ГОРЕЛКА С ВЫСОКОЙ СТАБИЛЬНОСТЬЮ ПЛАМЕНИ ПО ПЕРИМЕТРУ Российский патент 2016 года по МПК F23D14/14 

Настоящее изобретение относится к горелке для газового котла с высокой стабильностью пламени по периметру.

Газовые котлы, соответствующие уровню техники, содержат трубу для подачи в горелку предварительно подготовленной газовоздушной смеси, горелку для выработки теплоты путем сжигания указанной смеси в камере сгорания и, возможно, опорного элемента, который может быть соединен с теплообменником и/или трубой подачи для обеспечения закрывания камеры сгорания и/или для расположения горелки относительно такой камеры сгорания.

Горелка содержит рассеиватель, через который для получения теплоты подают предварительно подготовленный горючий газ с воздухом и который определяет форму пламени. Обычно рассеиватель содержит стенку, которая снабжена несколькими отверстиями и которая содержит внутреннюю поверхность, сообщающуюся с трубой подачи, и, таким образом, контактирующую с несгоревшей смесью, и которая содержит внешнюю поверхность, на где происходит сгорание.

Перед рассеивателем (относительно направления течения смеси газ-воздух) может быть также установлено устройство распределения или рассекатель, который расположен на стороне рассеивателя, противоположной поверхности сгорания, и который обычно содержит стенку с несколькими сквозными отверстиями, выполненную таким образом, чтобы распределять горючую смесь по существу равномерным образом по направлению к стенке рассеивателя.

Как хорошо известно, теплоту, выработанную при сгорании на внешней стороне стенки рассеивателя, подают с помощью сгоревшей горючей смеси к теплообменнику с целью нагревания жидкости, например воды, которую, в свою очередь, подают пользователю, например, к системе нагревания промышленного процесса, жилым районам или подобным местам и/или воды, используемой для коммунально-бытовых нужд.

Для конкретных ситуаций при управляемом и дифференцированном нагревании важно иметь возможность изменять теплопроизводительность горелки.

Можно управлять теплопроизводительностью горелки с помощью изменения скорости течения топлива или смеси, подаваемой к рассеивателю. Тем не менее, ширина диапазона теплопроизводительности или так называемая модуляция (отношение между максимальной и минимальной производительностями) горелок, соответствующих уровню техники, ограничена. Это объясняется тем, что когда скорость течения топлива выходит за рамки оптимального диапазона, который зависит от материала, конкретной области прохода (часть между областью прохода и областью стенки) и сопротивления рассеивателя течению смеси, возникают проблемы, которые связаны с нестабильностью пламени и которые подвергают риску правильную работу горелки. В частности при увеличении теплопроизводительности область сгорания и пламя стремится оторваться от рассеивателя, что влечет серьезные последствия с точки зрения безопасности и выбросов загрязняющих веществ, таких как угарный газ (СО).

Такое явление отрыва пламени от рассеивателя особенно наблюдается в его концах.

Фактически такие концы соединены с основанием горелки, следовательно, температура рассеивателя в таких областях неизбежно ниже температуры в остальных областях.

Для решения такой проблемы используют дополнительные рассекатели, расположенные вблизи рассеивателя, или используют рассеиватели соответствующей формы, полученной при литье. Тем не менее, оба решения сложны с точки зрения изготовления и значительно влияют на затраты по изготовлению горелки.

Таким образом, задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить горелку, в которой решены упомянутые выше проблемы нестабильности пламени и, в частности, проблема, касающаяся отрыва пламени, при этом горелка проста и недорога в изготовлении.

