РАДИАЦИОННАЯ ГАЗОВАЯ ГОРЕЛКА Российский патент 1997 года по МПК F23D14/12 

Изобретение относится к теплоэнергетике, газовой промышленности и может быть использовано при создании газовых плит коммунально-бытового назначения, газогорелочных устройств теплоэнергетического оборудования и нагревательных элементов различного назначения, использующих тепло сжигаемого газа.

Использование сжигаемого газа, особенно в коммунально-бытовых целях, порождает экологические проблемы, связанные с выбросом в окружающую среду вредных, в том числе и токсичных, продуктов сгорания, например окиси углерода CO и др.

В разных странах эти проблемы решаются по-разному, тем не менее существует несколько направлений разработок, направленных на создание более экологичных газовых приборов: отсос вредных продуктов сгорания, (патент США N 4235220, 1980); рециркуляция их (заявка на европейский патент N 0372660, 1988); дожиг продуктов сгорания (заявка Великобритании N 1459472, 1976); каталитическая очистка (авт. св. СССР N 1778450, 1992); автоматическое регулирование параметров газа в зависимости от концентраций вредных веществ, например, использование радиационных горелок в сочетании с каталитическими элементами. Для последнего направления характерно использование в горелочной насадке пористых высокотемпературностойких структур, таких, как стекловолокно, стеклокерамика, металлокерамика (патент США N 5326631, F 23 D, 14/12) предложена горелка, верхняя часть которой выполнена в виде матрицы из спеченных металлических и керамических волокон со связующим агентом, образуя пористую структуру.

В патенте Франции N 2691527, F 24 C, 3/06 описана стеклокерамическая газовая горелка, над которой дополнительно установлена пластина из стеклокерамики, а между пластиной и горелкой организован отсос продуктов сгорания.

В патенте Великобритании N 2267750 F 24 C, 15/00 предложен лучистый нагреватель в виде листа из керамического материала, под которым установлен тепловой источник с газовой горелкой, при этом верхняя часть газовой горелки выполнена в виде таблетки из пористого керамического материала, при этом из пространства между таблеткой и листом откачивают продукты сгорания.

Известна горелка инфракрасного излучения ГИИ-19А с полным предварительным смешением газа с воздухом и горелочным насадком из керамических плиток с диаметром каналов для прохода газовоздушной смеси 1,5 мм (Иссерлин А.С. Газовые горелки. М. Недра, 1966, с. 60)
Известна горелка инфракрасного излучения типа ИГК с горелочным насадком в виде обоймы с пакетом пластин, скрепленных стержнями, горение газовоздушной смеси, в которой происходит в зазоре между пластинами, которые одновременно являются стабилизаторами, предотвращающими проскок и отрыв пламени (Иванов Ю. В. Основы расчета и проектирования газовых горелок. М. Гостоптехиздат, 1963, с. 68).

Также известна радиационная горелка ГК-27, имеющая излучательную поверхность из двух рядов сетки. Процесс горения происходит в пространстве между сетками, которые, нагреваясь до высокой температуры (-800^oC), становятся мощными излучателями (Иссерлин А.С. Газовые горелки. М. Недра, 1966, с. 59). Данная конструкция выбрана в качестве прототипа.

Недостатками известных решений являются:
малый диапазон устойчивой работы и невысокий предел регулирования, вызванные опасностью проскока пламени (особенно на периферии насадка, где скорость газовоздушной смеси минимальная) при снижении исходного давления газа и изменении режимов работы, что вынуждает вводить в конструкцию горелки конфузор перед насадком для увеличения и выравнивания профиля скорости потока, а также охлаждение насадка водой, воздухом или газом;
ограниченный радиационный теплоотвод (50-70%), вследствие использования материалов с относительно невысокой степенью черноты излучающей поверхности (ε 0.6-0.8), невысокой температуры излучающей поверхности (не выше 900^oC) и малой шероховатости поверхности, связанной с малой поверхностной пористостью (поверхность излучения определяется геометрическим размером насадка);
невысокая прочность насадка, вызванная хрупкостью керамики (вероятность разрушения из-за различных КТР с корпусом горелки);
невысокая приемистость из-за медленного прогрева керамики (t_{запуска}>60 с); в промышленных горелках запуск производится с предварительным прогревом насадка при пониженном количестве эжектируемого воздуха;
повышенные требования к геометрическим параметрам смесителя, для обеспечения полноты перемешивания газа и воздуха перед насадком.

Задача изобретения повышение эффективности (к.п.д.) горелки; повышение надежности; повышение экологичности; увеличение приемистости горелки.

Указанная задача достигается тем, что в радиационной газовой горелке, содержащей газовое сопло, смеситель, горелочный насадок и защитную крышку, горелочный насадок выполнен в виде металловойлочного пористого тела, изготовленного из дискретных волокон нитевой проволоки жаропрочного и жаростойкого сплава с полностью открытой, переменной по толщине объемной пористостью в интервале 90-98% с переменным по толщине горелочного насадка средним размером пор в диапазоне 50-1000 мкм, уменьшающимся в направлении к защитной крышке, с дискретными волокнами, выступающими над внешней поверхностью и расположенными под углом к последней. При этом металловойлочное пористое тело установлено в несущую обойму из жаропрочного материала.

