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

Изобретение относится к технологии смешения и сжигания физических смесей природного газа с воздухом в газовых водонагревателях, бытовых плитах и различных мелких отопительных агрегатах, работающих на природном газе низкого давления в условиях отсутствия сжатого воздуха.

Известно устройство для смешения и сжигания потока газа низкого давления и эжектируемого им воздуха в камерах смешения, выполненных в корпусах атмосферных горелок (Газогорелочные устройства. Ю. В.Иванов. Изд-во "Недра", 1972, с. 56 57, рис. 2-19; 2 20).

Однако известное техническое решение имеет следующие недостатки.

Для транспортирования воздуха в камеру смешения используется струя газа низкого давления и низкой скорости движения, в связи с чем энергетически слаба и обеспечивает не более 0,3 0,7 количества, теоретически необходимого для горения первичного воздуха, ввиду чего неизбежно появляется неуправляемое атмосферное горение, значительный недожег топлива с выделением CO.

На низких скоростях движения потока газа при низком давлении эжекция воздуха плохо управляема и в значительной степени зависима от разрежения в топке и дымоходе, ввиду чего вводится управление тягой по тракту отходящих газов в дымоходе.

Процесс смешения топлива и воздуха использует кинетическую энергию удара движущегося потока газа, но так, как масса объема газа и скорость потока незначительны, процесс идет на низком энергетическом уровне, в связи с чем поток имеет недисперсную, струйную структуру, при низкой скорости горения, низкой температуре пламени и значительной длины факела.

В топках, оборудованных эжекционными горелками низкого давления атмосферного горения не удается осуществить режим горения с коэффициентом избытка воздуха менее 1,3 1,4, что приводит к невысоким КПД установок так, как примитивный струйный способ смешения не обеспечивает контакт каждой молекулы топлива и окислителя, удлиняет процесс во времени, в связи с чем требуется значительной длины камера смешения и устройства.

Технический результат изобретения производство тонкодисперсных на молекулярном уровне, химически активных при горении, воздушно-газовых топливных смесей в одноструктурном с подавленной струйностью потоке, единообразном 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 недожега топлива и выделения CO, а также снижения избытка воздуха, в связи с чем потерь тепла с отходящими газами и создание автономной газогорелочной системы, снижающей зависимость горелки от противодавления или чрезмерного разрежения в топке дымоходе.

Технический результат достигается тем, что кинетическое взаимодействие потоков газов, разных по физическим параметрам, выраженное в соударении потоков под разными углами атаки, в эжекции, завихрения потоков, совместно с естественной диффузией газов логически переходит в волновую взаимосвязь, в результате чего маломощная и слабоуправляемая на низких скоростях потока эжекция заменяется волновым вакуумным насосом, внешним температурным воздействием.

Компоненты смеси в потоках, разных по физическим волновым параметрам, вводятся в кратные волновые резонансные взаимоотношения, границы потоков и струй в потоках, обозначенные волновым диссонансом, исчезают струи сливаются; механическая вибрация, возникающая в результате острого волнового резонанса рабочих волн потоков и естественная диффузия газов, завершает процесс смешения, приводя воздушно-газовые смеси в едином потоке в состояние, предлагаемое изобретением.

Смешивание газов в автономной обездвиженной камере, в состоянии стоп-импульса, вызванного волновой блокадой пневмовпускных и дифракционных условно-проходных отверстий, возможность дросселирования газовпускного отверстия сопла, изменяя мощность газового потока и производительность горелки, но не изменяя волновых параметров газового потока, возможность регулирования мощности потока вторичного воздуха позволяет получить соотношение газ/воздух, близкое к теоретическому а 1,0, исключающему переизбыток воздуха и недожег топлива.

На фиг. 1 изображена горелка низкого давления с активной волной газового потока; на фиг. 2 камера смещения в волновом соотношении размеров.

