РАДИАЦИОННАЯ ГАЗОВАЯ ГОРЕЛКА Российский патент 2004 года по МПК F23D14/12 

Изобретение относится к области техники для сжигания газообразного топлива, а именно к радиационным газовым нагревателям, в частности, к радиационным газовым горелкам, применяемым в технике и в быту.

Газовые горелки инфракрасного излучения позволяют теплообмен конвекцией заменить более экономичным лучистым или конвективно-лучистым. За счет эффективного радиационного охлаждения температура в зоне горения снижается, что приводит к значительному уменьшению содержания окислов азота в продуктах сгорания. Усовершенствования в данной области техники, в основном, направлены на дальнейшее уменьшение содержания окислов азота в продуктах сгорания.

В качестве излучающих элементов в радиационных газовых нагревателях используются либо керамические матрицы, либо наборы металлических сеток.

Известна радиационная газовая горелка с излучающем элементом в виде двухслойной керамической матрицы. Первый слой по ходу движения газовоздушной смеси, толщина которого 0,25 см, имеет пористую структуру с диаметром пор 0,01-2,5 мм. Толщина второго слоя 1,25 см, диаметр пор 1,25-10 мм [1].

К недостаткам такой горелки относятся большое гидравлическое сопротивление и хрупкость керамической матрицы.

Известна промышленная горелка инфракрасного излучения с низким содержанием СО и NO_х в продуктах сгорания. Горелка состоит из корпуса, рефлектора инфракрасного излучения, инжектора с соплом и смесителем, отражателя с полкой, излучающей керамической насадки и сетки. Размещение отражателя на определенном расстоянии от выхода инжектора позволяет организовать равномерное горение по всей поверхности горелки и снизить содержание окиси углерода и окислов азота в продуктах сгорания [2].

Недостатком горелки является наличие керамической насадки, которая плохо выдерживает термические и механические удары и малопригодна для использования в горелках для бытовых газовых плит. Кроме того, горелки с керамической насадкой имеют малый диапазон регулирования по мощности.

Известна также промышленная излучающая горелка для работы в тепловых агрегатах с использованием природного и сжиженного газа среднего давления. Горелка состоит из корпуса, соплового узла, инжектора, рассекателя, излучающего насадка и сетки-экрана. Излучающий насадок представляет собой блок из 32 перфорированных керамических плиток с диаметром огневых каналов 0,85 мм [3].

Недостатком горелки, как и у всех горелок с керамическим излучающим элементом, является недостаточная стойкость к механическим и тепловым ударам.

Использование вместо керамических излучателей металлических сеток нашло применение в излучающей горелке для водогрейных котлов. Горелка состоит из плоского держателя с подводящим газовым трактом. На держателе закреплен излучающий элемент, который представляет собой металлическую сетку полусферической формы и по крайней мере одну перфорированную газораспределительную поверхность также в форме полусферы. Горение газовоздушной смеси происходит над поверхностью сетки. Для того, чтобы сгорание газа над поверхностью металлической сетки происходило достаточно полно, необходимо наличие объекта, возвращающего часть излучения сетки обратно. Таким элементом в рассматриваемой горелке служит окружающая ее поверхность топки котла, что ограничивает ее применение в других устройствах [4].

Наиболее близким аналогом данного изобретения является радиационная газовая горелка, включающая в себя корпус, который соединяется с системой смешивания и подачи газовоздушной смеси. В корпусе закреплен излучатель, состоящий из огнеупорной сетки и отражательного экрана из металлической проволоки. Горение происходит между огнеупорной сеткой и отражательным экраном. Для равномерного распределения потока газовоздушной смеси в корпусе размещены пластины рассекателя [5].

Задачей изобретения является улучшение качества сжигания газовой смеси, т.е. уменьшение содержания окислов азота и окиси углерода в продуктах сгорания и увеличение к.п.д. горелки.

Поставленная задача достигается тем, что в радиационной газовой горелке, содержащей корпус, соединенный с системой смешивания и подачи газовоздушной смеси, рассекатель потока и установленный в корпусе металлосетчатый излучатель, состоящий из нижней и верхней по ходу движения газовоздушной смеси сеток с различным размером ячеек, сетки излучателя установлены в корпусе таким образом, что образуют внутреннюю полость в виде линзы толщиной не менее 8-10 характерных размеров ячеек нижней сетки, причем нижняя сетка имеет размер ячеек меньше, чем верхняя, и обращена выпуклостью навстречу потоку газовоздушной смеси.

