ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2151956

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, керамическую перфорированную излучающую насадку и радиационный экран, радиационный экран выполнен в виде набора протяженных геометрических элементов, например пластин, цилиндров, изготовленных из кварца или керамики, образующих ячейки-отверстия с поперечным размером ячеек не менее 10 мм и высотой не менее поперечного размера ячеек, имеющие относительное суммарное проходное сечение более 0,8, и удален от поверхности насадки на расстояние, не превышающее поперечный размер ячеек, но не более одной трети поперечного размера насадки, что обеспечивает полноту сгорания топлива и резкое снижение количества СО в продуктах сгорания, повышение устойчивости горения в широком диапазоне изменения давления топлива, увеличение радиационного КПД, улучшение диаграммы направленности излучения и расширение области применения горелки.

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 29.12.92г.) 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 матрицы и способствует окислению СО в CO2, уменьшая выбросы СО в атмосферу, при этом экран устанавливается над горелочной плитой на расстоянии, зависящем от длины пламени.

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

Известна радиационная горелка (авторское свидетельство N 2066023, кл. 6 F 23 D 14/12, 1994), содержащая корпус с перфорированной крышкой, играющей роль радиационного экрана, снабженный 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%.

Наиболее близким техническим решением 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 керамическую излучающую насадку с плоской входной и излучающей поверхностями и сетку-экран (авторское свидетельство N 2084762, кл. 6 F 23 D 14/12, 1994). Сгорание топливно-воздушной смеси в этой горелке происходит в основном в при поверхностной зоне внутри каналов и на поверхности излучающей насадки, а дожигание несгоревших составляющих в пространстве между керамической матрицей и сеткой-экраном. Применение сетки-экрана увеличивает радиационный КПД горелки. Однако применение сетки увеличивает гидравлическое сопротивление тракта, ограничивает продолжительность службы горелки и не обеспечивает достаточное снижение выбросов CO в атмосферу. Использование рефлектора по периметру горелки также не является достаточно эффективным, хотя и несколько улучшает диаграмму направленности излучения.

Задачей изобретения является создание горелки, обладающей повышенными экологическими и эксплуатационными характеристиками, которая сможет обеспечить полноту сгорания топлива и резкое снижения количества CO в продуктах сгорания, повышение устойчивости горения в широком диапазоне изменения давления топлива, увеличение радиационного КПД, улучшение диаграммы направленности излучения и расширение области применения горелки.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в радиационной горелке, содержащей корпус, инжектор в виде газового сопла со смесительной трубкой, керамическую перфорированную излучающую насадку и радиационный экран, радиационный экран выполнен в виде набора протяженных геометрических элементов, например пластин, цилиндров, изготовленных из кварца или керамики, образующих ячейки-отверстия с поперечным размером ячеек не менее 10 мм и высотой не менее поперечного размера ячеек, имеющие относительное суммарное проходное сечение более 0,8, и удален от поверхности насадки на расстояние, не превышающее поперечный размер ячеек, но не более одной трети поперечного размера насадки.

До настоящего времени радиационные экраны, устанавливаемые над поверхностью насадки в радиационных горелках, обычно изготавливались в виде металлической сетки или тонкой перфорированной металлической пластины. Неожиданно оказалось, что при выполнении радиационного экрана в виде протяженных геометрических элементов из керамического или кварцевого материала эксплуатационные и экологические характеристики горелки резко возрастают. В предложенной радиационной горелке благодаря большой высоте ячеек экрана значительная часть радиационного потока с поверхности излучающей насадки отражается стенками ячеек экрана назад, а зона горения над поверхностью насадки изолируется от подмешивания холодного окружающего воздуха, что приводит к увеличению температуры поверхности излучающей насадки и температуры продуктов сгорания до величины, обеспечивающей полное завершение химических реакций перед экраном и внутри ячеек экрана. Кроме того, протяженность элементов экрана улучшает диаграмму направленности излучения благодаря отсечению бокового излучения, что позволяет экрану выполнять дополнительную функцию рефлектора, а высокое относительное суммарное проходное сечение ячеек-отверстий экрана (более 0,8) обусловливает низкое гидравлическое сопротивление течению продуктов сгорания, что приводит к повышению устойчивости горения в широком диапазоне изменения давления топлива. Следует отметить, что в обычных плоских экранах при увеличении относительного суммарного проходного сечения выше 0,5 резко снижается отражательная способность экрана. Высокие эксплуатационные и экологические характеристики горелки, а также хорошая диаграмма направленности излучения расширяют область применения горелки, как мощного источника инфракрасного излучения.

РАДИАЦИОННАЯ ГОРЕЛКА

Предлагаемое техническое решение отображено на прилагаемом чертеже, на котором представлен продольный разрез горелки (а) и вид сверху экрана, выполненного в виде набора цилиндров.

