ГАЗОВАЯ ГОРЕЛКА ПОЛНОГО ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО СМЕШИВАНИЯ КОАКСИАЛЬНОГО ТИПА С ИЗМЕНЯЕМЫМИ ДИАПАЗОНАМИ МОДУЛЯЦИИ Российский патент 2024 года по МПК F23D14/60 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к теплоэнергетике, к устройству газовых горелок предварительного смешивания горючих газов. Может применяться для газовых теплогенераторов систем централизованного и децентрализованного отопления и подготовки горячей воды, промышленных установок и в индивидуальном строительстве.

Уровень техники

В современных системах отопления и подготовки горячей воды широко используются газовые котлы, оснащенные модуляционными горелками, обеспечивающими автоматическое изменение мощности в зависимости от потребности в тепле. Диапазон изменения мощности горелки - важнейший показатель, влияющий на энергетическую эффективность энергетической установки и количество вредных выбросов в атмосферу, возникающих при сгорании топлива. Способность максимально обеспечить комфорт в отапливаемом помещении, достичь наивысшие показатели энергетической эффективности, экономичности, увеличить срок службы теплогенерирующей системы определяется диапазоном изменения мощности горелки. Диапазон изменения тепловой мощности цилиндрических горелок, выполненных в одном устройстве, обычно не превышает 5 раз.

Известно изобретение - котел для отопления, содержащий корпус, подводящие и отводящие магистрали для воды и топлива, теплообменные, параллельные между собой, секции, горелку, общие теплообменник и газоотводную трубу, отличающийся тем, что теплообменные секции котла выполнены съемными независимыми друг от друга, для чего каждая секция снабжена вытяжным вентилятором, индивидуальной горелкой и первичным теплообменником, первичные теплообменники связаны с общим вторичным теплообменником, на подводящих и отводящих магистралях установлена запорная арматура, при этом на входе теплообменных секций установлены клапаны, регулирующие подачу газа (Патент на изобретение RU 2688132 С1, МПК F24H 1/32, опубл. 17.05.2019 г.). Данный котел, благодаря каскаду параллельно соединенных секций отдельных котлов в каскад, обладает высоким диапазоном изменения тепловой мощности.

Недостатком данного котла являются высокая стоимость конструкции.

Известно изобретение - Двухдиапазонная модуляционная газовая горелка полного предварительного смешивания. Горелка полного предварительного смешивания, состоящая из цилиндрической головки, заглушенной с одной стороны и прикрепленной к фланцу корпуса горелки другой стороной, образующая поверхность головки горелки перфорирована отверстиями для выхода газообразной смеси топлива, отличающаяся тем, что цилиндрическая часть горелки разделена внутренней перегородкой, разделяющей горелку на две зоны, работа одной из которых может выполняться отдельно. В разделительной перегородке установлен клапан со штоком, обеспечивающий прохождение газовоздушной топливной смеси между внутренними зонами цилиндрической части горелки, образуя единое пространство и обеспечивающий горение по всей поверхности горелки. Открытие клапана осуществляется электромеханическим приводом посредством перемещения штока клапана (Патент на изобретение RU 2727117 С1, МПК F23D 14/02, опубл. 20.07.2020 г.). Данная двухдиапазонная горелка полного предварительного смешивания позволяет осуществлять изменение производимой при сгорании газообразного топлива мощности в несколько десятков раз.

Недостатком данной конструкции является то, что диапазоны изменения мощности газогорелочного устройства жестко фиксированы положением внутреннего клапанного устройства.

Теплогенераторы, составной частью которых является газогорелочное устройство полного предварительного смешивания, могут применяться в разных климатических условиях при разной продолжительности отопительного периода. Также теплогенераторы могут использоваться для разных режимов работы, к примеру, режим отопления (постоянного, круглосуточного использования) и режим подготовки горячей воды (кратковременного использования максимальной мощности). Соотношения между данными режимами потребления тепловой мощности зависят от конкретных параметров потребления тепловой энергии, размеров зданий, количества пользователей, конкретных климатических условий расположения объекта.

Наиболее близким по технической сути, взятым за прототип, является изобретение -Газовая горелка полного предварительного смешивания с изменяемым диапазоном модуляции (Патент на изобретение RU 2749114 С1, МПК F23D 14/02, опубл. 04.06.2021 г.). Газовая модуляционная горелка полного предварительного смешивания, состоящая из цилиндрической головки, заглушенной с одной стороны и прикрепленной к фланцу корпуса горелки другой стороной, образующая поверхность головки горелки перфорирована отверстиями для выхода газообразной смеси топлива, отличающаяся тем, что цилиндрическая часть горелки разделена внутренней перегородкой, положение которой может изменяться в зависимости от конкретных потребностей, и разделяющей горелку на две зоны, работа одной из которых может выполняться отдельно, открытие клапана осуществляется электромеханическим приводом, расположенном на цилиндрической перфорированной поверхности жестко соединенной с внутренней перегородкой горелки.

