УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛНОГО ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА И ВОЗДУХА Российский патент 2025 года по МПК F23D14/02 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к устройству сжигания природного газа низкого давления в топках водогрейных котлов, и предназначено для полного предварительного смешения природного газа с воздухом перед подачей к горелочной трубе водогрейного котла для последующего сжигания, а также регулирования и поддержания постоянного соотношения газ-воздух в широком диапазоне модуляции тепловой мощности котла.

Известно устройство для смешения горючего газа и воздуха (патент РФ №2693538, опубл. 03.07.2019 г.), содержащее воздухопровод для подачи воздуха для горения, газопровод для подачи горючего газа, который снабжен внешним регулировочным клапаном, при этом сенсоры объемного расхода располагаются только на первом и втором измерительных трубопроводах, подводящих газ.

Недостатками такого устройства является отсутствие измерительного датчика после вентилятора, то есть уже после смешения природного газа с воздухом и образования газовоздушной смеси для подачи к горелочной трубе, что дает меньшую точность измерения количества объемного расхода среды, нагнетаемой в камеру сгорания. При этом устройство для смешения снабжено такими дополнительными элементами, как внешний клапан, работающий в качестве регулятора массового расхода газа, расположенного на подающем газопроводе, а также дополнительными измерительными трубопроводами, что в целом значительно усложняет конструкцию устройства.

Известно устройство для смешения горючего газа и воздуха (патент РФ №2511783, опубл. 10.04.2014 г.), принятое за наиболее близкий аналог к заявляемому решению, содержащее цилиндрический корпус, стабилизатор, завихритель газа, при этом цилиндрический корпус снабжен регулируемым шибером для подачи воздуха. Также устройство содержит датчик излучения пламени, который преобразует излучение в электрический сигнал и сравнивает величину этого сигнала с требуемой величиной по оптимальному режиму. В результате вырабатывается сигнал регулировки расхода воздуха с помощью электродвигателя, перемещающего заслонку шибера, в соответствии с тепловой нагрузкой устройства.

Недостатком рассмотренного решения является неточность регулировки подачи газа на входе устройства за счет анализа только тепловой энергии газовоздушной смеси на его выходе, а также неточность химического состава газовоздушной смеси в широком диапазоне модуляции тепловой мощности.

Технической задачей изобретения является создание устройства для полного предварительного смешения природного газа и воздуха, обеспечивающего полное сжигание топлива с избытком воздуха в широком диапазоне мощностей с низкой эмиссией вредных выбросов, а также повышение надежности и упрощение конструкции устройства по сравнению с существующими аналогами.

Техническим результатом изобретения является повышение качества сжигания природного газа за счет подачи к горелочной трубе подготовленной горючей газовоздушной смеси в рациональном соотношении газ-воздух за счет конструктивных особенностей решения.

Технический результат достигается при использовании устройства для полного предварительного смешения природного газа и воздуха, содержащего последовательно соединенные запорное устройство, подводящий газовый патрубок с сенсором объемного расхода газа низкого давления, дроссель с заслонкой и завихрителем, расположенный на всасывающем патрубке центробежного вентилятора в области разряжения газа, при этом выход центробежного вентилятора соединен с патрубком подачи газовоздушной смеси к горелочной трубе, снабженным сенсором объемного расхода газовоздушной смеси, причем запорное устройство, дроссель с заслонкой с приводом и завихрителем, а также сенсоры объемного расхода газа и газовоздушной смеси соединены с электронным блоком управления, выполненным с возможностью регулирования и поддержания соотношения газ-воздух.

В частном случае, дроссель с заслонкой, завихритель, запорное устройство и подводящий газовый патрубок установлены на несущей пластине, закрепленной на центробежном вентиляторе.

В частном случае, заслонка выполнена в виде зубчатого колеса или в виде сектора с круговым пазом переменного сечения, снабженного зубчатым сектором.

