МНОГОДИАПАЗОННАЯ ГОРЕЛКА ПОЛНОГО ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО СМЕШИВАНИЯ Российский патент 2024 года по МПК F23D14/02 

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. Известно, что широкий диапазон изменения мощности теплогененирующего устройства можно достигнуть последовательным включением нескольких менее мощных теплогенераторов, объединяя их в каскад котлов. При этом диапазон изменения тепловой мощности может достигать значений, равных 10 и более раз. Диапазон изменения тепловой мощности цилиндрических горелок, выполненных в одном устройстве, обычно не превышает 5-7 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. Данный котел, благодаря каскаду параллельно соединенных секций отдельных котлов, обладает высоким диапазоном изменения тепловой мощности. (Патент на изобретение RU 2688132 С1, МПК F24H 1/32, опубл. 17.05.2019 г.) Недостатком данного котла являются высокая стоимость конструкции. Известно изобретение на газовую горелку, содержащую трубу с покрывающим ее элементом, снабженным множеством отверстий. Горелка содержит средство для крепления трубы к камере сгорания, средство подачи газа окислителя. Внутри трубы расположено устройство для возможности подачи минимального количества газа. Устройство содержит вогнутый элемент с боковыми стенками и дном, наконечник канала подачи газа с множеством отверстий, искровой электрод и зонд (Патент США №295207, F23D 14/02, 2012).

Недостатком конструкции является сложность обеспечения равномерного горения вдоль поверхности трубы, приводящая к не полному сгоранию топлива на определенных участках и повышенному выделению вредных веществ, низкий диапазон изменения тепловой мощности газовой горелки в процессе регулирования.

Известно изобретение, в котором голова горелочного устройства, включающая в себя корпус, в котором коаксиально установлен цилиндрический газовый коллектор с центральным каналом, центральный диск-диффузор, регулировочное кольцо, установленное на внутренней поверхности корпуса с возможностью перемещения относительно продольной оси горелочной головы, при этом корпус снабжен диффузорно-конфузорной выходной насадкой; цилиндрический газовый коллектор установлен в корпусе с образованием кольцевого канала для подачи периферийного воздушного потока в зону горения; на внешней поверхности цилиндрического газового коллектора по окружности размещены аксиальные лопатки, установленные под углом 30-40° к продольной оси горелочной головы (Патент на изобретение RU 2660592 С1, МПК F23D 14/02, опубл. 06.07.2018 г.) Недостатком данного изобретения является то, что устойчивая работы данного горелочного устройства происходит в рабочем диапазоне нагрузок котла только от 40% до 100% от номинальной мощности.

Наиболее близким по технической сути к предполагаемому изобретению является двухдиапазонная модуляционная газовая горелка полного предварительного смешивания (Патент на изобретение RU 2727117 С1, МПК F23D 14/02, опубл. 20.07.2020 г.). Двухдиапазонная модуляционная газовая 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 с 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.

Данная двухдиапазонная горелка полного предварительного смешивания позволяет осуществлять изменение производимой при сгорании газообразного топлива мощности в несколько десятков раз. Недостатками данной конструкции является сложность механизма привода открытия клапана для прохода газовоздушной смеси, наличие только двух зон возможного горения.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является разработка цилиндрической горелки предварительного смешивания, способной устойчиво функционировать в широком диапазоне изменения от 3-5% до 100% тепловой мощности теплогенерирующего устройства, обеспечивающим наивысшую эффективность при работе систем отопления и горячего водоснабжения и других технологических процессах за счет возможности максимально полного соответствия производимой тепловой мощности величине потребной тепловой мощности рассматриваемых объектов. Стандартный диапазон изменения тепловой мощности цилиндрических газовых модуляционных горелок составляет до 5-7 раз.

Газовые котлы широко применяются в отоплении и подготовке горячей воды индивидуальных домохозяйств и для поквартирного отопления и подготовки горячей воды многоэтажных городских домов. При этом средняя площадь квартир составляет 55 квадратных метров, и для отопления данного помещения требуется не более 3 киловатт тепловой энергии в час, а в весенне-осенний период времени - не более 1 киловатта. Для подготовки горячей воды в таких квартирах требуется тепловая мощность от 20 до 24 киловатт в час. Применяемые для данных целей настенные газовые котлы имеют мощность от 20 до 24 киловатт при модулировании тепловой мощности от 3 до 24 киловатт. Таким образом, применяемые в настоящее время для указанных целей настенные газовые котлы для обеспечения режима «отопление» с мощностью от 1 до 3 киловатт не могут работать без перерывов в работе, переходя в режим «тактования» (режим постоянного включения - выключения). Режим «тактования» - наиболее опасный режим работы газового котла с максимальными выбросами парниковых газов в процессе работы, наихудшими характеристиками энергетической эффективности и наименьшими сроками срока службы. Необходимо минимизировать данный режим работы в котельном оборудовании. Технический результат достигается с помощью разделения поверхности горения горелки теплового генератора на две и более зон горения - до пяти зон, независимо друг от друга. Зоны горения могут быть активированы в любом порядке, включая вариант одновременной работы всех зон горения. В этом случае мощность газовой горелки максимальная. Каждая выделенная зона поверхности горения может работать отдельно в своем диапазоне модуляции тепловой мощности. Таким образом, полный диапазон модуляции тепловой мощности составляет значение от минимальной мощности наименьшего по площади горения участка, до полной суммарной площади горения горелки. Горелка выполнена в виде цилиндра, заглушенного с одной стороны. Количество участков горения может быть произвольное. Внутри цилиндрической части горелки установлены газонепроницаемые перегородки, к каждому цилиндрическому участку горелки подходит отдельный канал подачи предварительно полностью смещенного горючего газа от распределительного устройства, снабженного отдельным приводом, обеспечивающим открытие или закрытие каждого канала. Распределительное устройство подачи расположено перед горелкой в общем канале подачи газовоздушной смеси.