Недостатком данной конструкции является то, что поверхность горелки имеет высокую температуру, превышающую 400 градусов Цельсия. Эластичные материалы, типа силиконы, обеспечивают работоспособность при температурах ниже указанной. Необходимы конструктивные изменения горелочного устройства, обеспечивающие снижение температуры в зоне контакта перемещаемой перегородки с цилиндрической частью горелки ниже 150 градусов Цельсия. В этом случае можно обеспечить надежную работу горелки в течение длительного времени.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является разработка цилиндрической горелки предварительного смешивания, способной устойчиво функционировать в широком диапазоне изменения от 5 % до 100 % тепловой мощности теплогенерирующего устройства, обеспечивающим наивысшую эффективность при работе систем отопления, горячего водоснабжения и других технологических процессов, за счет возможности максимально полного соответствия производимой тепловой мощности величине потребной тепловой мощности рассматриваемых объектов. Цилиндрическая газовая горелка с перемещаемой перегородкой обеспечивает возможность изменения тепловой мощности в указанном диапазоне, однако между поверхностью горелки и перегородкой должно быть установлено эластичное уплотнение, обеспечивающее герметичное разделение зон работы горелочного устройства.

Температура поверхности горелки, в зависимости от высоты пламени горения газа, может составлять 400-900 градусов Цельсия, что исключает применение эластичных материалов в связи с невозможностью поддержания их стабильных технических характеристик в течение длительного времени. Необходимо снизить температуру зоны контакта эластичного материала перемещаемой перегородки.

Технический результат достигается с помощью конструкции газовой горелки в виде коаксиальной трубчатой конструкции. Внешняя труба имеет перфорированные отверстия, через которые горючий газ полного предварительного смешивания попадает в зону горения. Внутренняя труба меньшего диаметра имеет отверстия произвольной формы, обеспечивающие небольшое пневматическое сопротивление для попадания в межтрубное пространство. Межтрубное пространство разделено радиальными газонепроницаемыми перегородками, расстояние между которыми составляет 0,1-2,0 от размера разницы размеров радиусов коаксиальных труб. Указанные перегородки исключают возможность движения газа в продольном направлении межтрубного пространства и обеспечивают исключительно движение горючего газа в радиальном направлении во внешнюю зону внешней коаксиальной трубы горелки. По центральной оси коаксиальной газовой горелки расположен поршень с герметичными уплотнениями по поверхности контакта его внешней поверхности с внутренней поверхностью внутренней коаксиальной трубки. Поршень размещен и зафиксирован на оси, обеспечивающей возможность его линейного перемещения вдоль коаксиальной трубы горелки, обеспечивая подачу горючей газовоздушной смеси только в зону, отделенную поршнем. Герметизация обеспечивается эластичными уплотнениями на внешней поверхности поршня. Поступающий в горелку горючий газ полного предварительного смешивания имеет температуру не выше 50 градусов Цельсия. При работе горелочного устройства горючий газ поступает в полость внутренней части коаксиальной трубы, отделенной поршнем и охлаждает внутреннюю поверхность коаксиальной трубы до температуры, достаточной для поддержания эластичности уплотнений поршня. Поршень закреплен на оси, второй конец которой соединен с механизмом линейного перемещения. Положение поршня определяет рабочую зону горения на внешней поверхности горелки. Изменение положения поршня линейно влияет на величину мощности газогорелочного устройства, обеспечивая широкий диапазон ее изменения.

Для исключения попадания газовоздушной смеси в зоны горелки, отделенные перегородкой, эластичное уплотнение перегородки должно иметь ширину, превышающую расстояние между соседними перегородками.

Краткое описание чертежа

На чертеже представлена схема цилиндрической газовой горелки полного предварительного смешивания коаксиального типа с изменяемым диапазоном модуляции.

Предлагаемая в качестве изобретения газовая горелка 1 полного предварительного смешивания коаксиального типа с изменяемым диапазоном модуляции состоит из внешнего цилиндрического корпуса 2 из нержавеющей стали с перфорацией отверстий для прохождения газовоздушной смеси, внутреннего цилиндрического корпуса 3, радиальных перегородок 4, поршня 5, герметичных уплотнений 6, продольная ось 7, механизм линейного перемещения поршня 8. Газовоздушная смесь предварительного смешанного топлива поступает в газовую горелку 1 в зону А, размер которой определяется положением поршня 5. Газовоздушная смесь поступает только в зону межтрубного пространства между внешним цилиндрическим корпусом 2 и внутренним цилиндрическим корпусом 3, соответствующим положению поршня 5. Зона горелки Б недоступна для горючей смеси.

