ТОПОЧНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2000 года по МПК F23C3/00 F23D14/02 

Изобретение относится к области энергетики, в частности к топочным устройствам, служащим для нагрева и сушки материалов.

Известно топочное устройство, оборудованное инжекционной газовой горелкой, имеющей газовое сопло, смеситель, насадок и горелочный камень и установленной на стенке топочной камеры (см. Исламов М.Ш. Проектирование топок специального назначения. Энергоиздат, 1982, с. 133 - 136, рис. 4 - 16, 4 - 17).

Недостатком указанного топочного устройства с инжекционной горелкой является низкий диапазон регулирования тепловой мощности (менее 1 - 3), чувствительность к колебаниям давления в топочной камере (не более ± 2 мм вод. ст. ), нежесткий факел и недостаточная интенсивность теплообмена в топочной камере, большие габариты горелки, расположенной снаружи топочной камеры (см. Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива. Недра, 1980, с. 138 - 140).

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, - улучшение тепловой работы топочного устройства: увеличение пределов регулирования тепловой мощности и интенсивности теплообмена, уменьшение чувствительности к колебаниям давления в камере, а также уменьшение габаритов горелки, расположенной вне топочной камеры. Это достигается тем, что инжекционная горелка выполнена заключенной в герметичный металлический кожух с крышкой и дном с расположением крышки до газового сопла, а дна - после смесителя, причем внутри кожуха выполнены трубки, коаксиально охватывающие горелку, входные отверстия указанных трубок выходят за крышку в атмосферу, а входные отверстия трубок размещены у дна кожуха с зазором.

Обычная инжекционная горелка на стыке газового сопла и смесителя сообщается с атмосферой, из-за чего при вертикальной ее установке возникает вертикальный ток газов, обусловленный геометрическим напором горячих продуктов сгорания. Указанный геометрический напор достигает величин до 2 мм вод. ст. при габарите горелки 2,5 м, из-за чего инжекционные горелки не могут эксплуатироваться в вертикальном положении.

Устройство герметичного кожуха с трубками, заключающего внутри себя горелку, запирает продукты сгорания в лабиринте, так как для того, чтобы попасть в атмосферу, частице объема продуктов сгорания надо сначала подняться вверх по трубе смесителя, затем опуститься вниз по зазору между герметичным металлическим кожухом и горелкой, а затем подняться по воздушной трубе вверх. Суммарный геометрический набор указанной системы ничтожен, поэтому потока продуктов сгорания через лабиринт горелки в заявленном устройстве не наблюдается даже при колебаниях давления в топочной камере ± 5 мм вод. ст.

Указанные конструктивные особенности горелки топочного устройства позволяют повысить диапазон регулирования ее тепловой мощности до величины 1 - 5 раз, так как лабиринт горелки препятствует срыву факела за счет инерционности трассы.

На стабилизацию факела горелки влияет величина сечения воздушных трубок, через которые инжектируется воздух из атмосферы. При значении суммарного сечения трубок в диапазоне 1 - 2 сечения смесителя обеспечивается подвод воздуха в количестве 1,02 - 1,05 от теоретически необходимого и обеспечивается устойчивое горение газовой смеси (неустойчивое горение начинает наблюдаться при значении количества воздуха в смеси топлива 1,1 от теоретически необходимого). Аналогично, зазор между трубками и дном не должен быть меньше диаметра трубок, а зазор в диапазоне 1-2 диаметра трубок обеспечивает нормальное прохождение воздуха в смеситель инжекционной горелки. Уменьшение габаритов инжекционной горелки, располагаемой вне топочного устройства, достигается при размещении горелки внутри топочного устройства, частично или полностью, включая газовое сопло и смеситель.

При указанном размещении удается приблизить факел горелки к нагреваемому материалу и тем самым увеличить интенсивность теплообмена.

При размещении горелки внутри топочной камеры воздух, проходя по воздушным трубкам горелки, нагревается, газовоздушная смесь оказывается также нагретой, что увеличивает теоретическую температуру горения, интенсивность теплообмена и стабильность горения факела.

Для производства, когда требуется размещать горелку каждый цикл в топочной камере, горелка выполняется с возможностью перемещения внутрь камеры (например, при нагреве и сушке ковшей).

На фиг. 1 схематично изображено топочное устройство, включающее топочную камеру и инжекционную газовую горелку, вертикальный разрез.

В топочной камере 1 установлена инжекционная горелка 2, имеющая газовое сопло 3, смеситель 4, насадок 5 и горелочный камень 6. Инжекционная горелка 2 заключена в герметичный металлический кожух 7, который имеет крышку 8 и дно 9. Соосно горелке 2 в кожухе 7 выполнены воздушные трубки 10, коаксиально охватывающие горелку 2. Воздушные трубки 10 имеют входные отверстия 11 для воздуха из атмосферы и выходные отверстия 12, расположенные у дна 9 кожуха 7, с расстоянием до дна 9, обозначенным на чертеже символом t. Диаметр воздушных трубок обозначен на чертеже символом d. Указанная горелка 13 размещена в топочной камере 1 на расстоянии, обозначенном на чертеже символом l от стенки 14 топочной камеры. Топочная камера 1 имеет отвод 15 для отходящих газов и окно 16 для подсоса воздуха. На полу 17 камеры 1 показано нагреваемое рабочее тело 18.

Топочное устройство работает следующим образом. Через сопло 3 инжекционной горелки 2 подают газ, который истекает в смеситель 4 горелки 2 с высокой скоростью.