В частном случае, с одной стороны завихрителя выполнено сопло Вентури со встроенными в него коаксиальным патрубком, через которое газ подается в завихритель, а с другой стороны выполнено отверстие для подачи газовоздушной смеси в центробежный вентилятор.

В частном случае, электронный блок выполнен с возможностью управления шаговым двигателем, управляющим заслонкой дросселя.

В частном случае, электронный блок управления выполнен с возможностью регулирования и поддержания постоянного соотношения газ-воздух в широком диапазоне модуляции тепловой мощности водогрейного котла.

Наличие блока электронного управления и привода заслонки дросселя позволяет точно установить и поддерживать заданное значение соотношения газ-воздух. При этом управление осуществляется на основании показаний сенсоров объемного расхода газа и газовоздушной смеси. Привод стремится установить заслонку дросселя таким образом, чтобы разница между текущим значением расхода газа и теоретически необходимым была минимальной или стремилась к нулю.

Установка дросселя с заслонкой с приводом и завихрителем на всасывающем патрубке центробежного вентилятора позволяет расположить завихритель газовоздушной смеси напротив всасывающего патрубка вентилятора, что обеспечивает направление всего поступающего потока газа и воздуха строго через вентилятор с проведением последующего съема показаний газовоздушной смеси сенсором объемного расхода, расположенного на выходе центробежного вентилятора, что дает возможность получить более точные данные о газовоздушной смеси, прошедшей через вентилятор для более точного регулирования подаваемой порции газа.

Установка дросселя в области разряжения газа позволяет в целом реализовать работу заявляемого устройства. В этой области происходит смешение природного газа, выходящего из подводящего газового патрубка под избыточным давлением, и воздуха из помещения. Попадая в область разряжения на всасывающем патрубке вентилятора, они гарантировано смешиваются и строго направляются к горелочной трубе. При этом вентилятор, подобно вихревому насосу, создает увеличение давления из-за центробежной силы, возникающей при вращении лопастей вентилятора и действующей на газовоздушную смесь, при этом газовоздушный поток двигается из области разряжения до вентилятора (на всасывающем патрубке, где и установлен дроссель) в область повышенного давления (на нагнетающем патрубке подачи газовоздушной смеси). Тем самым обеспечивается перекачивание газовоздушной смеси из области низкого давления в область, где вентилятор за счет механической работы создает более высокое давление.

Поддержание соотношения «газ-воздух» предполагает соблюдение требуемой пропорции газа и воздуха. Заявляемое устройство позволяет модулировать тепловую мощность горелки (то есть увеличивать или уменьшать количество сжигаемого газа), при этом процесс сжигания газа должен соблюдаться во всем рабочем диапазоне при заданном и постоянном соотношении газ-воздух для:

- полноты сжигания топлива;

- правильной и безопасной работы котла и горелочной трубы, которые рассчитаны на работу при строго определенных параметрах горения, зависящих от соотношения газа и воздуха, температуры на горелке, коэффициента избытка воздуха, содержания углекислого газа и т.д.;

- обеспечения минимального количества вредных выбросов на всем рабочем диапазоне.

В итоге, рассмотренные конструктивные особенности заявляемого решения обеспечивают постоянное отслеживание и регулировку соотношения газ-воздух для полноценного и качественного процесса сжигания газа.

На фиг.1 показана конструкция заявляемого устройства.

На фиг.2 показана конструкция заслонки с ограничительными элементами в виде направляющего кругового паза.

На фиг.3а показана конструкция заслонки с ограничительными элементами в виде внешней направляющей, на фиг.3б - вид спереди конструкции завихрителя.

На фиг.4а показан вид спереди конструкции завихрителя, на фиг.4б - вид сбоку конструкции завихрителя.

Заявляемое устройство содержит запорное устройство 1 на входе, представляющее собой электромагнитный клапан, которое управляется электронным блоком управления 2 центробежного вентилятора 3.

Также устройство содержит несущую пластину 4, на которой с одной стороны закреплен электромагнитный клапан 1 и подводящий газовый патрубок 5, а с другой стороны - дроссель 6 с заслонкой 7 и завихрителем 8.