В одном варианте верхняя и нижняя сетки излучателя образуют двояковыпуклую линзу.

В другом варианте верхняя и нижняя сетки излучателя образуют выпукло-вогнутую линзу.

В одном из вариантов корпус горелки состоит из одной, двух или большего количества частей с раздельной подачей газовоздушной смеси в каждую из них.

В предпочтительном варианте подача газа в отдельные части корпуса осуществляется из общего устройства для подачи газа.

При расположении сеток таким образом, что область горения представляет собой двояковыпуклую линзу, часть инфракрасного излучения от нижней и верхней сеток фокусируется на межсеточной области горения, интенсифицируя процесс горения. При этом качество сжигания газа увеличивается и содержание окиси углерода в продуктах горения уменьшается. Если сетки расположены таким образом, что область горения образует выпукло-вогнутую линзу, причем обе сетки расположены выпуклой стороной навстречу потоку газовоздушной смеси, то происходит деформация эпюры облучения в сторону возрастания направленности. При этом увеличивается эффективность лучистого теплообмена горелки с объектом нагрева и повышается к.п.д. горелки.

Краткое описание чертежей.

На фиг.1 представлено поперечное сечение газовой горелки, когда сетки образуют выпукло-вогнутую линзу.

На фиг.2 представлено поперечное сечение газовой горелки, когда сетки образуют двояковыпуклую линзу.

На фиг.3 представлено поперечное сечение газовой горелки, корпус которой состоит из двух частей, а сетки излучателя образуют двояковыпуклую линзу.

Горелка (фиг.1, 2, 3) по изобретению состоит из корпуса 1, состоящего или из одной (фиг.1, 2) или из нескольких (на фиг.3 показаны две) частей. В последнем варианте корпус 1 имеет центральную 2 и периферийную 3 части (фиг.3). Соответственно количеству частей корпуса 1 горелка имеет одну (фиг.1, 2) или две (фиг.3) системы 4 смешивания и подачи газовоздушной смеси, состоящей из газового сопла 5 и смесителя 6. Одно или несколько сопел 5 соединены соответственно с одноканальным или многоканальным (фиг.3) газовым краном 7, открывающим подачу газа в одну, одновременно или поочередно в несколько частей корпуса 1 горелки. Кроме того, горелка включает в себя рассекатель потока 8 и металлосетчатый излучатель 9, состоящий из нижней сетки 10 и верхней сетки 11.

Горелка работает следующим образом. Все элементы горелки крепятся на корпусе 1. Газ, выходя с большой скоростью из сопла 5, инжектирует необходимое для горения количество воздуха и через смеситель 6 вместе с воздухом направляется в подсеточное пространство. Для обеспечения равномерного распределения газовоздушной смеси по всей площади горелки установлен рассекатель потока 8.

Горение газовой смеси происходит в металлосетчатом излучателе 9 между сетками 10 и 11. Значительная часть тепла при сгорании передается нижней сетке 10, которая, нагреваясь, становится источником инфракрасного излучения. Верхняя сетка 11, во-первых, возвращая часть излучения в межсеточную область, интенсифицирует процесс горения и, во-вторых, нагреваясь продуктами сгорания и излучением от нижней сетки 10, сама становится источником инфракрасного излучения.

Размеры ячеек сеток должны быть такими, чтобы удовлетворять нескольким противоречивым требованиям. С одной стороны, они должны быть достаточно велики, чтобы обеспечивалось низкое гидродинамическое сопротивление, необходимое для нормальной работы инжектора, а с другой стороны, величина ячеек в нижней сетке должна быть меньше критической, при которой происходит проскок пламени. Для верхней сетки суммарная площадь проходного сечения должна быть достаточно велика, чтобы обеспечить низкое гидродинамическое сопротивление, и в то же время она должна возвращать достаточную часть излучения от нижней сетки для поддержания горения в пространстве между сетками.

Было установлено, что нижняя по ходу газовоздушной смеси сетка должна иметь характерный размер ячеек не более 0,8 мм, а верхняя не менее 1,5 мм.

