ГАЗОВАЯ ГОРЕЛКА Российский патент 1997 года по МПК F23D14/02 F23D14/82 

Изобретение относится к горелочным устройствам для сжигания газообразного топлива и может быть использовано в различных теплотехнических устройствах, в частности в теплообменных аппаратах с заданной тепловой мощностью.

Известно горелочное устройство (авт. св. N 1686260. кл. F 23 D 14/02, опублик. 23. 10. 91), содержащее корпус с входным узлом для подвода топлива и воздуха, жаровую трубу со свечой зажигания, установленную по оси корпуса с образованием кольцевого зазора, выходное сопло. Во входном узле выполнены отверстия для подачи воздуха, снабженные топливными форсунками и завихрителями и расположенные на входе в жаровую трубу. Кольцевой зазор в выходном сечении жаровой трубы ограничен конической торцевой стенкой, в которой выполнены отверстия, причем за жаровой трубой перед выходным соплом расположена камера дожигания, а в стенке жаровой трубы перед торцевой стенкой также выполнены отверстия.

Наиболее близкой по технической сущности и принятой за прототип является газовая горелка ( авт. св. N 1242684, опублик. 08. 03. 86), содержащая камеру сгорания, газоподводящую трубку с сопловым насадком на конце, имеющим топливный коллектор и систему радиальных отверстий, воздухоподводящий патрубок, запальник.

Недостатком данной горелки является то, что практически неизменяющийся стехиометрический состав топливовоздушной смеси в области взаимодействия газообразного топлив с воздухом предопределяет высокую температуру факела пламени, что влечет за собой повышенный выброс NO_x. Кроме того, возможны срыв или проскок пламени при внезапных резких изменениях давления подачи газа.

Задачей, которую решает предлагаемое изобретение, является повышение надежности работы горелки, качества сжигания топлива и снижения выбросов вредных веществ CO, HC, NO_x и сажи.

Поставленная задача решается тем, что в газовой горелки, содержащей камеру сгорания, газоподающую трубку с сопловым насадком, имеющим топливный коллектор и систему отверстий, воздухоподающий патрубок и запальник, камера сгорания с сопловым насадком, установленным перед ней, введена с кольцевым зазором в воздухоподающий патрубок, канал соплового насадка выполнен кольцевым с суживающейся входной, цилиндрической центральной и расширяющейся выходной частями, по оси соплового насадка установлена центральная воздухоподводящая трубка, а запальник расположен внутри трубки по ее оси с образованием кольцевого канала подвода воздуха, система отверстий топливного коллектора выполнена в центральной цилиндрической части соплового канала, на выходе расширяющейся части соплового канала с загрублением внутрь его установлена сетка-антифламминг. Отверстия в центральной части соплового канала выполнены хордальными и под острым углом к оси горелки. Кроме того, входная суживающаяся часть соплового канала выполнена с возможностью регулирования его проходного сечения.

На чертеже представлен продольный разрез предлагаемой газовой горелки.

Газовая горелка содержит воздухоподающий патрубок 1, камеру сгорания 2, газоподводящую трубку 3 с сопловым насадком 4, имеющим топливный коллектор 5 и систему отверстий 6, центральную воздухоподводящую трубку 7, сетку-антифламминг 8, запальник 9.

Сопловой насадок 4 установлен по оси горелки таким образом, что цилиндрическая наружная его стенка с прикрепленной к ней камерой сгорания 2 образуют с воздухоподающим патрубком 1 кольцевой канал 10, а внутренняя образует кольцевой канал переменного сечения 11 с центральной воздухоподводящей трубкой 7, установленной также по оси горелки. Входная часть канала 11 выполнена суживающейся, выходная расширяющейся, а в цилиндрической центральной его части расположена система хордальных отверстий 6, оси которых выполнены под острым углом к оси горелки. Выходная расширяющаяся часть канала 11 выполняет роль смесителя.

Подвижная регулировочная шайба 12, перемещаясь по трубке 7, позволяет менять входную площадь канала 11.

Внутри воздухоподводящей трубки 7, по ее оси, установлен запальник 9 таким образом, что образуется кольцевой канал 13 подвода воздуха.

На выходе расширяющейся части канала 11 с заглублением внутрь его установлена сетка-антифламминг 8 с образованием с воздухоподводящей трубкой 7 уступа, который выполняет функцию стабилизатора пламени.

Пилоны 14 16 служат для установки деталей внутри воздухоподающего патрубка 1 и центровки их относительно оси горелки.

Работает горелка следующим образом.