Несущая пластина 4 служит для создания кольцевого канала для забора воздуха завихрителем 8, образованным между несущей пластиной 4 и центробежным вентилятором 3.

Подводящий газовый патрубок 5 с сенсором объемного расхода газа 9 расположен на входе дросселя 6. При этом газовый патрубок 5 имеет постоянное и известное сечение, для дальнейшего расчета в алгоритме управления. Сенсор объемного расхода газа 9 подводящего газового патрубка 5 представляет собой термоанемометр, снабженный элементом термокоррекции для обеспечения корректных показаний при различных температурах подводимого природного газа.

Центробежный вентилятор 3 соединен с патрубком подачи газовоздушной смеси 10 к горелочной трубе 11, снабженным сенсором объемного расхода газовоздушной смеси 12. Сенсор 12 представляет собой термоанемометр, снабженный элементом термокоррекции для обеспечения корректных показаний при различных температурах подводимого воздуха и газовоздушной смеси.

Электронный блок управления 2 принимает сигналы от сенсора объемного расхода газа 9 подводящего газового патрубка 5 и сенсора объемного расхода газовоздушной смеси 12 патрубка подачи газовоздушной смеси 10 к горелочной трубе 11, а также управляет шаговым двигателем (не показан).

Центробежный вентилятор 3 обеспечивает увеличение давления для работы заявляемого устройства, управляемого внешним контроллером водогрейного котла. Под режим работы этого внешнего контроллера котла и подстраивается процесс регулирования соотношения газ-воздух заявляемого устройства.

Дроссель 6 (фиг.2) представляет собой пластину с выполненным по центру сквозным отверстием 13, на котором происходит регулирование расхода газа. В углублении дросселя 6 выполнены пазы: круговой паз 14 переменного сечения с круговыми направляющими для установки заслонки 7, паз со спиральными каналами 15 для сброса газа с дросселя 6 в завихритель 8, паз 16 для зубчатого сектора заслонки 7. Дроссель 6 снабжен также осью 17 для вращения заслонки 7 внутри него.

Заслонка 7 представляет собой пластину в виде зубчатого колеса (фиг.3а) или в виде сектора с круговым пазом переменного сечения (фиг.3б) для плавного регулирования расхода через дроссель 6, снабженного зубчатым сектором 18 для получения вращательного движения от шестерни шагового двигателя. В заслонке 7 выполнено отверстие 19, на котором осуществляется вращательное движение заслонки 7 внутри дросселя 6.

При этом заслона 7 содержит ограничительные элементы в виде направляющего кругового паза 20 (фиг.3а) или внешней направляющей (фиг.3б) для ограничения угла поворота.

Завихритель 8 представляет собой крыльчатку с радиальными загнутыми лопатками 21 (фиг.4а) и крышкой 22 (фиг.4б). С одной стороны завихрителя 8 выполнено сопло Вентури 23 со встроенными в него коаксиальным патрубком 24, через которое газ попадает в завихритель 8, а с другой стороны выполнено отверстие 25 для подачи газовоздушной смеси в центробежный вентилятор 3.

Встроенный коаксиальный патрубок 24 выполнен в виде коаксиальных каналов: основного канала 26, через который газ попадает в завихритель 8 из дросселя 6, и вспомогательных каналов 27, через который в завихритель 8 попадает газ, отраженный от заслонки 7 дросселя 6.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

После включения центробежного вентилятора 3 в работу, завихритель 8, дроссель 6 и заслонка 7 находятся в области разряжения на всасывающем патрубке вентилятора 3, при этом сенсор расхода газовоздушной смеси 12 регистрирует поток воздуха после вентилятора 3.

Воздух поступает в завихритель 8 вдоль радиальных загнутых лопаток 21, а сопло Вентури 23 с коаксиальными каналами 26 и 27 находится таким образом напротив всасывающего патрубка вентилятора 3.