В состоянии статики аппарат имеет элементы конструкции и связи: камера 1 смешения -цилиндрическая пустотелая полость с прямолинейной геометрической осью, ее торцовые противоположные плоскости перпендикулярны к оси камеры. Подвод потока газа низкого давления в камеру осуществлен трубопроводом 2, через газовый дроссель 3, диаметром 1,2 2 мм газового сопла 4, продольно геометрической оси камеры. Подвод подогретого воздуха осуществлен трубопроводом 5, под углом 90^o к потоку газа, через расположенный в зоне обогрева полое кольцо-теплообменник 6, воздушный коллектор 7 и 6 симметрично расположенных в диаметральной плоскости равноудаленно от торцовых поверхностей, отверстий 8 диаметром 3 мм. Обогрев теплообменника производится рециркуляцией горячих газов эжекцией факела пламени под кожух 9.

С целью избежания зависимости горелки от противодавления или же разрежения топки и дымохода забор воздуха для питания горелки производится вне объема топки и дымохода. Подвод подогретого вторичного воздуха осуществляется вместе с потоком рециркуляционных газов в устье факела пламени.

Волновая камера смешения 1, через дроссель смеси 10 диаметром 4,6 8 мм сообщена с трубопроводом смеси 11 диаметром 10 мм, переходящим в сопло насадки 12 горелки.

При открытии запорной арматуры газовый поток возбужденный газовым турбокомпрессором поступает в трубопровод 2 и через дроссель 3 газового сопла 4, камеру смещения 1, дроссель смеси 10, трубопровод смеси 11, сопло-насадка 12, преодолевая сопротивление газовоздушного тракта, в топку.

Перепад давлений в системе вызывает движение, а движение, в свою очередь, возбуждает физическую кинетическую волну потока.

Камера, имеющая волновые признаки, пустотелая, открытая с обеих сторон полость с прямолинейной геометрической осью с торцовыми отражательными плоскостями, перпендикулярными геометрической оси, с подводом потока газа и вывода смеси по геометрической оси камеры, имеет продольно проходящую кинетическую волну и становится генератором собственных колебаний волны 1 (фиг. 2), равной удвоенной длине камеры λ₁= 2l; из общеволновой зависимости или , где V физическая, регулируемая (сигнал входа) скорость газового потока; f₁ переменная, зависимая от скорости потока и длины камеры величина частота пульсации камеры (для системы низкого давления и низких скоростей f≅10 HZ) и залегает по форме 1 (фиг. 2), при которой узел волны расположен в средней части камеры; в точке R пересечения оси подвода потока газа с осью подвода воздуха, что и определяет зону разрежения в средней части объема камеры.

Воздушный поток, используя подсос камеры, вызванный волновым разрежением в зоне R из объема вне топки и дымохода через теплообменник в трубопровод 5, воздушный коллектор 7 и 6, симметрично расположенных в диаметральной плоскости в средней зоне камеры пневмовыпускных отверстий 8, заполняет определенный неизменный объем камеры.

Внедренная в потоке газа доза воздуха смещается в зоне острого резонанса (P₁) подвергается воздействию высокочастотной, за счет энергии резонанса волн, механической объемной вибрации и через дроссель смеси 10 выбрасывается в трубопровод смеси 11.

Производительность "пневмоэлеватора" определяется частотой пульсации камеры, при том, что частота пульсации или V 2l • f₁, зависима от переменной скорости потока газа и стабильной удвоенной длины камеры, ввиду чего от 0-скороси потока газа до (оптим-V), ограниченной F₁ ≅ 10HZ горелка управляема от 0 до 100 оптимальной расчетной производительности тепла горелки.

В объеме аппарата, заполненного сжатым газом, через открытую арматуру действует основная, продольная, звуковой частоты, газовая волна 2 (фиг. 2) длиной ,
где C₂ скорость звуковой волны в метане (0^oC 101325 Па);
f₂ частота периодов волны, задаваемая газовым турбокомпрессором.

При соударении газового и воздушного потоков в камере возбуждается волна 3 (фиг. 2) воздушного потока ,
где C₃ скорость звуковой волны в кислороде воздуха (0^oC 101325 Па);
f₂ частота периодов волны, задаваемая газовым турбокомпрессором.

Смешение потоков газов, разных по физическим, прежде всего волновым параметрам, возможно при совмещении волновых параметров потоков, согласно общеволнового закона кратностей в единую периодическую синусоидную волну потока.