Воздух, поступивший на вход в горелку, распределяется на три потока. Первый поток по кольцевому каналу 10 поступает на выход камеры сгорания 2. Второй поток воздуха по кольцевому каналу переменного сечения 11 через сетку-антифламминг 8 поступает в камеру сгорания 2. При этом поток воздуха, проходя между регулировочной шайбой 12 и суживающейся входной частью соплового канала 11, ускоряется. В цилиндрическую центральную часть канала 11, где скорость потока наибольшая, через газоподводящую трубку 3, топливный коллектор 5 и систему хордальных отверстий 6 подается газообразное топливо. Известно, что наилучшие условия для смешения газа с воздухом обеспечиваются в тех случаях, когда газовая струя подается в зону максимальных скоростей воздушного потока (Рациональное использование газа в энергетических установках. Справочное руководство./Под ред. А.С. Иссерлипа, Л. Недра, 1990, 423 с. ). Выполнение отверстий 6 хордальными и под углом к оси горелки, создавая крутку, улучшает смешение газа с воздухом. Далее газовоздушная смесь, проходя по расширяющейся части кольцевого канала 11, где скорость ее уменьшается, через антифламминг 8 поступает в камеру сгорания 2. Подготовленная таким образом газовоздушная смесь, попадая в камеру сгорания 2, поджигается запальником 9, образуя зону горения. Уменьшение скорости потока газовоздушной смеси и выходной расширяющейся части канала 11 и наличие стабилизатора пламени в виде торцевого уступа центральной воздухоподводящей трубки 7 исключают унос факела пламени потоком газовоздушной смеси, а наличие антифламминга 8 предотвращает возможность проскока пламени в смеситель, т.е. внутрь соплового канала 11. Третий поток воздуха по центральной воздухоподводящей трубке 7 через кольцевой канал 13 поступает в камеру сгорания 2. Этот поток воздуха, проходя по оси горелки через зону горения, снижает максимальную температуру факела пламени, которая является главным фактором, определяющим образование окислов азота при горении. Кроме того, этот поток воздуха, проходя по центру через зону горения, формирует ее по типу авиационной кольцевой камеры сгорания, которые, как известно, выбрасывают меньше окиси углерода CO по сравнению с трубчатыми камерами сгорания (Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. М. Мир, 1986, 566 с.)
Соотношение расходов воздуха, подаваемых в кольцевой канал 10, в зону горения по кольцевому каналу 11 и по центральной воздухоподводящей трубке 7, определяется соотношением оптимальных коэффициентов избытка воздуха в смесителе, факеле пламени, на выходе факела по потребной мощности горелки.

Расход воздуха, идущий на горение через сопловой насадок 4, регулируется шайбой 12 и устанавливается по местному коэффициенту избытка воздуха в пределах α 1,05 1,15. При этих значениях коэффициента избытка воздуха содержание CO в продуктах горения минимально. Кроме того, подвод вторичного воздуха по всем частям факела (по центру через воздухоподводящую трубку 7 и в конец факела по кольцевому зазору 10) способствует более полному догоранию окиси углерода (Левин А.М. Принципы рационального сжигания газа. -Л. Недра, 1977, 247 с.).

Вместе с этим воздух, проходя по кольцевому каналу 10, охлаждает стенки камеры сгорания 2, предохраняя ее от перегрева.

Выход несгоревших углеводородов HC определяют те же факторы, что и выход CO, поэтому все мероприятия направленные на уменьшение выхода CO, одновременно решают задачу снижения выхода HC.

Разделение воздуха, поступающего в горелку, на три потока в таком соотношении, что на горение идет та его часть (по местному коэффициенту избытка воздуха), при которой CO и HC минимален, образование однородной газовоздушной смеси путем подачи газа через систему хордальных отверстий 6, выполненных под с острым углом к оси горелки, в зону максимальных скоростей воздушного потока, формирование кольцевой зоны горения путем подачи части воздуха в центр факела пламени через центральную трубку 7, снижая максимальную температуру его, и подвод вторичного воздуха в конец факела пламени по кольцевому каналу 10, снижают выбросы вредных веществ CO и HC и NO_x и сажи, благодаря чему повышается качество сжигания топлива. Снижение скорости потока газовоздушной смеси в смесительной части кольцевого канала 11, поступающей в камеру сгорания 2, установка антифламминга 8 на выходе из канала 11 и наличие стабилизатора пламени в виде торцевого уступа центральной воздухоподводящей трубки 7 исключают возможность срыва и проскока пламени, что повышает надежность работы горелки.

Использование: в области энергетики, в различных технологических устройствах, в частности, в теплообменных аппаратах с заданной тепловой мощностью. Сущность изобретения: камера сгорания 2 с сопловым насадком 4, установленным перед ней, введена с кольцевым зазором 10 в воздухоподводящий патрубок 1, канал 11 соплового насадка 4 выполнен кольцевым с суживающейся входной, цилиндрической центральной и расширяющейся выходной частями, по оси соплового насадка 4 установлена центральная воздухоподводящая трубка 7, а запальник 9 расположен внутри трубки 7 по ее оси с образованием кольцевого канала 13 подвода воздуха, система отверстий 6 топливного коллектора 5 выполнена в центральной цилиндрической части соплового канала 11, кроме того на выходе расширяющейся части соплового канала 11 с заглублением внутри него установлена сетка-антифламминг. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Газовая горелка, содержащая камеру сгорания, газоподающую трубку с сопловым насадком, имеющим топливный коллектор и систему отверстий, воздухоподающий патрубок и запальник, отличающаяся тем, что камера сгорания с сопловым насадком, установленным перед ней, введена с кольцевым зазором в воздухоподающий патрубок, канал соплового насадка выполнен кольцевым с суживающейся входной, цилиндрической центральной и расширяющейся выходной частями, по оси соплового насадка установлена центральная воздухоподающая трубка, а запальник расположен внутри трубки по ее оси с образованием кольцевого канала подвода воздуха, система отверстий топливного коллектора выполнена в центральной цилиндрической части соплового канала с заглублением внутрь него установлена сетка-антифламминг. 2. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что отверстия в центральной части соплового канала выполнены хордальными и под острым углом к оси горелки. 3. Горелка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что входная суживающаяся часть соплового канала выполнена с возможностью регулирования его проходного сечения.