ГОРЕЛКА Российский патент 2015 года по МПК F23D17/00 F23D14/08 F23D14/62 

Настоящее изобретение относится к горелочным устройствам с регулируемыми параметрами факела и может быть использовано для сжигания газообразного и жидкого топлива, предварительно переведенного в газообразное состояние, в различных агрегатах.

Известна вихревая горелка ВНИИМТ Уралмаша для сжигания газов с низкой теплотой сгорания (ВИНТОВКИН А.А и др. Горелочные устройства. Конструкции технические характеристики, М.: Интермет инжиниринг, 1999, с. 141-146, рис. 5.14) - прототип. Горелка содержит корпус, лопаточный завихритель, трубопровод газообразного топлива, боковой патрубок. Работает горелка-прототип следующим образом. В корпус горелки подводится воздух через боковой патрубок, и далее этот воздух втекает в лопаточный завихритель. Приобретая в лопаточном завихрителе вихревое движение и частично поднимаясь, воздух входит в горелочную амбразуру и создает в ней вихрь с осевой зоной обратных токов. Часть воздуха через отверстия, изготовленные на концевой части трубопровода газообразного топлива, поступает в кольцевой канал, изготовленный также на концевой части вышеупомянутого трубопровода. Далее этот расход воздуха в виде струй, направленных к оси горелки, истекает в газообразное топливо в зоне циркуляции обратных токов. Газ, вытекающий из трубопровода газообразного топлива, на начальном участке своего течения интенсивно перемешивается с потоком воздуха, истекающим из лопаточного завихрителя. Воспламенение воздушно-топливной смеси происходит в амбразуре, а ее догорание - в рабочем пространстве печи. Технический анализ конструкции горелки-прототипа и ее работы показывает, что наряду с достоинствами горелка-прототип имеет и серьезные недостатки.

В горелке-прототипе практически весь расход воздуха протекает через лопаточный завихритель. В упомянутой горелке закрутка потока должна быть интенсивной, чтобы обеспечить возникновение обратного течения в осевой области горелки, необходимого для стабилизации факела. Сильная закрутка требует больших затрат электроэнергии. Более того, требование обеспечить возвратное течение, т.е. значительную закрутку, исключает возможность применения крутки в качестве газодинамического фактора, влияющего на форму факела, т.к. крутку нельзя изменять произвольно. В горелке-прототипе не решен вопрос получения экологически чистых продуктов сгорания. В ней организация процесса смешения и горения выполнена по схеме диффузионного факела, в котором, как известно, в зонах со стехиометрическим соотношением окислителя и горючего образуется предельно высокое содержание вредных окислов азота. Горелка-прототип экологически уязвима. В горелке-прототипе не предусмотрена надежная и постоянная стабилизация пламени, например на режиме дросселирования, форсирования, на переходных режимах возможно погасание пламени. Горелка-прототип имеет высокое давление газа. Это является существенным недостатком, поскольку низкокалорийные, например генераторные, газы могут транспортировать частицы - взвешенный в этих частицах смолистый аэрозоль. Эти частицы, перемещаясь по тракту газопроводов, могут в больших количествах осаждаться на лопатках вентилятора, что приводит к его дисбалансу и вибрациям.

Задачей настоящего изобретения является усовершенствование горелки.

Техническим результатом является получение экологически чистых продуктов сгорания, надежная и постоянная стабилизация пламени, широкий предел регулирования струи пламени, полное сгорание топлива, надежность конструкции горелки, уменьшение энергозатрат на горение.

Технический результат достигается тем, что горелка содержит корпус с расширяющимся участком, топливопровод с расположенным на конце жиклером, сопло, установленное над расширяющимся участком корпуса и спираль, при этом корпус состоит из трех камер: первой смесительной камеры, выполненной с по меньшей мере двумя воздухопроводными отверстиями, причем суммарная площадь сечений воздухопроводных отверстий должна быть не менее площади сечения нерасширяющегося участка корпуса; турбулентной камеры, в которой закреплена изготовленная из жаростойкого сплава спираль; второй смесительной камеры, выполненной с по меньшей мере двумя воздухопроводными отверстиями, причем сумма площадей сечений вышеуказанных воздухопроводных отверстий и площади сечения нерасширяющегося участка корпуса должна быть равна площади сечения сопла.

В корпусе установлена по меньшей мере одна теплоизоляционная шайба.

Верхняя часть спирали имеет коническую форму, сужающуюся к соплу.

Верхняя часть спирали имеет овальную форму.

Заявляемая горелка поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен продольный разрез горелки.

На фиг. 2 изображен вид сверху горелки (для наглядности изображения спираль здесь не показана).

На фиг. 3 изображена горелка, установленная на газовой плите, продольный разрез.

На фиг. 4 изображена горелка, установленная на паяльной лампе, продольный разрез.

Горелка содержит корпус 1 с расширяющимся участком, топливопровод 2 с расположенным на конце жиклером 3, сопло 6 и спираль 7. Сопло 6 установлено над расширяющимся участком корпуса 1.