Предлагаемая радиационная горелка содержит корпус 1, инжектор, выполненный в виде газового сопла 2 со смесительной трубкой 3, керамическую перфорированную излучающую насадку 4 и радиационный экран 5, выполненный в виде набора протяженных геометрических элементов, например пластин, цилиндров, изготовленных из кварца или керамики, образующих ячейки-отверстия с поперечным размером ячеек не менее 10 мм и высотой не менее поперечного размера ячеек, имеющие относительное суммарное проходное сечение более 0,8. Экран установлен на расстоянии H, не превышающем поперечный размер ячеек, но не более одной трети поперечного размера насадки.

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 перфорированные стенки керамической насадки, сгорает вблизи ее поверхности. Продукты сгорания из зоны горения проходят через ячейки радиационного экрана, устанавливаемого непосредственно над поверхностью насадки, который благодаря существенной протяженности его элементов предотвращает проникновение холодного воздуха в зону реакции, обеспечивает полную завершенность химических реакций в условиях, исключающих закалку продуктов неполного превращения из-за их смешения с холодным воздухом, а большое относительное суммарное проходное сечение, определяющее незначительное гидравлическое сопротивление течению продуктов сгорания, обеспечивает повышение устойчивости горения в широком диапазоне изменения давления топлива.

Поверхность насадки раскаляется до высокой температуры, являясь источником мощного инфракрасного излучения. Радиационный поток с поверхности насадки проходит через протяженные ячейки радиационного экрана, удаленного от поверхности насадки на расстояние, не превышающее поперечный размер ячеек, при этом часть излучения отражается стенками ячеек назад и поглощается поверхностью насадки, увеличивая ее температуру и температуру продуктов сгорания до величины 1000-1200oC. Это в свою очередь приводит к дополнительному увеличению радиационного потока с поверхности насадки и увеличению радиационного КПД горелки, а сохранение высокой температуры продуктов сгорания на расстоянии порядка 10 мм от поверхности насадки перед экраном и внутри ячеек экрана обеспечивает полную завершенность химических реакций, в том числе доокисление CO в CO2. Протяженный экран уменьшает потери тепла и излучения вбок, формируя тепловую струю продуктов сгорания и направленный поток излучения, выполняя дополнительную функцию рефлектора.

Выбранные параметры радиационного экрана определяются следующим образом. Поперечный размер ячеек не менее 10 мм при относительном проходном сечении более 0,8 обеспечивает незначительное гидравлическое сопротивление течению продуктов сгорания, обеспечивая устойчивую работу горелки в широком диапазоне расхода топлива. Высота радиационного экрана не менее поперечного размера ячеек обеспечивает полную завершенность химических реакций в условиях, исключающих их "закалку" из-за устранения проникновения холодного окружающего воздуха в зону догорания CO, и обеспечивает отражение значительной части радиационного потока на поверхность излучающей насадки, приводит к уменьшению потерь тепла и излучения вбок и формированию тепловой струи продуктов сгорания и направленного потока излучения. Удаление экрана от поверхности насадки на расстояние, не превышающее поперечный размер ячеек, обеспечивает достаточную прозрачность экрана для выходящего излучения.

Изготовление геометрических элементов экрана из распространенных сортов кварца или термостойкой керамики обуславливает дешевизну и долгоживучесть экрана, а также хорошие оптические характеристики стенок ячеек (достаточную отражающую способность и малый для кварца коэффициент пропускания инфракрасного излучения в области более 2-2.5 мкм). Ячеистая структура конструкции экрана обеспечивает его высокую прочность.

Экспериментальное исследование радиационной горелки с выбранными параметрами радиационного экрана показало ее высокую эффективность. При установке радиационного экрана, выполненного в виде набора из 24 тонкостенных кварцевых цилиндров высотой 30 мм, диаметром 16 мм, на расстоянии 5 мм от поверхности стандартной плоской перфорированной керамической насадки с каналами диаметром 1 мм привело к увеличению температуры излучающей поверхности на 200-250oC, росту радиационного КПД до 60% и снижению концентрации окиси углерода в 20 раз. Горелка устойчиво работала в широком диапазоне расхода газа, вплоть до низкой удельной тепловой мощности 50-100 кВт/м2 и отличалась хорошей диаграммой направленности излучения за счет существенного уменьшения бокового излучения.

Таким образом, заявленное техническое решение конструкции горелки направлено 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, керамическую перфорированную излучающую насадку и радиационный экран, отличающаяся тем, что радиационный экран выполнен в виде набора протяженных геометрических элементов, например пластин, цилиндров, изготовленных из кварца или керамики, образующих ячейки-отверстия с поперечным размером ячеек не менее 10 мм и высотой не менее поперечного размера ячеек, имеющих относительное суммарное проходное сечение более 0,8, и удален от поверхности насадки на расстояние, не превышающее поперечный размер ячеек, но не более одной трети поперечного размера насадки.

Версия для печати
Дата публикации 21.03.2007гг


вверх