ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2272219

РАДИАЦИОННАЯ ГОРЕЛКА

РАДИАЦИОННАЯ ГОРЕЛКА

Имя изобретателя: Шмелев Владимир Михайлович 
Имя патентообладателя: Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН (RU); Шмелев Владимир Михайлович
Адрес для переписки: 119991, Москва, ул. Косыгина, 4, Институт химической физики РАН, патентный отдел
Дата начала действия патента: 2004.10.14 

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к радиационным горелкам, может применяться для бытовых и промышленных нужд в различных теплоэнергетических установках, в бытовых и коммунально-бытовых газовых плитах, обогревателях, сушилках, печах и повышает экологические и эксплуатационные характеристики горелки, так как обеспечивает полное сгорание топлива и резкое снижение количества СО в продуктах сгорания. Радиационная горелка содержит корпус, инжектор в виде газового сопла со смесительной трубкой и керамическую перфорированную излучающую насадку, выполненную в виде полостей с поперечным размером и глубиной не менее 10 мм, при этом керамическая перфорированная излучающая насадка выполнена в виде одной двухступенчатой полости или множества двухступенчатых полостей-сот или в виде системы двухступенчатых концентрических кольцевых полостей, причем диаметр или поперечный размер выходного сечения верхней ступени не более чем в 1.5 раза превосходит диаметр или поперечный размер выходного сечения нижней ступени, и высота верхней ступени составляет 0,05-0,95 от полной глубины полости, при этом перфорированными являются дно и стенки нижней ступени полости.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к радиационным горелкам, и может применяться для бытовых и промышленных нужд в различных теплоэнергетических установках, в бытовых и коммунально-бытовых газовых плитах, обогревателях, сушилках, печах.

Известна промышленная горелка (патент США №5174744 от 29.12.92 г.) с низкими выбросами СО и NOx в атмосферу, которая состоит из узла смешения топлива и окислителя, перфорированной керамической плиты (насадки), над которой происходит сжигание газа, и легкого сетчатого экрана, который, нагреваясь пламенем горелки, увеличивает температуру излучающей поверхности насадки и способствует окислению СО в СО2, уменьшая выбросы СО в атмосферу, при этом экран устанавливается над горелочной плитой на расстоянии, зависящем от длины пламени.

Недостатком такой горелки является недостаточное снижение выброса окиси углерода, слабая механическая прочность легкого сетчатого экрана и его покрытия в виде специальной керамической пены, а также существенное усложнение изготовления горелки.

Известна радиационная горелка (RU №2066023, F 23 D 14/12, 1994), содержащая корпус с перфорированной крышкой, играющей роль радиационного экрана, снабженной в выходном участке корпуса излучающей насадкой.

Недостатком такой горелки являются высокие требования к термической и окислительной стойкости крышки-экрана, определяющие необходимость использования дорогих сортов никелевых сталей. Наличие крышки-экрана увеличивает гидравлическое сопротивление, ухудшает устойчивость горения на низких давлениях топлива и не обеспечивает снижения окиси углерода в продуктах сгорания ниже 0,008%.

Известна промышленная горелка для сжигания перемешанных газовых смесей повышенной тепловой мощности с температурой излучателя 1473-1723К и с керамической насадкой, имеющей ряд прямоугольных щелей, выполненных по типу плоского внезапного расширения (А.К.Родин, Газовое лучистое отопление. Л.: Недра, 1987, с.21-23, рис.2.4).

Недостатком такой щелевой горелки является возникновение проскока пламени при снижении удельной тепловой нагрузки из-за чрезмерной ширины каналов и осуществление в пространстве между перегородками при высокой тепловой нагрузке факельного режима горения с повышенной температурой в зоне горения, приводящей к увеличению окислов азота в продуктах сгорания. Другим недостатком является слабая механическая прочность длинных тонких перегородок между каналами.

Наиболее близким решением по технической сущности и достигаемому результату является горелка инфракрасного излучения, содержащая корпус, инжектор в виде газового сопла со смесительной трубкой и керамическую перфорированную излучающую насадку, выполненную с возможностью исполнения дополнительно функций экрана и рефлектора, для чего она выполнена в объемной конфигурации в виде полостей с поперечным размером и глубиной не менее 10 мм, причем перфорированными являются только дно полостей или только стенки, или стенки и дно (патент РФ №2151957, кл. F 23 D 14/12, 2000 г.) (прототип).

Сгорание топливно-воздушной смеси в такой горелке происходит в основном в приповерхностной зоне внутри полостей керамической перфорированной излучающей насадки, а дожигание несгоревших составляющих - вдали от стенок в объеме полостей керамической перфорированной излучающей насадки.

Недостатком горелки-прототипа является неравномерность дожигания несгоревших составляющих по высоте полости и даже полное отсутствие дожигания части несгоревших составляющих, образующихся вблизи выходного сечения полости.