Эта и другие задачи решаются с помощью горелки газового котла, содержащей рассеиватель, предназначенный для рассеивания предварительно подготовленной горючей смеси в камере сгорания, при этом каждое поперечное сечение указанного рассеивателя обладает одинаковым радиусом кривизны, причем указанный рассеиватель содержит центральный участок рассеивателя и два продольных периферийных участка рассеивателя, указанные два продольных периферийных участка соединены друг с другом с помощью указанного центрального участка рассеивателя, указанный центральный участок рассеивателя тянется продольно в направлении, перпендикулярном течению горючей смеси, на длину L, которая больше нуля, поперечное сечение указанного центрального участка рассеивателя имеет форму дуги окружности с радиусом r, каждый из указанных продольных периферийных участков рассеивателя имеет форму участка сферы радиуса r.

Такая конкретная конфигурация рассеивателя позволяет добиться стабильности пламени также в случае увеличения теплопроизводительности и также на концах рассеивателя.

В частности, упомянутая выше конфигурация позволяет получить направление течения горючей смеси, выходящей из рассеивателя с практически отсутствующей нормальной составляющей потока в направлении, перпендикулярном поверхности рассеивателя на его концах. Таким образом, можно уменьшить течение смеси в периферийных областях и предотвратить явление отрыва пламени также при высокой производительности.

Здесь термин «направление течения горючей смеси» используют для обозначения основного направления течения горючей смеси.

В настоящем изобретении выражение «поперечное сечение обладает одинаковым радиусом кривизны» используют для обозначения того, что каждая точка поперечного сечения обладает одним и тем же радиусом кривизны, то есть она принадлежит одной и той же гипотетической окружности упомянутого радиуса.

Для лучшего понимания изобретения далее приведено описание некоторых упрощенных вариантов осуществления горелки изобретения, которые не ограничивают изобретение, поясняемое приложенными чертежами, на которых приведено:

фиг. 1 - вид, показывающий продольное сечение участка котла, содержащего газовую горелку, соответствующую настоящему изобретению;

фиг. 2 - вид в изометрии, показывающий горелку газового котла, соответствующую первому варианту осуществления изобретения;

фиг. 3 - вид в изометрии, показывающий горелку газового котла, которая соответствует варианту осуществления изобретения и которая установлена на основании;

фиг. 4 - вид сбоку, показывающий горелку с фиг. 3;

фиг. 5 - вид, показывающий сечение В-В горелки с фиг. 4; и

фиг. 6а-6с - виды, показывающие векториальное распределение некоторых линий течения газов с топливом вдоль части фиг. 5.

На фиг. 1-6 горелка газового котла в целом обозначена ссылочной позицией 1.

В частности, ссылочной позицией 1 обозначена горелка, которая вырабатывает теплоту путем сжигания предварительно подготовленной горючей смеси, в общем содержащей горючий газ и воздух. Предпочтительно, чтобы такая горючая смесь была полностью подготовлена предварительно, то есть к смеси, подаваемой в горелку, не добавлялось бы никаких дополнительных компонентов.

Горелка 1 содержит рассеиватель 2, который предназначен для рассеивания горючей смеси в камере 3 сгорания (показана пунктирной линией на фиг. 1).

Горелка 1 установлена на основании 9, которое может быть соединено с камерой 3 сгорания с помощью соединительных участков.

Основание 9 дополнительно образует границы отверстия для прохода горючей смеси.

Рассеиватель 2 содержит стенку, которая снабжена несколькими отверстиями и внутренняя поверхность которой сообщается с трубой подачи горючей смеси. Сгорание горючей смеси происходит на внешней поверхности такой стенки.

Рассеиватель 2 может содержать известный в технике рассекатель 4, предназначенный для распределения смеси перед рассеивателем 2 и расположенный со стороны рассеивателя 2, которая противоположна камере 3 сгорания.

На фиг. 1 также схематически показан теплообменник 6, сообщающийся с камерой 3 сгорания и предназначенный для отбора теплоты, выработанной при сгорании горючей смеси на внешней стороне стенки рассеивателя 2.

Как показано на фиг. 2, имеются три основных направления: продольное направление α, поперечное направление β и радиальное направление γ. Продольное направление α и поперечное направление β перпендикулярны друг другу и они оба перпендикулярны направлению течения горючей смеси, поступающей в горелку 1, как показано на фиг. 2 стрелками 7.