Краткое описание чертежей

На чертеже представлена схема цилиндрической трехдиапазонной модуляционной газовой горелки полного предварительного смешивания. Предлагаемая в качестве изобретения цилиндрическая трехдиапазонная модуляционная газовая горелка полного предварительного смешивания состоит из цилиндрического корпуса 1, выполненного из листового жаропрочного материала с перфорацией отверстиями по поверхности для прохождения газовоздушной смеси в зону горения, торцевой заглушки 2, внутренних газонепроницаемых перегородок 3, разделяющих зоны горения, снабженных штуцером 4 канала подачи горючей газовоздушной смеси 5 от распределительного устройства 6, снабженного приводами открытия и закрытия подачи горючей газовоздушной смеси 7 отдельно в каждый канал подачи горючей газовоздушной смеси 5, фланца 8 для крепления горелки к общему каналу подачи горючей газовоздушной смеси 9.

Осуществление изобретения

Газовоздушная смесь полного предварительного смешенного горючего газа и воздуха поступает в общий канал подачи газовоздушной смеси 9, внутри которого находится распределительное устройство 6, в зависимости от состояния положения приводов открытия и закрытия подачи горючей газовоздушной смеси 7, по каждому каналу подачи горючей газовоздушной смеси 5 через штуцер 4 горючая газовоздушная смесь подается в отдельную зону горелки, разделенную внутренними газонепроницаемыми перегородками 3 с последующей подачей в зоны горения через перфорированные отверстия в поверхности цилиндрического корпуса 1, крепление газовой горелки к общему каналу подачи горючей газовоздушной смеси 9 выполнено с помощью фланца крепления горелки 8. Тепловая мощность газовой горелки может находиться в широком диапазоне в зависимости от размера зоны горения благодаря распределительному устройству 6 потока газовоздушной смеси, которое направляет поток предварительно полностью готовой горючей смеси в зоны горения, отгороженные внутренними газонепроницаемыми перегородками 3. В представленном чертеже горелка состоит из трех зон горения, разделенных двумя внутренними газонепроницаемыми перегородками. В общем случае, таких зон горения может быть от двух до пяти. Внутри каждой зоны, как и во всех зонах горения одновременно, горение происходит с тепловой мощностью, изменяемой в зависимости от давления и содержания доли горючего газа в полностью предварительно подготовленной горючей газовоздушной смеси.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет эффективно работать газовой горелке в широком диапазоне изменения вырабатываемой тепловой мощности. Широкий диапазон изменения мощности обусловлен возможностью изменения как давления газа в горючей газовоздушной смеси, так и возможностью изменения площади горения горючей газовоздушной смеси.

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

- горелка способна работать в нескольких диапазонах необходимой тепловой производительности, обеспечивая плавное регулирование тепловой мощности внутри каждого диапазона отдельно;

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

- применение данного изобретения позволяет обеспечивать совпадение величин производимой тепловой мощности и потребной 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 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 неизвестно выполнение конструкции горелки полного предварительного смешивания модуляционного типа с несколькими отдельными каналами подачи газообразной горючей смеси в отдельные зоны горения, позволяющей плавно регулировать тепловую мощность, обеспечивая эффективную работу теплогенераторов, можно сделать вывод о соответствии заявленного устройства условию патентоспособности «изобретательский уровень».

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. Газовая модуляционная горелка полного предварительного смешивания состоит из цилиндрического, перфорированного отверстиями для прохода горючей газовоздушной смеси корпуса, выполненного из жаропрочного листового материала, с заглушкой с одной стороны и фланцем с другой стороны. Цилиндрический корпус горелки разделен внутренними газонепроницаемыми перегородками, формирующими зоны горения, каждая перегородка имеет штуцер для подсоединения отдельного канала подачи горючей газовоздушной смеси, поступающей из распределительного устройства, расположенного перед горелкой в общем канале подачи полностью предварительно подготовленной горючей газовоздушной смеси, снабженного приводами открытия и закрытия отдельно каждого канала подачи горючей газовоздушной смеси. Изобретение позволяет обеспечить устойчивое функционирование в широком диапазоне изменения от 3-5% до 100% тепловой мощности теплогенерирующего устройства, обеспечивающего наивысшую эффективность при работе систем отопления и горячего водоснабжения и других технологических процессах за счет возможности максимально полного соответствия производимой тепловой мощности величине потребной тепловой мощности рассматриваемых объектов. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Газовая модуляционная горелка полного предварительного смешивания, состоящая из цилиндрического, перфорированного отверстиями для прохода горючей газовоздушной смеси, корпуса, выполненного из жаропрочного листового материала, с заглушкой с одной стороны и фланцем с другой стороны, отличающаяся тем, что цилиндрический корпус горелки разделен внутренними газонепроницаемыми перегородками, формирующими зоны горения, каждая перегородка имеет штуцер для подсоединения отдельного канала подачи горючей газовоздушной смеси, поступающей из распределительного устройства, расположенного перед горелкой в общем канале подачи полностью предварительно подготовленной горючей газовоздушной смеси, снабженного приводами открытия и закрытия отдельно каждого канала подачи горючей газовоздушной смеси.

2. Газовая модуляционная горелка полного предварительного смешивания по п. 1, отличающаяся тем, что количество зон горения может быть от двух до пяти.