Задачей изобретения является создание высокоэффективной радиационной горелки, обладающей повышенными экологическими и эксплуатационными характеристиками, которая обеспечит полное сгорание топлива и резкое снижение количества СО в продуктах сгорания, повышение устойчивости горения в широком диапазоне изменения давления газа, увеличение радиационного КПД и позволит, кроме того, расширить область применения радиационной горелки.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемой радиационной горелкой, содержащей корпус, инжектор в виде газового сопла со смесительной трубкой и керамическую перфорированную излучающую насадку, выполненную в виде одной двухступенчатой полости или множества двухступенчатых полостей-сот или в виде системы двухступенчатых концентрических кольцевых полостей с поперечным размером и глубиной не менее 10 мм, при этом диаметр или поперечный размер выходного сечения верхней ступени полости не более чем в 1.5 раза превосходит диаметр или поперечный размер выходного сечения нижней ступени полости, и высота верхней ступени составляет 0,05-0,95 от полной глубины полости, причем перфорированными являются дно и стенки нижней ступени полости.

Отверстия в нижней перфорированной ступени одной двухступенчатой полости или множества двухступенчатых полостей-сот могут быть выполнены под углом от 0 до 90° к радиусу внутренней поверхности полости (проведенному к отверстию).

Нижняя перфорированная ступень полости может быть выполнена из пористой керамики.

Нижняя ступень полости может быть выполнена в виде набора кольцевых элементов из керамики или металла с зазором между ними не более 2 мм и с возможностью исполнения дополнительной функции завихрителя газа.

Конструктивные особенности предлагаемой горелки обеспечивают сжигание газовой смеси в полостях в условиях сильной радиационной обратной связи от стенок полостей насадки и исключают подмешивание холодного окружающего воздуха в зону горения, вследствие чего температура внутренней поверхности излучающих полостей насадки повышается, то есть увеличивается радиационный КПД, а двухступенчатая конструкция полостей гарантирует полное дожигание несгоревших составляющих газа в рециркуляционной зоне во второй ступени полости, при этом благодаря низкому гидравлическому сопротивлению из-за отсутствия сетки-экрана (функцию экрана выполняет сама насадка) и рециркуляции части газа повышается устойчивость горения в широком диапазоне изменения давления топлива. Кроме того, благодаря объемной конструкции керамической насадки возрастает удельная мощность горелки с единицы выходного сечения. Улучшение экологических и эксплуатационных характеристик предлагаемой горелки позволяет расширить область ее применения.

Осуществление подачи газовой смеси через отверстия в перфорированной насадке, выполненные тангенциально (угол 90°) к радиусу внутренней поверхности полости или под любым углом к радиусу в пределах от 0 до 90° (радиус проведен к отверстию), или осуществление тангенциального движения газовой смеси в зазорах насадки, выполненной в виде набора кольцевых элементов, увеличивает время пребывания продуктов сгорания внутри полостей, что приводит к более полному завершению химических реакций горения.

Конструкция нижней перфорированной ступени полости из пористой керамики существенно упрощает и удешевляет технологию изготовления горелок.

Устройство предлагаемой радиационной горелки отображено на прилагаемом чертеже (фиг.1), на котором представлен продольный разрез горелки с объемной керамической насадкой.

РАДИАЦИОННАЯ ГОРЕЛКА

Радиационная горелка (фиг.1) состоит из корпуса 1, инжектора в виде газового сопла 2 со смесительной трубкой 3, керамической излучающей насадки 4, выполненной в двухступенчатой объемной конфигурации в виде множества двухступенчатых полостей-сот с перфорированным дном и стенками нижней ступени полости 5 и верхней ступени полости 6 большего диаметра с неперфорированными стенками.

Излучающая насадка 4, выполненная в виде системы двухступенчатых концентрических кольцевых элементов с зазором между ними, состоит из нижней ступени 5 и верхней ступени большего диаметра 6 насадки 4 (фиг.2).

Горелка работает следующим образом. Газ, вытекая через сопло 2 и смесительную трубку 3, инжектирует необходимое количество воздуха, образуя газовоздушную смесь требуемого состава, которая затем поступает через перфорированную нижнюю ступень керамической насадки (через ее каналы под углом от 0 до 90° к радиусу внутренней поверхности полости) и сгорает внутри полостей вблизи внутренней поверхности. Поверхность полостей насадки раскаляется до высокой температуры, являясь источником мощного инфракрасного излучения. Часть излучения запирается в вогнутых полостях, поглощается излучающими стенками и увеличивает их температуру до 1000-1200°С, что в свою очередь приводит к увеличению радиационного потока с поверхности. Затем продукты сгорания проходят через верхнюю ступень керамической насадки, выполненную в виде неперфорированной части полости большего диаметра. При перетекании продуктов сгорания из нижней ступени полости в верхнюю при резком изменении диаметра сечения вблизи стенок в нижней части верхней ступени возникают рециркуляционные течения (завихрения), в результате чего время пребывания пристеночных слоев продуктов сгорания при высокой температуре увеличивается. Это приводит к дожиганию несгоревших составляющих, образующихся, особенно, при горении газа в верхней части перфорированной ступени насадки. Вогнутая форма и большая глубина полостей насадки затрудняет подмешивание холодного окружающего воздуха в зону химической реакции, а сохранение высокой температуры продуктов внутри обеих ступеней полости, но не превышающей 1200°С, на расстоянии порядка 10 мм от поверхности обеспечивает полную завершенность химических реакций, в том числе доокисление СО в СО2 , и не приводит к образованию заметного количества окислов азота.