В корпусе 1 установлена по меньшей мере одна теплоизоляционная шайба. Вариант установки двух теплоизоляционных шайб 8 и 9 представлен на фиг. 1. Установка теплоизоляционной шайбы служит для предохранения жиклера 3 и дна корпуса 1 горелки от перегрева, вызванного инфракрасным излучением. Однако эксплуатация горелки возможна и без установки теплоизоляционных шайб 8 и 9.

Корпус 1 горелки выполнен в форме трубы, которая может быть выполнена любого сечения, например круглого, квадратного либо прямоугольного и т.д. Т.е. корпус 1 может представлять собой трубу круглого сечения, квадратного сечения либо прямоугольного сечения. На фиг. 1 и 2 представлен вариант выполнения горелки с круглым сечением корпуса 1.

Корпус 1 состоит из трех камер: первой смесительной камеры I, турбулентной камеры II (камера создания турбулентного потока) и второй смесительной камеры III. Границы турбулентной камеры II изображены на фиг. 1 пунктирной линией.

В первой смесительной камере I выполнены по меньшей мере два воздухопроводных отверстия 4. Воздухопроводные отверстия 4 выполнены на равноудаленном расстоянии. Количество воздухопроводных отверстий 4 может быть выполнено и в большем количестве, например три, четыре и т.д., которые также будут расположены на равноудаленном расстоянии друг от друга. При этом суммарная площадь сечений воздухопроводных отверстий 4 должна быть не менее площади сечения нерасширяющегося участка корпуса 1 (в данном варианте исполнения площадь сечения корпуса представляет собой круг с диаметром d_к). Данное соотношение выбрано таким, потому что так обеспечивается необходимый проход воздуха в корпус 1 горелки (а именно, в смесительную камеру I) для обеспечения обогащения кислородом сжигаемого топлива.

В турбулентной камере II закреплена изготовленная из жаростойкого сплава спираль 7. Спираль 7 служит для аккумулирования температуры и рассечения газового потока. Спираль 7 обычно выполнена из жаростойкого сплава, например из нихрома, хромеля, фехраля и т.п. Выбор жаростойких сплавов обусловлен основными достоинствами этих сплавов, а именно: жаростойкостью в окислительной атмосфере и очень высоким электрическим сопротивлением. В варианте выполнения горелки, представленном на фиг. 1 и 2, верхняя часть спирали 7 имеет коническую форму, сужающуюся к соплу 6. Однако возможен вариант, когда верхняя часть спирали 7 имеет овальную (полукруглую) форму. Нижняя часть спирали 7 расположена в турбулентной камере II. Геометрическая форма спирали 7 также может соответствовать форме выполнения корпуса 1 (т.е. в случае с круглым корпусом используется круглая спираль, в случае с квадратным корпусом - квадратная спираль и т.д.).

Во второй смесительной камере III выполнены по меньшей мере два воздухопроводных отверстия 5. Воздухопроводные отверстия 5 выполнены на равноудаленном расстоянии. Количество воздухопроводных отверстий 5 может быть выполнено и в большем количестве, например три, четыре и т.д., которые также будут расположены на равноудаленном расстоянии друг от друга. При этом сумма площадей сечений воздухопроводных отверстий 5 и площади сечения нерасширяющегося участка корпуса 1 должна быть равна площади сечения сопла 6 (диаметр сопла 6 показан на фиг. 2 как d_с). Данное соотношение выбрано таким потому, что так обеспечивается необходимый проход воздуха в сопло 6 горелки (а именно, в смесительную камеру III) для обеспечения обогащения кислородом сжигаемого топлива.

Вышеуказанные воздухопроводные отверстия 4 служат для первичного смешивания и воспламенения смеси, а воздухопроводные отверстия 5 служат для вторичного смешивания, обеспечивая двойное смешение.

На фиг. 1 и 2 представлен вариант выполнения горелки с четырьмя воздухопроводными отверстиями 4 и восемью воздухопроводными отверстиями 5.

Горелка работает следующим образом. Природный газ или легко воспламеняющееся жидкое топливо (далее просто топливо), предварительно переведенное в газообразное состояние, поступает в смесительную камеру I корпуса 1 под давлением по топливопроводу 2. Топливо, проходя через камеру I и частично смешавшись с воздухом, за счет его попадания туда через воздухопроводные отверстия 4, попадает в турбулентную камеру II. Направленный поток молекул топлива и поступающего из отверстий 4 атмосферного воздуха преобразуется в турбулентный в результате постоянного сталкивания молекул между собой, вызванного устройством камеры II, вследствие наличия там спирали 7 и расширяющегося участка корпуса 1. В турбулентном потоке молекулы топлива постоянно перемешиваются, а определенные объемы топлива, загораясь и взаимодействуя электромагнитными полями между собой, нагреваются до высокой температуры и нагревают спираль 7, что в последующем способствует резкому повышению температуры топлива. Вместе с температурой повышается и давление, под которым раскаленное топливо, проходя через верхнюю часть спирали 7, попадает в камеру III, где смешивается с воздухом, поступающим из отверстий 5. Воздушные потоки, направленные в отверстия 4 и 5, обтекая корпус 1 горелки снаружи, охлаждают его, предохраняя от перегрева; а смешиваясь с топливом внутри корпуса 1, выходят в сопло 6, образуя при этом устойчивую реактивную струю, которая регулируется в широких параметрах топливным краном (на чертежах не показан).