В соответствии с настоящим изобретением любое поперечное сечение указанного рассеивателя 2 обладает одинаковым радиусом кривизны. Другими словами, каждое сечение, полученное при пересечении рассеивателя 2 плоскостью, параллельной плоскости В-В по фиг. 4, имеет один и тот же радиус кривизны, то есть каждая точка сечения принадлежит идеальной окружности, обладающей таким радиусом кривизны.

В соответствии с настоящим изобретением, рассеиватель 2 содержит центральный участок 10 и два продольных периферийных участка 5, при этом указанные два продольных периферийных участка 5 соединены друг с другом с помощью указанного центрального участка 10. Центральный участок 10 расположен продольно в направлении, перпендикулярном течению горючей смеси, то есть в продольном направлении α на длину L, отличную от нуля. Более того, поперечное сечение центрального участка 10 имеет форму дуги окружности радиуса r, как показано на фиг. 5.

В частности, как показано на фиг. 5, предпочтительно, чтобы поперечное сечение являлось полукругом.

Следовательно, центральный участок 10 расположен в поперечном направлении на длину, равную 2r.

Каждый из указанных продольных периферийных участков 5 имеет форму участка сферы радиуса r, как показано на фиг. 4.

В частности, как показано на фиг. 4, каждый из указанных участков имеет форму четверти сферы.

Другими словами, радиус сферического участка, который образует каждый продольный периферийный участок 5, равен радиусу поперечного сечения центрального участка 10 рассеивателя.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, показанном на фиг. 5, горелка 1 также содержит рассекатель 4, связанный с рассеивателем 2 и предназначенный для подачи к нему горючей смеси, при этом конфигурация рассекателя 4 по существу эквивалентна конфигурации рассеивателя 2. Это подробно показано на фиг. 5.

Такой рассекатель 4 содержит лист, снабженный отверстиями, или металлическую сетку или пористый материал.

Рассеиватель 2 содержит сетку, выполненную из металлических или керамических волокон или плотного материала с отверстиями, или пористого материала.

В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления изобретения рассеиватель 2 соединен с основанием 9, которое расположено по существу перпендикулярно направлению течения горючей смеси, поступающей в горелку 1 (указанное направление показано стрелками 7).

На фиг. 6а-6с стрелкой 7′ показано направление течения горючей смеси, выходящей из горелки 1.

Как ясно из этих фигур, чем ближе к концам поперечного сечения, тем меньше нормальная составляющая потока горючей смеси на рассеивателе 2.

Следовательно, нормальная составляющая будет минимальной на концах и максимальной в верхней точке дуги окружности сечения.

Этот эффект компенсирует падение температуры, обычное на концах соединения с основанием 9, предотвращая отрыв пламени в этих критических областях.

Ситуация аналогична для всего продольного сечения рассеивателя 2 потому, что каждый продольный периферийный участок 5 рассеивателя имеет форму дуги окружности радиуса r, и края продольного участка рассеивателя 2 обладают такими же характеристиками, что и края поперечного сечения рассеивателя 2.

Другими словами, чем ближе к концам продольного сечения, тем больше уменьшается нормальный компонент на рассеивателе 2 направления течения газов, выходящих из горелки 1.

Следовательно, нормальная составляющая будет минимальной на краях и далее будет постепенно увеличиваться до достижения максимума на всей длине L центрального участка 10 рассеивателя.

Следовательно, нормальная составляющая потока горючей смеси минимальна вдоль всех краев периметра рассеивателя 2, за счет чего устраняется отрыв пламени, критичный в этих областях.

Конфигурация горелки 1 позволяет получить стабильность пламени также в случае увеличения теплопроизводительности, при этом горелка останется простой и недорогой в изготовлении.