Условие резонанса основных волн: 1/8: 1/4: 1/2: 1: 2:3 и т.д. или (кратная 1) или С₂ C₃.

Волновое условие смешения (слияния) газов в потоках скорости звуковой волны в газах, подлежащих смешению должны быть равны или во кратны; скорости звуковой волны в веществах являются физическими постоянными (при определенных условиях) величинами и изменяются только при изменении условий среды обитания. К условиям среды обитания волны относятся температуры среды, давление среды, влажность среды.

Имея целью изобретения слияние струй окислителя и топлива и эффективное, на молекулярном уровне, смешение потоков, волновой расчет вследствие по метану (для природного газа) и кислороду воздуха.

Для сухого природного газа и подогретого воздуха волновой расчет на влажность среды не ведется. Для системы низкого давления (500 700 кгс/см²) поправка на давление в практический расчет не вводится, в связи с чем формулы волнового равновесия совмещения (слияния) потоков в зоне R камеры может быть универсально записана: C₂ ±K_т•t C₃± KIт

• t′, где C₂ скорость звуковой волны для топлива (0^oC 101325 Па); C_з скорость звуковой волны в кислороде воздуха (0^oC 101325 Па); К_т, KIт коэффициент изменения скорости волны на единицу температуры для топлива и кислорода воздуха. t; t¹ температура газов, подлежащих смещению.

Для предлагаемого устройства формула волнового равновесия
C₂+K_т•t = C₃+KIт

•t′.
Волновой расчет условий острого резонанса рабочих волн в зоне импульсного волнового давления P₁ ведется в паре метан-азот/воздуха
C₂+K_т•t = CI3+Kпт•t″, где,
где CI3 скорость звуковой волны в азоте воздуха (0^oC 101325 Па);
Kпт коэффициент изменения скорости волны на единицу температуры для азота воздуха;
t'' температура азота подогретого воздуха.

При открытии запорной газовой арматуры поток газа низкого давления поступает в волновую камеру смешения, имеющей волновые признаки геометрии и длиною l = 1/4λ₂ (кратная 1/4).

В объеме аппарата, заполненного газом низкого давления, действует основная газовая волна 2 (фиг. 2) длиною .

После подачи подсосом воздушной составляющей в камере возбуждается пневматическая волна 2 (фиг. 2) по кислороду . Кинетическая волна 1 (фиг. 2), резонансные к ней волна 2 газового потока и пневматическая волна 3 укладываются в волновой камере узлами в точке R, создавая зону разрежения и естественного подсоса пучностями в зоне -P и -P₁, создавая зоны острого резонанса волн и импульсного (выше номинала) давления. Выброс импульсного волнового давления в зонах P и -P₁ перекрывает газовый дроссель, дроссель вывода смеси и пневмовпускные отверстия-камеры уходит в состояние стоп-импульса и обездвиживается. Энергия острого резонанса переходит в высокочастотную механическую вибрацию по всему объему камеры на уровне каждой молекулы топлива и кислорода, превращая газовоздушные смеси в состояние, предлагаемое изобретением.

Разрядившись, резонансная волна затухает, волновая блокада впускных и выпускных отверстий снимается, газовый поток вентилирует камеру. Доза смеси вытесняется в трубопровод, восстанавливается зона разрежения R; доза воздуха поступает в камеру, а затем цикл повторяется.

Система работает в устройством волновом автоколебательном режиме.

Обоснование выбора соотношения размеров. В связи с тем, что газовый турбокомпрессор, магистральный газопровод, газовый и воздушный контуры горелки имеют единую волновую связь, выбор размеров элементов конструкции производится в соотношении к длине рабочей волны 2-λ₂.. Для горелки низкого давления по газу (500 700 кгс/м²) и O стартовое давление по воздуху с оптимальной расчетной скоростью потока в камере V 0,8 м/с при оптимальной расчетной частоте пульсации камеры f₁≅ 10 HZ подобрана камера, создающая импульс разрежения R, имеющая свойства подсоса и размеры (кратная 1/4), где l длина камеры волнового смешения при (кратная 1), где , точка R подвода воздуха осуществлена в узел кинетический 1 волны, так как она энергетически выгодна в связи с тем, что расположена в зоне волнового разрежения и находится на расстоянии , равноудаленно от торцовых отражающих плоскостей.

