СПОСОБ СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F23D14/20 

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к способам и устройствам для сжигания природного газа с принудительной подачей воздуха без предварительного смешения, и может быть использовано в системах отопления высокотемпературных нагревательных и термических печей.

Известен способ сжигания газообразного топлива [1], в котором, с целью интенсификации процессов смешения на переменных режимах, струи топлива перемещают поперек воздушного потока. Недостатком известного способа является то, что перемешивание осуществляется в локальном объеме, так как струи топлива перемещаются поперек воздушного потока на незначительную величину. В этом случае для получения однородной смеси с заданными характеристиками необходимо строго учитывать форму и размер струи, относительный расход и плотность, что не позволяет обеспечить работу данной горелки в широком диапазоне тепловой мощности.

Наиболее близким аналогом по назначению и технической сущности является способ сжигания топлива, осуществляемый в скоростной горелке Государственного газового концерна "Газпром" [2]. Этот способ сжигания газообразного топлива осуществляется путем раздельной подачи в горелку газа и воздуха и последовательного смесеобразования в центральном канале.

Хотя топливные и воздушные потоки, реализованные в данном способе, обеспечивают оптимальные условия горения газовоздушной смеси при различных соотношениях регулирования тепловой мощности, известный способ не позволяет регулировать работу горелки в более широких диапазонах, что является необходимым условием для ведения теплотехнических режимов в термических печах, а именно: регулирование теплового режима в интервале низких температур, начиная от 100^oC до заданной температуры по технологии.

Целью изобретения является улучшение процесса перемешивания газовоздушной смеси, стабилизация струи смеси, расширение диапазона регулирования тепловой мощности горелки и коэффициента избытка воздуха, снижение энергозатрат и металлоемкости.

Указанная цель достигается тем, что в способе сжигания топлива путем раздельной подачи газа и воздуха и последующего смесеобразования в центральном канале, согласно изобретению, газовоздушную смесь в камере сгорания подвергают принудительному перемешиванию, воздействуя на нее ребрами, направленными внутрь камеры сгорания, при вращении последней под действием струи воздуха на ее наружные ребра.

Известна горелка скоростная газовая (СВП) Государственного газового концерна "Газпром" [3]. Горелка содержит корпус с патрубком для подачи воздуха в камеру сгорания, расположенную внутри корпуса и соединенную с газораспределительным соплом. В известной горелке имеется эффективное охлаждение камеры сгорания, за счет двухходового контура охлаждения, а также достигается экономия топлива, за счет использования подогретого воздуха. Однако недостатком горелки является то, что невозможно обеспечить регулируемую работу горелки в интервале низких температур.

Наиболее близкой по назначению и технической сущности является скоростная горелка с переменным избытком воздуха (ПИВС) Государственного газового концерна "Газпром" [2]. Горелка содержит узел смесеобразования, воздухоохлаждаемую камеру сгорания, коаксиально расположенную в корпусе. Замкнутая система охлаждения известной горелки повышает надежность ее работы и уменьшает тепловые потери. Однако она имеет те же недостатки, что и аналог, а именно не позволяет производить тщательное перемешивание струи смеси и регулировать в широких диапазонах тепловую мощность и коэффициент избытка воздуха, например, соответственно, 1:10 и 1:7.

Целью изобретения является улучшение процесса перемешивания и однородности смеси, стабилизации струи смеси и расширение диапазона регулирования тепловой мощности горелки.

Указанная цель достигается тем, что в газовой горелке, содержащей узел смесеобразования, воздухоохлаждающую камеру сгорания, коаксиально расположенную в корпусе, согласно изобретению, камера сгорания содержит щели с ребрами, повторяющими конфигурацию щелей и выступающими над поверхностью камеры сгорания с наружной и внутренней сторон, при этом камера сгорания установлена с возможностью вращения, а щели сориентированы по спирали.

Существенную проблему улучшения перемешивания газовой смеси и повышения качества сжигания топлива решают различными путями. Например, в изобретении, патент N 2016353, класс F 23 D 14/20 (4) - за счет сложных конструкторских усовершенствований стабилизаторов, в которых выполнены осевые каналы в виде входных конфузорных и выходных диффузорных участков, а в изобретении, патент N 2013697, класс F 23 D 14/20 - корпус выполнен в виде змеевика.