По текущему сигналу сенсора объемного расхода газовоздушной смеси 12 электронный блок управления 2 вычисляет теоретически необходимый сигнал сенсора объемного расхода газа 9 подводящего газового патрубка 5.

Электронный блок управления 2 снабжен настроечной функцией для настройки соотношения газ-воздух, а также функцией термокоррекции.

Настроечный коэффициент является функцией расхода газовоздушной смеси:

Настройка соотношения газ-воздух заключается в построении функции коэффициента k_p от текущего расхода газовоздушной смеси таким образом, чтобы корректировать теоретическое значение требуемого сигнала расхода газа во всем диапазоне тепловой мощности. То есть для настройки соотношения газ-воздух за основу принято каноническое уравнение прямой линии на плоскости.

В электронном блоке управления 2 коррекция показания сенсоров объемного расхода газа 9 и газовоздушной смеси 12 осуществляется следующим образом: головка таких сенсоров снабжена корректирующим термистором или внешним датчиком для считывания температуры измеряемой среды.

Функция коррекции значения сигнала сенсора объемного расхода газа 9 и газовоздушной смеси 12 принимает следующий вид:

где

k - среднее арифметическое разностей между значениями сигналов сенсора объемного расхода на каждый градус;

- значение сигнала с корректирующего термистора при комнатной температуре;

t' - текущее значение сигнала с корректирующего термометра.

Среднее арифметическое разностей между значениями сигналов сенсора объемного расхода газа 9 и газовоздушной смеси 12 на каждый градус k определяется следующим образом:

Заслонка 7 устанавливается в положение, соответствующее розжигу. На заслонке 7 выполнен зубчатый сектор 18 (либо заслонка в целом представляет собой зубчатое колесо), в зацеплении с которым находится шестерня шагового двигателя, при повороте которой передается вращение на заслонку 7, соответственно, изменяется сечение дросселя 6.

Далее открывается электромагнитный клапан 1, являющийся запорным устройством. Сенсор объемного расхода газа 9 регистрирует расход газа через подводящий газовый патрубок 5 к дросселю 6.

Попадая в дроссель 6, поток газа направляется в зауженное сечение, образованное круговым пазом заслонки и отверстием 19 для вращения заслонки 7 в дросселе 6. Таким образом устанавливается необходимый объемный расход газа.

При дросселировании газа на заслонке 7 основная часть газа разделяется на три части:

1) часть газа проходит через сечение дросселя 6 и попадает во внутренний патрубок 24 в сопле Вентури 23 завихрителя 8;

2) часть отраженного от заслонки 7 газа попадает по коаксиальному каналу трубка 24 в области разряжения сопла Вентури 23;

3) часть газа протекает по спиральным каналам 15 дросселя 6 к началу радиальных лопаток 21 завихрителя 8, где захватывается потоком воздуха и попадает в завихритель 8, тем самым обеспечивая герметичность устройства.

Шаговый двигатель стремится установить заслонку 7 дросселя 6 таким образом, чтобы разница между текущим значением сигнала сенсора объемного расхода газа 9 и теоретически необходимым значением была минимальной или стремилась к нулю.

Целевая функция для регулирования объемного расхода газа имеет следующий вид:

Теоретически необходимое значение сигнала сенсора объемного расхода газа 9 определяется следующим выражением:

где

- теоретически необходимый сигнал сенсора объемного расхода газа 9 по значению;

- текущее значение расхода газовоздушной смеси (сигнал сенсора объемного расхода газовоздушной смеси 12 за вентилятором 3);

- текущее значение расхода газа на входе в горелочный узел (сигнал сенсора объемного расхода газа 9);

n - нулевое значение сигнала сенсора объемного расхода газа 9 в покое, при отсутствии расхода, при комнатной температуре;

S_c - площадь сечения контрольного участка, в котором расположен сенсор объемного расхода газовоздушной смеси 12, мм²;

S_г - площадь сечения контрольного участка, в котором расположен сенсор объемного расхода газа 9, мм²;

k_p - настроечный коэффициент по выражению (1).