В данной горелке происходит процесс предварительного смешения топлива и воздуха с последующим прогревом до высокой температуры, а также с дополнительным смешиванием с воздухом. В результате этого получается гомогенная газовоздушная смесь, образующая при двухстадийном сгорании минимальное количество оксидов азота и угарного газа.

Данная горелка может быть установлена, например, на газовой плите и на паяльной лампе. Установка горелки на газовой плите изображена на фиг. 3. Вышеуказанная горелка устанавливается на газовую плиту следующим образом. Топливопровод 2 с расположенным на конце жиклером 3 установлен в корпус плиты 10. Посредством трубки 11, установленной на жиклере 3, плита соединяется с корпусом 1 горелки. Фиксация трубки 11 происходит за счет шайб 8′, 9′. При этом данные шайбы могут представлять собой обыкновенные металлические шайбы.

Установка горелки на паяльной лампе изображена на фиг. 4. Паяльная лампа 12 устанавливается в корпус горелки 1 посредством вставляемой трубки паяльной лампы (на чертеже не изображена) в жиклер 3 горелки (на чертеже не изображен).

Воздух поступает в горелку не за счет дополнительной энергии, а за счет цикличности горения, вызывающего периодическую перемену давления и разрежения в области сгорания топлива.

Горелка проста в изготовлении, может быть изготовлена из любых марок стали. Горелка безопасна и надежна при эксплуатации. В горелке обеспечивается надежная и постоянная стабилизация пламени. Горелка обладает широкими пределами регулирования длины струи, не требует дополнительных затрат (электроэнергии, сжатого воздуха или кислорода). В результате реализации такой схемы процесса горения обеспечивается полное сгорание топлива при минимальном выделении продуктов сгорания.

Благодаря вышеописанной конструкции горелки и соотношениям суммарной площади сечений воздухопроводных отверстий первой смесительной камеры к площади сечения нерасширяющегося участка корпуса и суммы площадей сечений воздухопроводных отверстий второй смесительной камеры с площадью сечения нерасширяющегося участка корпуса к площади сечения сопла соответственно обеспечивается получение экологически чистых продуктов сгорания, надежная и постоянная стабилизация пламени, широкий предел регулирования струи пламени, полное сгорание топлива, надежность конструкции горелки и уменьшение энергозатрат на горение.

Выше описаны различные варианты выполнения горелки. Однако специалисту в этой области техники будут очевидны и другие различные модификации, вариации и эквиваленты, которые входят в объем прилагаемой формулы изобретения.

Настоящее изобретение относится к горелочным устройствам с регулируемыми параметрами факела и может быть использовано для сжигания газообразного или жидкого топлива, предварительно переведенного в газообразное состояние, в различных агрегатах. Горелка содержит корпус с расширяющимся участком, топливопровод с расположенным на конце жиклером, сопло, установленное над расширяющимся участком корпуса, и спираль. Корпус состоит из трех камер: первой смесительной камеры, турбулентной камеры и второй смесительной камеры. В первой смесительной камере выполнены по меньшей мере два воздухопроводных отверстия. Суммарная площадь сечений этих воздухопроводных отверстий должна быть не менее площади сечения корпуса. В турбулентной камере закреплена спираль. Спираль изготовлена из жаростойкого сплава. Во второй смесительной камере выполнены по меньшей мере два воздухопроводных отверстия. Сумма площадей сечений вышеуказанных воздухопроводных отверстий и площади сечения нерасширяющегося участка корпуса должна быть равна площади сечения сопла. Техническим результатом является получение экологически чистых продуктов сгорания, надежная и постоянная стабилизация пламени, широкий предел регулирования струи пламени, полное сгорание топлива, надежность конструкции горелки, уменьшение энергозатрат на горение. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Горелка, содержащая корпус с расширяющимся участком, топливопровод с расположенным на конце жиклером, сопло, установленное над расширяющимся участком корпуса, и спираль, отличающаяся тем, что корпус состоит из трех камер: первой смесительной камеры, выполненной с по меньшей мере двумя воздухопроводными отверстиями, причем суммарная площадь сечений воздухопроводных отверстий должна быть не менее площади сечения нерасширяющегося участка корпуса; турбулентной камеры, в которой закреплена изготовленная из жаростойкого сплава спираль; второй смесительной камеры, выполненной с по меньшей мере двумя воздухопроводными отверстиями, причем сумма площадей сечений вышеуказанных воздухопроводных отверстий и площади сечения нерасширяющегося участка корпуса должна быть равна площади сечения сопла.

2. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что в корпусе установлена по меньшей мере одна теплоизоляционная шайба.

3. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что верхняя часть спирали имеет коническую форму, сужающуюся к соплу.

4. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что верхняя часть спирали имеет овальную форму.