Существенным отличием предлагаемых способа и газовой горелки является то, что улучшение смесеобразования и качества смеси происходит во всем объеме камеры сгорания при сравнительной простоте конструкции. Воздух, поступающий в корпус, воздействует на наружные ребра камеры сгорания, которая начинает вращаться, при этом воздух, поступающий через щели камеры сгорания, тщательно перемешивается с газом путем воздействия на них внутренних ребер камеры сгорания при вращении ее. Стабильность образования высококачественной газовоздушной смеси позволяет расширить диапазон регулирования тепловой мощности горелки, а также получить более высокие технико-экономические характеристики горелки при более низком давлении воздуха и меньших ее габаритах. Это снижает энергозатраты по сравнению с высокоскоростными горелками.

Из патентной документации известны технические решения с применением вращающейся обечайки в горелках. Например, в турбинной горелке, авт. свид. N 1467321, кл. F 23 D 14/24, бюллетень N 1-89 (5), обечайка с лопатками вентилятора на наружной боковой поверхности и лопатками турбины установлены в корпусе с возможностью вращения.

Действительно, в известной горелке на наружной и внутренней поверхностях камеры сгорания имеются лопатки, однако, в отличие от предлагаемой горелки, внутренние лопатки выполняют функцию турбины, т.е. под действием кинетической энергии горячих газов вращают обечайку и в том числе наружные лопатки, которые выполняют роль вентилятора, т.е. подают воздух в корпус 4. Таким образом, сами внутренние лопатки и улучшают смесеобразование только обечайки, т.е. в зоне розжига. Но согласно описанию в момент розжига они неподвижны.

Следует отметить, что согласно описанию работоспособность предлагаемой конструкции вызывает сомнение, т.к. без первоначальной подачи воздуха в камеру сгорания, без предварительного раскручивания обечайки от отдельного вентилятора или двигателя, розжиг невозможен. Кроме того известная горелка функционально другого назначения: она не может обеспечить теплотехнические режимы, изменяемые в широком диапазоне и применяемые в термических печах.

В предлагаемой горелке внутренние ребра способствуют дополнительному перемешиванию газовой смеси во всем объеме камеры сгорания за счет расположения ребер около щелей и сориентированных по спирали. Все это позволяет обеспечить высокую скорость истечения продуктов сгорания и регулирования в широких диапазонах характеристик тепловой мощности и коэффициента избытка воздуха, а также локализацию зоны горения.

Вышеприведенные доводы доказывают существенное отличие предлагаемой газовой горелки.

Известно также применение в газовых горелках продольных щелей в совокупности с другими признаками для повышения качества сжигания топлива. Например, в газовой горелке, авт. свид. N 1467319, кл. F 23 D 14/20, бюллетень N 1-89, (6) "газовыпускные отверстия... выполнены в форме продольных щелей, сужающихся по ходу потока газа", и предназначены для изменения скорости истечения газа из газовыводящей трубы в камеру сгорания.

В предлагаемой горелке щели с ребрами расположены на обечайке и способствуют перемешиванию газовоздушной смеси во всем объеме камеры сгорания при вращении обечайки.

Из вышеизложенного следует, что предлагаемая газовая горелка и способ сжигания топлива существенно отличаются от известных и соответствуют изобретательскому уровню.

На чертеже изображена газовая горелка в разрезе. Горелка содержит узел смесеобразования 1, корпус 2, камеру сгорания 3, коаксиально расположенную в корпусе 2, сопло 4. Узел смесеобразования 1 состоит из газовой камеры 5, соединенной с камерой сгорания 3 посредством отверстий 6 газового сопла 7, центральный канал 8 которого с одной стороны соединен с камерой сгорания 3, а с другой - с воздушной камерой 9, и имеет отверстия 10, соединяющие его с газовой камерой 5. Камера сгорания 3 установлена в подшипниковых узлах 11 с возможностью вращения и имеет отверстия 12 и щели 13 с ребрами 14, 15. Корпус снабжен трубой 16 для подачи воздуха. Газовая горелка имеет смотровое окно 17.