Трубопровод вывода смеси имеет волновую связь и длину l₁= 1/2λ_2/ (кратная 1/2). Форма камеры и трубопровода цилиндрическая так, как труба является самым экономичным волноводом.

Мощность горелки , где l длина камеры; f₁ расчетная оптимальная частота пульсации камеры (для предлагаемого устройства f₁≅ 10 HZ); D диаметр камеры (при расчете полученный размер D производится к ближайшей величине кратной рабочей волне λ₂).

Для предлагаемого устройства диаметр камеры волнового смешения Д=1/8 - (кратная 1/8). Qрасхопти

= 0,45 м³/час.

При D = 1/4λ₂ (кратная 1/4) горелка конвертируется в аппарат значительно большой мощности.

Диаметры газовпускных и впускных отверстий определяются из соотношений объема расходуемых смесей, внутри камерной скорости потока, дисперсности смеси, скорости выброса факела смесей опытным путем подбором сменных элементов. Температура подогрева первичного воздуха для зоны R эффективного слияния окислителя и топлива t' 230^oC, для зоны острого резонанса и эффективного перемешивания P и P₁ t'' 180^oC. Температура "холодного" природного газа условно принята t 20^oC.

Рабочий параметр подогрева первичного воздуха подбирается в пределах: 180 230^oC в зависимости от назначения и условий эксплуатации горелки.

Использование: в энергетике, в частности для смешения и сжигания смесей природного газа с воздухом. Сущность изобретения: смеситель выполнен цилиндрическим с торцовыми отражающими стенками, перпендикулярными проходной оси камеры, в одной из которых установлено газовое сопло, а в другой выполнено отверстие вывода смеси; в центральной части боковой стенки смесителя выполнены радиальные отверстия для подачи первичного воздуха, а смеситель соединен с насадкой посредством трубопровода вывода смеси; горелка содержит полое кольцо-теплообменник для подогрева первичного воздуха, примыкающий к насадку кожух, расположенный с зазором вокруг теплообменника, для подачи вторичного воздуха с горячими газами на подогрев первичного воздуха. 2 ил.

Газовая горелка низкого давления с активной струей газового потока, содержащая газовое сопло, смеситель, источник подачи первичного воздуха, насадок, отличающаяся тем, что смеситель выполнен цилиндрическим с торцевыми отражающими стенками, перпендикулярными продольной оси камеры, в одной из которых установлено газовое сопло, а в другой выполнено отверстие вывода смеси, в центральной части боковой стенки смесителя выполнены радиальные отверстия для подачи первичного воздуха, а смеситель соединен с насадком посредством трубопровода вывода смеси, горелка содержит полое кольцо - теплообменник для подогрева первичного воздуха, примыкающий к насадку, кожух, расположенный с зазором вокруг теплообменника, для подачи вторичного воздуха с горячими газами на подогрев первичного воздуха, длина l смесителя равна диаметр D смесителя равен длина l₁ трубопровода вместе с насадком равна при этом

где λ₂ длина звуковой волны газообразного топлива, м;
C₂ скорость звуковой волны газообразного топлива при 0^oС и давлении 101325 Па, м/с;
K коэффициент изменения скорости звуковой волны при повышении температуры газообразного топлива на 1^oС;
t температура газообразного топлива;
f₂ частота периодов звуковой волны подводимого от источника сжатого газообразного топлива, Гц;
при выполнении соотношения 1, 2, 3 и так далее, где λ₃ длина звуковой волны в кислороде подогретого воздуха, определяемая из соотношения

где C₃ скорость звуковой волны в кислороде атмосферного воздуха при 0^oС и давлении 101325 Па, м/с;
коэффициент изменения скорости звуковой волны при повышении температуры кислорода атмосферного воздуха на 1^oС;
t' температура подогретого атмосферного воздуха.