При истечении газа на входе в смеситель 4 и в герметичном металлическом кожухе 7 создается напряжение, благодаря чему воздух засасывается из атмосферы через входные отверстия 11 воздушных трубок 10 в полость кожуха 7. В смесителе 4 газ и воздух перемешиваются, и далее смесь поступает через насадок 5 в горелочный камень 6, где смесь поджигается, образуя устойчивый факел, направленный на рабочее тело 18.

Благодаря тому что трасса забора воздуха из атмосферы представляет из себя лабиринт со знакопеременным направлением скорости просасываемого воздуха, горелка устойчиво работает при колебаниях давления в топочной камере ± 5 мм вод. ст.

Сечения элементов лабиринта при этом должны быть выполнены определенным образом, а именно суммарное сечение воздушных трубок 10 должно быть не менее сечения узкой части смесителя 4, но не более 2-кратного значения указанной величины. Расстояние трубок до днища 9 кожуха 7, обозначенное на чертеже символом t, должно быть не менее диаметра трубок, но и не более 2d. Меньшие значения указанных пределов не следует принимать из-за ухудшения поступления воздуха для образования газовоздушной смеси, большие значения также нецелесообразны из-за уменьшения стабилизирующего воздействия лабиринта. При прохождении воздуха через герметичный металлический кожух 7, воздух подогревается теплопередачей из топочной камеры 1 до температуры 100 - 300^oC, благодаря чему стабилизация горения газовоздушной смеси улучшается, так же как и интенсивность излучения от факела, так как теоретическая температура горения при этом возрастает. Стабилизация работы горелки 13 позволяет повысить диапазон регулирования тепловой мощности топочного устройства до 1 - 5.

При работе топочного устройства в нем поддерживают баланс воздуха, необходимого для рациональной организации горения, при количестве воздуха 1,1 - 1,15 от теоретического необходимого, посредством поступления недостающего воздуха через окно 16 в топочной камере. Горелка 13 может быть вдвинута в топочную камеру 1, на расстояние l от стенки камеры 14. Это позволяет интенсифицировать нагрев рабочего тела 18, посредством направления факела непосредственно на него.

Для производства, когда требуется каждый цикл размещать горелку 13 в топочной камере 1 (например, в ковше), горелка выполняется с возможностью перемещения вглубь топочной камеры.

Один из вариантов применения заявленного топочного устройства, не исключающий другие варианты, показан на фиг. 2.

Футерованная топочная камера 1 топочного устройства обозначена чугуновозным ковшом 19 и крышкой 20, в которой смонтирована горелка 13. Чугуновозный ковш 19 после сушки и нагрева футеровки 21 периодически транспортируется железнодорожным транспортом для заливки чугуна; поэтому горелка 13 и крышка 20 также периодически перемещаются вверх для возможности транспорта ковша; в период сушки и нагрева горелку 13 погружают в ковш 19.

Установлено, что оптимальное приближение горелочного камня 6 горелки 13 к футеровке 21 ковша 19, обозначенное символом h, находится в интервале, равном 5 - 10 диаметров тоннеля горелочного камня 6, обозначенного на фиг. 2 символом D_m.

При значении общего сечения воздушных трубок 10 в интервале 1 - 2 узкого сечения смесителя 4 и расстоянии выходных отверстий 12 воздушных трубок 10 до дна 9, равном 1 - 2 диаметра указанных трубок, горелка разжигается и работает устойчиво, без пульсации горения в пространстве ковша, в диапазоне расходов газа, равном 1 - 3.

Сравнительные показатели заявленного топочного устройства и прототипа сведены в таблицу.

Изобретение относится к области энергетики, в частности к топочным устройствам, служащим для нагрева и сушки материалов, и обеспечивает расширение диапазона регулирования тепловой мощности. Топочное устройство включает инжекционную горелку, имеющую газовое сопло, смеситель, насадок и горелочный камень, дополнительно снабжено металлическим герметичным кожухом, охватывающим горелку и установленным полностью или частично в топочной камере, при этом дно герметичного кожуха расположено после смесителя, а его крышка - до газового сопла горелки, внутри герметичного кожуха выполнены воздушные трубки, коаксиально охватывающие инжекционную горелку, входные отверстия трубок выходят за крышку в атмосферу, а выходные отверстия трубок размещены у дна с зазором. При этом сечение воздушных трубок должно находиться в диапазоне от 1 до 2 сечений узкой части смесителя, а зазор между трубками и дном должен быть равным диапазону от одного до двух диаметров воздушных трубок. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Топочное устройство, включающее топочную камеру, инжекционную газовую горелку, имеющую газовое сопло, смеситель, насадок и горелочный камень для получения и зажигания газовоздушной смеси, отличающееся тем, что инжекционная горелка заключена в герметичный металлический кожух с крышкой и дном, причем крышка расположена до газового сопла, а дно после смесителя, внутри кожуха выполнены воздушные трубки, коаксиально охватывающие горелку, входные отверстия трубок выходят за крышку в атмосферу, а выходные отверстия трубок размещены у дна с зазором, при этом кожух с горелкой расположен полностью или частично в камере топочного устройства. 2. Топочное устройство по п.1, отличающееся тем, что сечение воздушных трубок составляет 1 - 2 сечения узкой части смесителя, а зазор между трубками и дном кожуха составляет 1 - 2 диаметра воздушной трубки.