1/2; 1; 2; 3 и т.д. или С₂/C₅=1/8; 1/4; 1/2; 1; 2; 3 и т.д. Условия волнового смешения веществ скорости звуковой (ультразвуковой) волны в веществах, подлежащих смешению, должны быть равны или же кратны. Скорости звуковой волны в газах и жидкостях в чистом виде или же смесях являются физическими постоянными (при определенных условиях) величинами и изменяются при изменении условий обитания волны. К условиям обитания волны относятся температура среды, давление среды. Имея целью изобретения слияние струй окислителя и топлива и эффективное, на молекулярном уровне, смешение потоков, волновой расчет ведется по кислороду воздуха и газообразному топливу из общеволновой зависимости

где: λ₂ длина звуковой волны в кислороде предварительно подогретого воздуха, м;
С₂ скорость звуковой волны в кислороде предварительно подогретого до (t= 80^oС) или (150^oС) сжатого воздуха и подвергнутого давлению (Р=0,35) или (0,25) МПа в объеме камеры, м/с;
f₂ частота периодов волны источника сжатого воздуха, Гц;
λ₅ длина звуковой волны в газообразном топливе, м;
С₅ скорость звуковой волны в газообразном топливе при t₁=20^oС (без подогрева), подвергнутого давлению Р=0,35 или 0,25 МПа в объеме камеры, м/c.

Для иных условий возникновения звуковой волны просчет волновых зависимостей производят по формуле
,
где: С₂ при 0^oС; 101325 Па скорость звуковой волны в кислороде атмосферного воздуха (справочная), м/с;
С₅ при 0^oС; 101325 Па скорость звуковой волны в газообразном топливе (справочная), м/с;
К_т коэффициент изменения скорости звуковой волны в кислороде сжатого воздуха на единицу температуры, м;
K1т

коэффициент изменения скорости звуковой волны в газообразном топливе на единицу температуры, м;
K_р коэффициент изменения скорости звуковой волны в кислороде сжатого воздуха на единицу давления, м;
K1p коэффициент изменения скорости звуковой волны в газообразном топливе на единицу давления, м;
Р оптимально-расчетный параметр внутрикамерного импульсного избыточного (+) относительно 101325 Па давления;
t температура сжатого воздуха, ^oС;
t₁ температура газообразного топлива, ^oС;
f₂ частота периодов звуковой волны источника сжатого воздуха, Гц.

При определенных условиях ввиду того, что параметры С₂ при 0^oС; 101325 Па и C₅ при 0^oС; 101325 Па уже несут в себе подвижку звуковой волны на единицу давления (0 101325 Па) элементы (К_р • Р) и (K1p

• Р) из формул извлекаются

при соблюдении условий резонанса λ₂/λ₅=1/8; 1/4; 1/2; 1; 2; 3 и т.д. При подборе пар газов для смешения (кислород газообразное топливо) руководствуются условиями резонанса С₂/C₅=1/8; 1/4; 1/4; 1; 2; 3 и т.д.

Определение выбора соотношения размеров.

В связи с тем, что источник сжатого воздуха, магистральный трубопровод, пневматический и газовый контуры горелки имеют единую волновую связь, выбор размеров элементов конструкции производится в соотношении к длине рабочей волны 2 длиною λ₂. По условиям резонанса длина колебательных элементов системы должна быть равна длине рабочей полуволны или же ее кратной.

Для горелок низкого давления (500 700 кгс/м²) по газу и (2,5 - 3,5 кгс/см²) по воздуху с начальной скоростью движения воздушного потока v=3,2 м/с при фиксированной, по верхнему пределу расчетной частоте пульсации камеры f₁ ≅ 20 Гц подобрана камера, создающая импульс разрежения (R r), имеющая свойства подсоса и размеры (кратная 1/2), где l длина камеры волнового смешения, при
при λ₂/λ₅=1/8; 1/4; 1/2; 1; 2; 3 и т.д.
где .