В конструкции газовой горелки при подаче газовой смеси через отверстия в перфорированной ступени насадки, выполненные тангенциально или под углом к радиусу внутренней поверхности полости (изменение угла в пределах от 0 до 90°), или в конструкции газовой горелки с насадкой, перфорированная часть которой выполнена в виде набора кольцевых элементов из керамики или металла с зазором между ними не более 2 мм и с возможностью исполнения дополнительной функции завихрителя газа, продукты сгорания внутри радиационной полости двигаются по спиральным траекториям, время их пребывания внутри полости увеличивается, и это приводит к более полному завершению химических реакций внутри полости.

Выбранные параметры керамической насадки определяются следующим образом. Глубина вогнутых полостей керамической насадки, включающая протяженность нижней перфорированной и верхней неперфорированной частей насадки, не менее 10 мм, сопоставимая с протяженностью зоны догорания СО, обеспечивает полную завершенность химических реакций в условиях, исключающих их «закалку» из-за устранения проникновения холодного окружающего воздуха в зону химической реакции. Большой поперечный размер полостей, не менее 10 мм, делает возможным перфорирование дна и стенок полостей насадки большим количеством цилиндрических каналов малого диаметра (менее 2 мм) и определяет незначительное гидравлическое сопротивление течению продуктов сгорания, что повышает устойчивость горения в широком диапазоне расхода топлива.

Конструкция объемной насадки с полостями, перфорированная часть которой выполнена в виде набора кольцевых элементов с зазором между ними (см. фиг.2), обладает дополнительным достоинством, связанным с технологичностью и простотой изготовления, позволяет решить поставленную задачу и достичь указанный технический результат.

Экспериментальные исследования предлагаемой радиационной горелки, реализованной в виде опытного образца и выполненной в виде одной вогнутой полости шестиугольного постоянного сечения полной глубиной 50 мм и поперечным размером нижней ступени 55 мм с плоскими перфорированными излучающими стенками высотой 40 мм и неперфорированной верхней ступенью с поперечным размером 65 мм и высотой 10 мм, показали, что такая горелка обладает высокими энергетическими и экологическими параметрами. Сжигание газа проходило при устойчивой работе горелки в широком диапазоне расхода газа, вплоть до предельно низкой при удельной тепловой мощности до 30-50 квт/м2, при этом достигалась высокая температура поверхности - до 1200°С в штатном режиме работы при радиационном КПД 60-65% и рекордно низкая концентрация СО в продуктах сгорания - менее 0,0001%.

Аналогичные результаты получены при сжигании газа при использовании излучающей насадки, перфорированная часть которой выполнена в виде набора кольцевых элементов из металла с зазором между ними 0,8 мм.

Таким образом, все конструктивные элементы горелки направлены на решение поставленной задачи и достижение указанного технического результата - повышение экологических и эксплуатационных характеристик горелки путем обеспечения полного сгорания топлива и резкого снижения количества СО, повышение устойчивости горения в широком диапазоне изменения давления топлива, увеличение ее радиационного КПД, а также обеспечение технологичности и простоты изготовления горелки.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Радиационная горелка, содержащая корпус, инжектор в виде газового сопла со смесительной трубкой и керамическую перфорированную излучающую насадку, выполненную в виде одной двухступенчатой полости, или множества двухступенчатых полостей-сот, или в виде системы двухступенчатых концентрических кольцевых полостей с поперечным размером и глубиной не менее 10 мм, при этом диаметр или поперечный размер выходного сечения верхней ступени полости не более чем в 1.5 раза, превосходит диаметр или поперечный размер выходного сечения нижней ступени полости и высота верхней ступени составляет 0,05-0,95 от полной глубины полости, причем перфорированными являются дно и стенки нижней ступени полости.

2. Радиационная горелка по п.1, отличающаяся тем, что отверстия в нижней перфорированной ступени одной двухступенчатой полости или множества двухступенчатых полостей-сот выполнены под углом от 0 до 90° к радиусу внутренней поверхности полости.

3. Радиационная горелка по п.1, отличающаяся тем, что нижняя перфорированная ступень полости выполнена из пористой керамики.

4. Радиационная горелка по п.1, отличающаяся тем, что нижняя перфорированная ступень полости выполнена в виде набора кольцевых элементов из керамики или металла с зазором между ними не более 2 мм и с возможностью исполнения дополнительной функции завихрителя газа.

Версия для печати
Дата публикации 29.01.2007гг


вверх