ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2151957

РАДИАЦИОННАЯ ГОРЕЛКА

РАДИАЦИОННАЯ ГОРЕЛКА

Имя изобретателя: Шмелев В.М.; Марголин А.Д. 
Имя патентообладателя: Институт химической физики РАН им. Н.Н. Семенова
Адрес для переписки: 117977, Москва, ул. Косыгина 4, Институт химической физики РАН, патентный отдел
Дата начала действия патента: 1999.03.03 

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. В радиационной горелке, содержащей корпус, инжектор в виде газового сопла со смесительной трубкой и керамическую перфорированную излучающую насадку, керамическая перфорированная излучающая насадка выполнена 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, что повышает экологические и эксплуатационные характеристики и обеспечивает полное сгорание топлива и резкое снижение количества СО в продуктах сгорания, повышение устойчивости горения в широком диапазоне изменения давления топлива.

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 N 5174744 от 29.12.92) с низкими выбросами CO 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 CO в CO2, уменьшая выбросы CO в атмосферу, при этом экран устанавливается над горелочной плитой на расстоянии, зависящем от длины пламени.

Недостатком такой горелки являются 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 (авторское свидетельство N 2066023, кл. 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 является 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 повышенной тепловой мощности с температурой излучателя 1473-1723K (А.К.Родин. Газовое лучистое отопление. Л.: Недра, 1987, с. 21-23, рис.2.4) с керамической насадкой, имеющей ряд прямоугольных щелей, выполненных по типу плоского внезапного расширения.

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. Другими недостатками являются слабая механическая прочность длинных тонких перегородок между каналами, а также (из-за их прогрева) широкая диаграмма направленности излучения.

Наиболее близким техническим решением по технической сущности и достигаемому результату является горелка инфракрасного излучения, содержащая корпус с примыкающим к нему рефлектором, инжектор в виде газового сопла и размещенной во входном участке корпуса смесительной трубки, отражатель, выполненный напротив выходного среза последней, и размещенные в выходном участке корпуса с образованием камеры горения керамическая излучающая насадка с плоской входной и излучающей поверхностями и сетка-экран (авторское свидетельство N 2084762, кл. F 23 D 14/12, 1994).

Сгорание топливно-воздушной смеси в этой горелке происходит в основном в приповерхностной зоне внутри каналов и на поверхности излучающей насадки, а дожигание несгоревших составляющих - в пространстве между керамической насадкой и сеткой-экраном. Сетка-экран увеличивает радиационный КПД горелки. Однако применение сетки приводит к возрастанию гидравлического сопротивления тракта, ограничивает продолжительность службы горелки и не обеспечивает достаточное снижение выбросов СО в атмосферу. Использование рефлектора по периметру горелки также не является достаточно эффективным, хотя и несколько улучшает диаграмму направленности излучения.

Задачей изобретения является создание высокоэффективной радиационной горелки, обладающей повышенными экологическими и эксплуатационными характеристиками, которая обеспечивает полное сгорание топлива и резкое снижение количества СО в продуктах сгорания, повышение устойчивости горения в широком диапазоне изменения давления топлива, увеличение ее радиационного КПД, улучшение диаграммы направленности излучения и позволяет, кроме того, расширять область ее применения.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в радиационной горелке, содержащей корпус, инжектор в виде газового сопла со смесительной трубкой и керамическую перфорированную излучающую насадку, керамическая перфорированная излучающая насадка выполнена 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.

Конструктивные особенности предлагаемой горелки обеспечивают возникновение 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 и происходит полное завершение химических реакций, при этом благодаря низкому гидравлическому сопротивлению из-за отсутствия сетки-экрана (функцию экрана выполняет сама насадка) повышается устойчивость горения в широком диапазоне изменения давления топлива, а благодаря излучению или хорошему отражению от протяженных стенок полостей насадки существенно улучшается диаграмма направленности излучения, т.е. насадка является одновременно и рефлектором. Кроме того, благодаря объемной конструкции керамической насадки возрастает удельная мощность горелки с единицы выходного сечения. Улучшение экологических и эксплуатационных характеристик предлагаемой горелки позволяет расширять область ее применения.

Предлагаемое техническое решение отображено на прилагаемом чертеже, на котором представлен продольный разрез горелки с объемной керамической насадкой.

РАДИАЦИОННАЯ ГОРЕЛКА

Радиационная горелка состоит из корпуса 1, инжектора в виде газового сопла 2 со смесительной трубкой 3, керамической излучающей насадки 4, выполненной в объемной конфигурации в виде полостей с перфорированным дном и неперфорированными стенками (а), или неперфорированным дном и перфорированными стенками (b), или перфорированными дном и стенками (c, d).

Горелка работает следующим образом. Газ, вытекая из сопла 2 в смесительную трубку 3, инжектирует необходимое количество воздуха, образуя газовоздушную смесь требуемого состава, которая, проникая через перфорированную керамическую насадку, сгорает внутри ее 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 1000-1200oC, что в свою очередь приводит к увеличению радиационного потока с поверхности. Вогнутая форма и большая глубина полостей насадки затрудняют подмешивание холодного окружающего воздуха в зону химической реакции, а сохранение высокой температуры продуктов, но не превышающей 1200oC, на расстоянии порядка 10-20 мм от поверхности обеспечивает полную завершенность химических реакций, в том числе доокисление CO в CO2, и не приводит к образованию заметного количества окислов азота.

Выбранные параметры керамической насадки определяются следующим образом. Глубина вогнутых полостей керамической насадки не менее 10 мм, сопоставимая с протяженностью зоны догорания CO, 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 1 мм) и определяет незначительное гидравлическое сопротивление течению продуктов сгорания, что повышает устойчивость горения в широком диапазоне расхода топлива.

Конструкция объемной насадки с полостями, имеющими линейный профиль поверхности (см. чертеж, а-с), обладает дополнительным достоинством, связанным с технологичностью и простотой изготовления, позволяет решить поставленную задачу и достичь указанный технический результат. Наилучший результат может быть достигнут в более сложной конструкции объемной насадки с полостями, поверхность которых профилируется по специальному закону для достижения одинаковой температуры всей внутренней поверхности полостей насадки (изотермическая стенка (см. чертеж, d) и формирования направленного потока излучения, что является стандартной задачей радиационной динамики.

Экспериментальные исследования показали, что даже в упрощенном конструктивном исполнении предлагаемая радиационная горелка с керамической насадкой в виде одной вогнутой полости шестиугольного постоянного сечения глубиной 50 мм и поперечным размером 55 мм с плоскими перфорированными излучающими стенками имеет высокие энергетические и экологические параметры. Горелка устойчиво работала в широком диапазоне расхода газа вплоть до предельно низкой при удельной тепловой мощности до 30-50 кВт/м2, имела высокую температуру поверхности до 1200oC в штатном режиме работы при радиационном КПД 60-65%, рекордно низкую концентрацию CO в продуктах сгорания - менее 0,0003% и улучшенную диаграмму направленности излучения. Увеличение количества вогнутых полостей в насадке приводит к повышению эффективности эксплуатационных параметров горелки.

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 CO, повышения устойчивости горения в широком диапазоне изменения давления топлива, увеличения ее радиационного КПД и улучшения диаграммы направленности излучения. 

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Радиационная горелка, содержащая корпус, инжектор в виде газового сопла со смесительной трубкой и керамическую перфорированную излучающую насадку, отличающаяся тем, что керамическая перфорированная излучающая насадка выполнена 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.

Версия для печати
Дата публикации 29.01.2007гг


вверх