Алгоритм работы заявляемого устройства имеет следующий порядок действия во время работы:

1) определение значения по текущему значению сенсора объемного расхода газовоздушной смеси 12;

2) определение коэффициентов регулирования;

3) проверка условия и генерация управляющего воздействия Р (0 - открытие заслонки 7, 1 - закрытие заслонки 7).

При отклонении показаний необходимого расхода газа и текущего расхода газа электронный блок управления 2 дает команду на открытие или закрытие заслонки 7, пока разница между целевым и текущим значением не будет равна нулю. Таким образом поддерживается постоянное соотношение газ-воздух.

При этом соотношение газ-воздух учитывается каждый раз при определении теоретического сигнала сенсора объемного расхода газа 9 и текущего значения сигнала сенсора объемного расхода газовоздушной смеси 12, что позволяет не только поддерживать соотношение газ-воздух, но также обеспечивать это соотношение при изменении тепловой мощности (модуляции).

Заявляемое устройство при его упрощенной конструкции обеспечивает качественную подготовку горючей газовоздушной смеси в рациональном соотношении газ-воздух для полноценного сжигания топлива с избытком воздуха в широком диапазоне мощностей с низкой эмиссией вредных выбросов, что выгодно отличает его среди аналогов.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к устройству сжигания природного газа низкого давления в топках водогрейных котлов. Устройство для полного предварительного смешения природного газа и воздуха содержит последовательно соединенные запорное устройство, подводящий газовый патрубок с сенсором объемного расхода газа низкого давления, дроссель с заслонкой и завихрителем, расположенный на всасывающем патрубке центробежного вентилятора в области разряжения газа, при этом выход центробежного вентилятора соединен с патрубком подачи газовоздушной смеси к горелочной трубе, снабженным сенсором объемного расхода газовоздушной смеси, причем запорное устройство, дроссель с заслонкой с приводом и завихрителем, а также сенсоры объемного расхода газа и газовоздушной смеси соединены с электронным блоком управления, выполненным с возможностью регулирования и поддержания соотношения газ-воздух. Дроссель с заслонкой, завихритель, запорное устройство и подводящий газовый патрубок установлены на несущей пластине, закрепленной на центробежном вентиляторе. Технический результат - повышение качества сжигания природного газа за счет подачи к горелочной трубе подготовленной горючей газовоздушной смеси в рациональном соотношении газ-воздух. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для полного предварительного смешения природного газа и воздуха, характеризующееся тем, что содержит последовательно соединенные запорное устройство, подводящий газовый патрубок с сенсором объемного расхода газа низкого давления, дроссель с заслонкой и завихрителем, расположенный на всасывающем патрубке центробежного вентилятора в области разряжения газа, при этом выход центробежного вентилятора соединен с патрубком подачи газовоздушной смеси к горелочной трубе, снабженным сенсором объемного расхода газовоздушной смеси, причем запорное устройство, дроссель с заслонкой с приводом и завихрителем, а также сенсоры объемного расхода газа и газовоздушной смеси соединены с электронным блоком управления, выполненным с возможностью регулирования и поддержания соотношения газ-воздух.

2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что дроссель с заслонкой, завихритель, запорное устройство и подводящий газовый патрубок установлены на несущей пластине, закрепленной на центробежном вентиляторе.

3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что заслонка выполнена в виде зубчатого колеса или в виде сектора с круговым пазом переменного сечения, снабженного зубчатым сектором.

4. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что с одной стороны завихрителя выполнено сопло Вентури со встроенными в него коаксиальным патрубком, через которое газ подается в завихритель, а с другой стороны выполнено отверстие для подачи газовоздушной смеси в центробежный вентилятор.

5. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что электронный блок выполнен с возможностью управления шаговым двигателем, управляющим заслонкой дросселя.

6. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что электронный блок управления выполнен с возможностью регулирования и поддержания постоянного соотношения газ-воздух в широком диапазоне модуляции тепловой мощности водогрейного котла.