Расстояние между сетками должно быть не менее 8-10 размеров ячеек нижней сетки и зависит от соотношения скорости горения и скорости течения газовоздушной смеси.

В предпочтительном варианте изобретения был использован металлосетчатый излучатель с квадратными ячейками размером 0,5х0,5 мм для нижней сетки и 3х3 мм для верхней сетки. Были проведены сравнительные эксперименты для обычной газопламенной горелки (№1) и для горелок с различной геометрией металлосетчатого излучателя: с плоскими параллельными сетками (№2), с сетками, образующими двояковыпуклую линзу (№3), и с сетками, образующими выпукло-вогнутую линзу (№4). Все горелки были взяты одинаковой мощности 1,8 кВт. Измерялось время нагрева 2 кг воды до 90°С и определялся состав продуктов сгорания. Контролировался мгновенный расход газа, суммарный расход газа за время эксперимента, для воды использовалась одна и та же емкость. Состав продуктов сгорания определялся газоанализатором TESTO-350. В таблице 1 приведены результаты сравнительных экспериментов.

Таким образом, из приведенных в таблице 1 данных видно, что для горелки, в которой область горения представляет собой двояковыпуклую линзу, содержание окиси углерода в продуктах сгорания составляет 1-2 млн^-1 или в 10 раз меньше, чем для плоской горелки. Расход газа, который определяет к.п.д. горелки, при нагреве одинакового количества воды в горелке, в которой область горения представляет собой выпукло-вогнутую линзу, на 12% (32,1 л по сравнению с 36,5 л) меньше, чем в горелке с плоскими сетками.

При использовании настоящего изобретения улучшается качество сжигания газовой смеси, уменьшается содержание окислов азота и окиси углерода в продуктах сгорания и увеличивается к.п.д. горелки.

Источники информации

1. Патент США №4889481, 26.12.89.

2. Патент RU №2084762, 20.07.97.

3. А.К. Родин. Газовое лучистое отопление. Л.: Недра, 1987.

4. Патент США №5474443, 12.12. 1995.

5. Патент США №4437833 от 20.03.84.

Изобретение относится к области техники для сжигания газообразного топлива, а именно к радиационным газовым нагревателям, в частности к радиационным газовым горелкам, применяемым в технике и в быту. Радиационная газовая горелка содержит корпус, соединенный с системой смешивания и подачи газовоздушной смеси, рассекатель потока и металлосетчатый излучатель, установленный в корпусе. Излучатель состоит из нижней и верхней по ходу движения газовоздушной смеси сеток с различным размером ячеек. Сетки излучателя образуют внутреннюю полость в виде двояковыпуклой либо выпукло-вогнутой линзы. Нижняя сетка имеет размер ячеек меньше, чем верхняя, и обращена выпуклостью навстречу потоку газовоздушной смеси. При использовании настоящего изобретения улучшается качество сжигания газовой смеси, уменьшается содержание окислов азота и окиси углерода в продуктах сгорания и увеличивается к.п.д. горелки. 4 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Радиационная газовая горелка, содержащая корпус, соединенный с системой смешивания и подачи газовоздушной смеси, рассекатель потока, установленный в корпусе металлосетчатый излучатель, состоящий из нижней и верхней по ходу движения газовоздушной смеси сеток с различным размером ячеек, отличающаяся тем, что сетки излучателя установлены в корпусе таким образом, что образуют внутреннюю полость в виде линзы толщиной не менее 8-10 характерных размеров ячеек нижней сетки, причем нижняя сетка имеет размер ячеек меньше, чем верхняя, и обращена выпуклостью навстречу потоку газовоздушной смеси.2. Радиационная газовая горелка по п.1, отличающаяся тем, что верхняя и нижняя сетки излучателя образуют двояковыпуклую линзу.3. Радиационная газовая горелка по п.1, отличающаяся тем, что верхняя и нижняя сетки излучателя образуют выпукло-вогнутую линзу.4. Радиационная газовая горелка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что корпус горелки состоит из одной, двух или большего количества частей с раздельной подачей газовоздушной смеси в каждую из них.5. Радиационная газовая горелка по п.4, отличающаяся тем, что подача газа в отдельные части корпуса осуществляется из общего устройства для подачи газа.