На фиг. 1 изображена горелка с двухступенчатым забором воздуха; на фиг. 2 горелка с одноступенчатым забором воздуха; на фиг. 3 узел I на фиг. 2.

Горелка включает в себя, по крайней мере одно, газовое сопло 1, установленное на кронштейне 2, например, в виде уголка, образующего участок первой ступени забора воздуха, смеситель 3, состоящий их инжектора 4, камеры смешения 5 и диффузора 6, горелочный насадок 7 из металловойлочного пористого тела 8, с выступающими над внешней поверхностью отдельными дискретными волокнами 9; металловойлочное пористое тело 8 вставлено в несущую обойму 10 из жаропрочного материала, например, нержавеющей стали, заборник воздуха второй ступени 11 (при необходимости) и регулятор забора воздуха 12. Над насадком 7 размещается защитная крышка 13, с сеткой 14 из жаропрочного и жаростойкого, например, хромоникелевого сплава, обладающего каталитическими свойствами.

В процессе работы, газ поступает из магистрали или баллона через газовое сопло 1 в смеситель 3. Выходящая из сопла 1 струя газа эжектирует окружающий воздух и направляет его в смеситель 3. В случает исполнения горелки с единичным газовым соплом, газ и воздух поступают в инжектор 4, а в случае многосопловой схемы инжекции непосредственно в камеру смешения 5. Проходя через заборник воздуха второй ступени 11, газовая струя эжектирует воздух и направляет его в инжектор 4, где происходит выравнивание поля скоростей. После инжектора 4 газ и воздух поступают в камеру смешения 5, где происходит их перемешивание и образование газовоздушной смеси. В диффузоре 6 продолжается перемешивание газа и воздуха, образование газовоздушной смеси и восстановление давления, необходимого для преодоления сопротивления металловойлочного пористого тела 8 горелочного насадка 7. После смесителя газовоздушная смесь поступает в горелочный насадок 7, в нижней части которого заканчивается подготовка газовоздушной смеси (окончательный этап смешения и подогрев смеси). Горение газовоздушной смеси происходит в каналах верхней части металловойлочного пористого тела 8 горелочного насадка 7. В результате горения газовоздушной смеси в каналах металловойлочного пористого тела 8 насадка 7, происходит прогрев последних до температуры 950-1050^oC. Каталитический дожиг газовоздушной смеси осуществляется последовательно на нагретых волокнах внешней поверхности металловойлочного пористого тела 8 насадка 7, на раскаленных дискретных волокнах 9, выступающих над верхней поверхностью металловойлочного пористого тела 8 насадка 7, и на сетке 14 защитной крышки 13 горелочного насадка 7.

Предлагаемая горелка отличается тем, что горелочный насадок выполнен из металловойлочного пористого тела, изготовленного из дискретных волокон нитевой проволоки жаропрочного и жаростойкого, например, хромоникелевого сплава, установленного в несущей обойме из жаропрочного материала, например, нержавеющей стали, и имеющего специально организованные геометрические и конструктивные параметры:
полностью открытую объемную пористостью в интервале 90-98% со средними размерами пор 50-1000 мкм, где нижний предел определяется необходимостью минимизации величины сопротивления по газовоздушному тракту горелки для предотвращения неустойчивости горения газовоздушной смеси, а верхний предел определяется переходом в режим многофакельного горения, с частичной потерей признаков радиационной горелки;
переменный по толщине горелочного насадка средний размером пор в диапазоне 50-1000 мкм, уменьшающийся в направлении к защитной крышке, совпадающем с направлением истечения газовоздушной смеси; такая структура пор обеспечивает в нижней части насадка окончательную подготовку газовоздушной смеси и охлаждение ее за счет теплопроводности металловойлока в радиальном направлении, в средней части насадка ускорение газовоздушного потока, за счет уменьшения проходного сечения, и подогрев газовоздушной смеси от фронта горения, за счет теплопроводности металловойлока в осевом направлении, и в верхней части насадка горение смеси в паровых каналах и каталитический дожиг в верхнем слое волокон;
дискретные волокна, выступающие над внешней поверхностью, расположенные под произвольным углом к последней;
установка металловойлочного пористого тела в несущую обойму из жаропрочного материала без зазора, обеспечивающая охлаждение газовоздушной смеси по внешнему периметру пористого тела за счет теплопроводности металловойлока в радиальном направлении к несущей обойме.

Кроме этого, дополнительный эффект может быть достигнут выбором толщины металловойлочного пористого тела, из условия регулярности структуры металловойлока (нижний предел) и газовой проницаемости, обеспечивающей расход газовоздушной смеси, соответствующий максимальной производительности (верхний предел).