Осуществление изобретения

Газовоздушная смесь полного предварительного смешивания поступает в корпус газовой горелки 1 в зону А, отгороженную положением поршня 5. Через отверстия (на чертеже не показаны) во внутреннем цилиндрическом корпусе 3 газовоздушная смесь по каналам, отгороженным радиальными перегородками 4 через отверстия (на чертеже не показаны) во внешнем цилиндрическом корпусе 2 поступает в зону горения. Положение поршня 5, зафиксированного на продольной оси 7, определяет зону горения А, а, следовательно, и тепловую мощность газовой горелки 1. Изменение тепловой мощности газовой горелки 1 выполняется с помощью механизма линейного перемещения поршня 8. Газовоздушная смесь не поступает в зону Б, поскольку поршень 5 имеет герметичные уплотнения 6. Попадание газовоздушной смеси внутрь коаксиальной трубы исключено. Ширина герметичных уплотнений 6 больше расстояния между соседними радиальными перегородками 4. Температура газовоздушной смеси, поступающей в газовую горелку 1, не превышает 50 градусов Цельсия. Газовоздушная смесь охлаждает внутреннюю поверхность внутреннего цилиндрического корпуса 3 газовой горелки 1, по которой происходит движение поршня 5 при изменении тепловой мощности работы газовой горелки 1 и в зоне, которой расположены герметичные уплотнения 6. Поставленная техническая задача снижения температуры в зоне герметизации выполняется за счет организации охлаждения указанной зоны потоком газовоздушной смеси, первоначальная температура которой не превышает 50 градусов Цельсия. Охлаждение зоны расположения герметичных уплотнений 6 обеспечивает их долговременную работу.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:

- газовая горелка способна работать в произвольном диапазоне необходимой тепловой производительности, обеспечивая плавное регулирование тепловой мощности;

- тепловая мощность газовой горелки может меняться, максимально адаптируясь к конкретным задачам теплового обеспечения объекта в зависимости от климатического расположения, размеров, количества потребителей тепловой энергии;

- полный диапазон изменения тепловой мощности газовой горелки превышает значение известных конструкций в несколько раз;

- применение данного изобретения позволяет обеспечивать совпадение необходимой и производимой тепловой мощности объекта;

- широкий диапазон производимой тепловой мощности позволяет исключить режимы «тактования» (периодического включения - выключения генерации тепловой мощности), что увеличивает ресурс работы всей технологической системы;

- возможность работы системы в режиме полного постоянного теплового баланса, обеспечивает минимальные выбросы парниковых газов, возникающих при сгорании топлива;

- благодаря широкому диапазону регулирования и работе газовой горелки в режиме полного теплового баланса минимизируется потребление топлива, что приводит к работе с максимальной энергетической эффективностью и снижению стоимости эксплуатационных затрат.

Поскольку заявленное изобретение отличается от наиболее близкого аналога рядом существенных признаков, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».

В основу заявленного изобретения положены известные законы материального мира, что позволяет утверждать о соответствии изобретения условию «промышленная применимость».

Поскольку из уровня техники не известно выполнение конструкции горелки предварительного смешивания с плавным изменением диапазона модуляции с устройствами регулирования мощности поршневого типа с коаксиальной горелкой и организацией охлаждения зоны уплотнений, позволяющей плавно регулировать тепловую мощность в зависимости от потребности, можно сделать вывод о соответствии заявленного устройства условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике, к устройству газовых горелок предварительного смешивания горючих газов. Газовая модуляционная горелка полного предварительного смешивания содержит цилиндрические корпуса - внешний и внутренний в виде коаксиальных труб, образующих между собой межтрубное пространство, которое разделено радиальными газонепроницаемыми перегородками, при этом внешний корпус выполнен с перфорацией, а внутренний корпус - с отверстиями, во внутреннем корпусе на центральной оси размещен поршень с герметичными уплотнениями по внешней его поверхности для контакта с внутренней поверхностью внутреннего корпуса, поршень выполнен с возможностью продольного перемещения посредством механизма линейного перемещения. Расстояние между радиальными газонепроницаемыми перегородками межтрубного пространства составляет 0,1-2 от разницы радиусов коаксиальных труб. Ширина герметичных уплотнений перемещаемого поршня больше расстояния между соседними радиальными газонепроницаемыми перегородками межтрубного пространства. Изобретение позволяет газовой горелке предварительного смешивания функционировать в широком диапазоне изменения тепловой мощности теплогенерирующего устройства. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Газовая модуляционная горелка полного предварительного смешивания, содержащая цилиндрические корпуса - внешний и внутренний в виде коаксиальных труб, образующих между собой межтрубное пространство, которое разделено радиальными газонепроницаемыми перегородками, при этом внешний корпус выполнен с перфорацией, а внутренний корпус - с отверстиями, во внутреннем корпусе на центральной оси размещен поршень с герметичными уплотнениями по внешней его поверхности для контакта с внутренней поверхностью внутреннего корпуса, поршень выполнен с возможностью продольного перемещения посредством механизма линейного перемещения.

2. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что расстояние между радиальными газонепроницаемыми перегородками межтрубного пространства составляет 0,1-2 от разницы радиусов коаксиальных труб.

3. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что ширина герметичных уплотнений перемещаемого поршня больше расстояния между соседними радиальными газонепроницаемыми перегородками межтрубного пространства.