Скоростная газовая горелка работает следующим образом, реализуя вышеописанный способ сжигания газообразного топлива. Воздух подают в камеру сгорания 3 через воздушную камеру 9, центральный канал 8 и одновременно через трубу 16. Включают запальное устройство (не показано). Затем подают природный газ в газовую камеру 5 и далее через отверстия 10 в центральный канал 8, где он смешивается с воздухом, идущим из воздушной камеры 9. Образовавшаяся газовоздушная смесь на выходе из центрального канала 8 в зоне электрической дуги воспламеняется, образуя стабильный факел. При этом воздух, поступающий в корпус 2 через трубу 16, воздействует на ребра 14, и камера сгорания 3 начинает вращаться в подшипниковых узлах 11.

При воспламенении запальной смеси происходит мгновенный розжиг основной газовоздушной смеси, образованной при смешении газа, поступающего через отверстия 6 газового сопла 7, и воздуха, поступающего в отверстия 12 и щели 13 камеры сгорания 3. При вращении обечайки газовоздушная смесь подвергается дополнительному перемешиванию внутренними ребрами 15 и получается более однородная, что способствует полному сгорания. При увеличении расхода воздуха скорость вращения камеры сгорания увеличивается. Для расширения диапазона регулирования камера сгорания 3 может вращаться от автономного двигателя. Предлагаемый способ позволяет расширить диапазон регулирования: тепловой мощности 1: 10, коэффициента избытка воздуха до 1:7 - при более низком давлении воздуха перед горелкой, что в свою очередь приводит к экономии электроэнергии, снижению металлоемкости горелки.

Источники информации
1. Патент РФ N 2628547, F 23 C 11/00, бюлл. 4, 1995.

2. Скоростная горелка с переменным избытком воздуха (ПИВС). Газпром. Рекламный проспект Информэлектро от 22.03.90 - прототип
3. Скоростная горелка (СВП). Газпром. Рекламный проспект Информэлектро от 22.03.90.

4. Патент РФ N 2016353, F 23 D 14/20, 1994.

5. Авторское свидетельство N 1467321, F 23 D 14/24, бюлл. 1, 1989.

Использование: в системах отопления высокотемпературных нагревательных и термических печей. Сущность изобретения: способ сжигания топлива путем раздельной подачи газа и воздуха и последующего смесеобразования в центральном канале включает дополнительное перемешивание газовоздушной смеси в камере сгорания при вращении последней. Газовая горелка содержит узел смесеобразования 1, корпус 2, камеру сгорания 3, расположенную в корпусе 2, сопло 4, смотровое окно 17. Узел смесеобразования 1 состоит из газовой камеры 5, газового сопла 7 с отверстиями 6. Центральный канал 8 газового сопла 7 соединен с одной стороны с камерой сгорания 3, а другой - воздушной камерой 9 и имеет отверстия 10, соединяющие его с газовой камерой 5. Камера сгорания 3 установлена в подшипниковых узлах 11 с возможностью вращения и имеет отверстия 12 и щели 13 с ребрами 14 и 15, которые сориентированы по спирали. Для расширения диапазона регулирования камера сгорания 3 может вращаться от автономного двигателя. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ сжигания топлива путем раздельной подачи газа и воздуха, смесеобразования в центральном канале, отличающийся тем, что газовую смесь в камере сгорания подвергают принудительному перемешиванию, воздействуя на нее ребрами камеры сгорания при вращении последней. 2. Горелка, содержащая узел смесеобразования, воздухоохлаждаемую камеру сгорания, коаксиально расположенную в корпусе, отличающаяся тем, что камера сгорания содержит щели с ребрами, выступающими над поверхностью камеры сгорания с наружной и внутренней сторон, при этом камера сгорания установлена с возможностью вращения. 3. Горелка по п.2, отличающаяся тем, что щели сориентированы по спирали. 4. Горелка по п.2, отличающаяся тем, что камера сгорания вращается от автономного двигателя.