Точка R r подвода газа осуществлена в узел кинетической волны 1, т.к. она энергетически выгодна, в связи с тем, что расположена в зоне волнового разрежения и находится на расстоянии равноудаленно от торцовых отражающих плоскостей l₂=1/4λ₂.

Трубопровод вывода смеси имеет волновую связь и длину l₁=λ₂ (кратная 1). Форма камеры и трубопровода цилиндрическая так как труба является самым экономичным волноводом. Производительность горелки определяется
, Q_{расх.опт.}7,2 м³/ч
откуда ,
где: l длина камеры, м;
f₁ частота пульсации системы, Гц;
(для предлагаемого устройства f₁ ≅ 20 Гц; D диаметр камеры при расчете полученный результат приводится к величине, кратной рабочей волне. Для предлагаемого устройства диаметр камеры волнового смешения D=1/4λ₂ (кратная 1/4).

Диаметры дросселей (3 и 7 фиг.1), принятые как условно-проходные дифракционные отверстия, определяются из соотношения объема расходуемых смесей, тем самым мощности горелки, внутрикамерной скорости потока, дисперсности смеси, скорости выброса факела опытным путем, подбором сменных элементов.

Использование: в области энергетики, в частности для смешения и сжигания смесей газообразного топлива с воздухом. Сущность: трубопровод выхода смеси выполнен с постоянным сечением и снабжен на выходе полым насадком, торцевые стенки смесителя выполнены отражающими волну, при этом длина l смесителя равна l=1/2λ₂, диаметр D смесителя равен , длина l₁ трубопровода вместе с насадком равна l₁=λ₂, а λ₂=C₂/f₂ , где λ₂ - длина звуковой волны в кислороде подогретого сжатого воздуха; С₂ - скорость звуковой волны в кислороде подогретого сжатого воздуха при температуре, равной 80^oС, и давлении равном Р 0,35 мПа или 150^oС, и давлении Р 0,25 мПа, м/с; f₂ - частота периодов звуковой волны источника сжатого воздуха, Гц; при λ₂/λ₅=1 длина λ₅ звуковой волны природного газа по метану где С₅ - скорость звуковой волны природного газа по метану без подогрева при температуре, равной t₁= 20^oС и давлении, равном Р=0,35 мПа или Р=0,25 мПа, м/с; Р - оптимально-расчетный параметр внутрикамерного импульсного избыточного, относительно 101325 Па, давления. 2 ил.

Газовая горелка низкого давления с активной воздушной струей, содержащая газовый коллектор с дросселем, цилиндрический смеситель с торцевыми стенками, перпендикулярными продольной оси горелки, в которых выполнены пневмопускное отверстие для подачи первичного воздуха и отверстие выхода смеси, в середине боковой стенки смесителя выполнены радиальные отверстия, сообщающие полости смесителя и газового коллектора, трубопровод выхода смеси, подсоединенный к смесителю, кожух для подачи вторичного воздуха, расположенный с зазором вокруг трубопровода, отличающаяся тем, что трубопровод выхода смеси выполнен с постоянным сечением и снабжен на выходе полым насадком, торцевые стенки смесителя выполнены отражающими волну, при этом длина смесителя равна l = 1/2•λ₂, диаметр смесителя равен D = 1/4•λ₂, длина трубопровода вместе с насадком равна l₁= λ₂, a λ₂= c₂/f₂, где λ₂ длина звуковой волны в кислороде подогретого сжатого воздуха, м; с₂ скорость звуковой волны в кислороде подогретого сжатого воздуха при 80^oС и 0,35 мПа или 150^oС и 0,25 мПа, м/с; f₂ частота периодов звуковой волны источника сжатого воздуха, Гц; при λ₂/λ₅ = 1, длина звуковой волны природного газа по метану равна где с₅ скорость звуковой волны природного газа по метану без подогрева при 20^oС и 0,35 или 0,25 мПа, м/с; Р оптимально-расчетный параметр внутрикамерного импульсного избыточного относительно 101325 Па давления.