В приведенном выше описании и последующей формуле изобретения необходимо считать, что перед всеми числовыми значениями, означающими количества, параметры, проценты и подобное, расположено слово «примерно», если не оговорено обратное. Более того, все интервалы числовых значений содержат все возможные комбинации максимального и минимального числовых значений и все возможные промежуточные интервалы, помимо конкретно обозначенных в тексте.

Горелка газового котла, соответствующая настоящему изобретению, может быть изменена и модифицирована специалистом в рассматриваемой области с целью соответствия зависящим от обстоятельств и конкретным требованиям, при этом все модификации и варианты лежат в границах объема защиты настоящего изобретения.

Предложена горелка для газового котла с высокой стабильностью пламени по периметру. Горелка (1) газового котла содержит рассеиватель (2), предназначенный для рассеивания потока предварительно подготовленной в камере сгорания (3) горючей смеси и имеющий стенку с внутренней поверхностью, сообщающейся с трубой подачи горючей смеси, и внешней поверхностью, от которой происходит выход газа и на которой происходит сгорание так, что поток газа в направлении (7′) имеет нормальную составляющую к внешней поверхности. Рассеиватель (2) содержит центральный участок (10) и два продольных периферийных участка (5), связанные друг с другом посредством указанного центрального участка (10). Центральный участок (10) имеет постоянное поперечное сечение, перпендикулярное продольной оси рассеивателя, окруженное дугой окружности постоянного радиуса r. Каждый из указанных продольных периферийных участков (5) имеет форму участка сферы радиуса r, равного радиусу r указанного центрального участка поперечного сечения (10). Нормальная составляющая потока исходящего газа минимальна вдоль всех краев по периметру рассеивателя (2). Использование изобретения позволит решить проблему отрыва и нестабильности пламени. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Горелка (1) газового котла, содержащая рассеиватель (2), предназначенный для рассеивания потока предварительно подготовленной в камере сгорания (3) горючей смеси и имеющий стенку с внутренней поверхностью, сообщающейся с трубой подачи горючей смеси, и внешней поверхностью, от которой происходит выход газа и на которой происходит сгорание, так, что поток газа в направлении (7′) имеет нормальную составляющую к внешней поверхности,
при этом указанный рассеиватель (2) содержит центральный участок (10) и два продольных периферийных участка (5), связанные друг с другом посредством указанного центрального участка (10), расположенного продольно в направлении, перпендикулярном течению горючей смеси, на длину L, отличную нуля, причем указанный центральный участок (10) имеет постоянное поперечное сечение, перпендикулярное продольной оси рассеивателя, окруженное дугой окружности постоянного радиуса r, а каждый из указанных продольных периферийных участков (5) имеет форму участка сферы радиуса r, равного радиусу r указанного центрального участка поперечного сечения (10),
характеризующаяся тем, что
рассеиватель включает в себя только указанный центральный участок поперечного сечения (10) и два указанных продольных периферийных участка (5), так что нормальная составляющая потока исходящего газа минимальна вдоль всех краев по периметру рассеивателя 2.

2. Горелка (1) по п. 1, отличающаяся тем, что содержит рассекатель (4), связанный с рассеивателем (2), и предназначенный для распределения горючей смеси перед рассеивателем (2), при этом форма рассекателя (4) по существу совпадает с формой рассеивателя (2).

3. Горелка (1) по п. 2, отличающаяся тем, что указанный рассекатель (4) содержит металлический лист, снабженный отверстиями, или металлическую сетку, или пористый материал.

4. Горелка (1) по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что указанный рассеиватель (2) содержит сетку, выполненную из металлических, или керамических волокон, или из плотного материала с отверстиями, или пористого материала.

5. Горелка (1) по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что указанный рассеиватель (2) соединен с основанием (9), расположенным по существу перпендикулярно направлению течения горючей смеси.

6. Горелка (1) по п. 5, отличающаяся тем, что указанное основание (9) ограничивает отверстие для прохода горючей смеси вдоль краев по периметру рассеивателя 2.