Следствием введения новых конструктивных признаков является:
1) повышение эффективности (Q_{излучения}>0.9Q_{сгора ниягаза}) горелки за счет:
а) подготовки к горению газовоздушной смеси (подогрев и перемешивание) в нижнем слое металловойлока в микрообъемах, определяемых размерами пор и, как следствие этого, повышения температуры излучающей поверхности;
б) высокой излучательной способности внешней поверхности горелочного насадка (e>0.9), достигающейся за счет высокой степени черноты шпинельного окисла, образующегося на поверхности волокон, и высокой степенью шероховатости поверхности металловойлока;
в) высокой температуры теплоизлучающей поверхности насадка (1000-1050⁰С);
г) высокой газовой проницаемости насадка (K>2•10¹⁰м²) обеспечивающей, за счет выбора параметров металловойлока, расход газовоздушной смеси, соответствующий максимальной производительности при выбранных габаритах теплоизлучающей поверхности;
2) повышение надежности за счет:
а) исключение проскока пламени при изменении режимов работы горелки за счет наличия в металловойлоке извилистых каналов, образуемых порами с характерным средним размером 50-1000 мкм, уменьшающимся по толщине насадка в направлении к защитной крышке, совпадающим с направлением истечения газовоздушной смеси, а также, за счет размещения металловойлочного пористого тела в несущей обойме без зазора, обеспечивающего охлаждение газовоздушной смеси по внешнему периметру пористого тела за счет теплопроводности металловойлока в радиальном направлении к несущей обойме;
б) наличия на внешней поверхности горелочного насадка раскаленных дискретных волокон в виде "щетки", выполняющих роль стабилизатора горения, а также обеспечивающих каталитический дожиг газовоздушной смеси;
в) установки металловойлочного пористого тела в несущей обойме, обеспечивающей снятие термических напряжений с металловойлока в процессе включения-выключения горелки и герметичность соединения насадка с корпусом;
г) изготовления металловойлока из жаропрочного и жаростойкого, например, хромоникелевого, сплава;
3) повышение экологичности за счет трехступенчатого каталитического дожигания газовоздушной смеси последовательно на окисленных поверхностях в верхнем слое металловойлока, на раскаленных дискретных волокнах над поверхностью насадка и на сетке защитной крышки (содержание продуктов сгорания: CO не выше 0.008%/об. NO₂ не выше 0.0002%/об. H₂ не выше 0.08%/об. H₂S не выше 0.0001%/об.);
4) повышение приемистости за счет высокой теплопроводности металлических волокон, например, из хромоникелевых сплавов, и, как следствие, быстрого прогрева насадка при запуске (время прогрева до номинальной температуры при запуске из холодного состояния менее 20 с, при повторном запуске после выключения 1-5 с);
5) повышение устойчивости работы горелки и пределов регулирования за счет исключения проскока и срыва пламени (диапазон устойчивой работы по тепловой нагрузке не менее 1:8, диапазон регулирования не менее 1:6).

Экспериментальные технические характеристики двух типоразмеров радиационной газовой горелки с горелочным насадком из металловойлочного материала, для варианта с инжекцией воздуха, применительно к бытовой газовой плите на сжиженном газе (смесь пропан-бутан) представлены в таблице, где
^*) ограничено имевшимися возможностями стенда;
^**) применительно к бытовым плитам
^***) на расстоянии 5-10 мм от поверхности защитной крышки;
^****) на расстоянии 300-500 мм от поверхности защитной крышки.

Изобретение позволяет непосредственно перейти к его использованию на существующих конструкциях газовых горелок бытового и промышленного назначения. Например, горелочный насадок, выполненный заодно с обоймой, с геометрическими размерами соответствующими кратеру инжекционных горелок выпускаемых промышленностью, непосредственно сочленяется с существующими горелками бытовых газовых плит.

Использование: при создании газовых плит коммунально-бытового назначения, газогорелочных устройств теплоэнергетического оборудования нагревательных элементов различного назначения, использующих тепло сжигаемого газа. Сущность изобретения: радиационная газовая горелка содержит газовое сопло, смеситель, горелочный насадок и защитную крышку, горелочный насадок, которой выполнен из металловойлочного пористого тела, изготовленного из жаропрочного и жаростойкого сплава с полностью открытой, переменной по толщине объемной пористостью в интервале 90-98%, с переменным по толщине горелочного насадка средним размером пор в диапазоне 50-1000 мкм, уменьшающимся в направлении к защитной крышке с дискретными волокнами, выступающими над внешней поверхностью и расположенными под углом к последней, при этом металловойлочное пористое тело установлено в несущей обойме из жаропрочного материала. 3 ил., 1 табл.

Радиационная газовая горелка, содержащая по крайней мере одно газовое сопло, смеситель, насадок, по крайней мере один воздухозаборник с регулятором, защитную крышку с сеткой из каталитического материала, отличающаяся тем, что горелочный насадок выполнен в виде металловойлочного пористого тела из дискретных волокон нитевой проволоки жаропрочного и жаростойкого сплава с полностью открытой объемной пористостью в интервале 90 98% с переменным по толщине горелочного насадка средним размером пор в диапазоне 50 1000 мкм, уменьшающимся в направлении к защитной крышке, с дискретными волокнами, выступающими над внешней поверхностью и расположенными под углом к последней, при этом металловойлочное пористое тело установлено в несущей обойме из жаропрочного материала.