радиационная горелка

Формула изобретения

1. Радиационная горелка, содержащая корпус, перфорированную излучающую насадку, выполненную в виде полости, размещенной в корпусе, и систему подвода топливовоздушной смеси, отличающаяся тем, что перфорированная излучающая насадка имеет две излучающие поверхности, размещенные с зазором относительно друг друга, причем внешняя излучающая поверхность образована металлической сеткой, а внутренняя излучающая поверхность образована перфорированной металлической лентой или крупноячеистой металлической сеткой, размеры ячеек которой превышают размеры ячеек сетки, образующей внешнюю излучающую поверхность.

2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что излучающие поверхности имеют цилиндрическую форму и установлены вертикально и соосно друг с другом.

3. Горелка по п.2, отличающаяся тем, что нижние края сетки из термостойкого материала, образующей внешнюю излучающую поверхность, отогнуты внутрь, образуя кольцевой бортик, на который уложен слой термоизоляции, служащий основанием для радиационного отражателя, причем нижние края перфорированной металлической ленты, образующей внутреннюю излучающую поверхность, установлены с зазором относительно радиационного отражателя.

4. Горелка по п.3, отличающаяся тем, что радиационный отражатель выполнен в виде металлической пластины с полированной поверхностью, обращенной к внутренней излучающей поверхности.

5. Горелка по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающаяся тем, что ячейки сетки, образующей внешнюю излучающую поверхность, имеют размеры 0,4-0,8 мм.

6. Горелка по п.5, отличающаяся тем, что диаметр отверстий перфорированной металлической ленты выбран в интервале 3-10 мм.

7. Горелка по п.6, отличающаяся тем, что размер зазора между внешней и внутренней излучающими поверхностями выбран в интервале 3-10 мм.

Описание изобретения к патенту

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

Известна промышленная горелка с низким выбросом СО и NOx в атмосферу, которая состоит из узла смешения топлива и окислителя (воздуха), перфорированной керамической плиты (насадки), на поверхности которой происходит сжигание газа, и легкого сетчатого экрана, который, нагреваясь от насадки, увеличивает температуру излучающей поверхности насадки и способствует окислению СО в СО₂, уменьшая выбросы СО в атмосферу.

Недостатком такой горелки является недостаточное снижение выбросов СО в атмосферу, слабая механическая прочность легкого сетчатого экрана и его покрытия в виде специальной керамической пены, а также сложность изготовления горелки.

Ранее предпринимались попытки использовать ИК-горелки с плоской керамической матрицей или плоскую сетчатую горелку в качестве нагревательных устройств в бытовых газовых плитах. Однако, несмотря на явные преимущества по экологическим и экономическим характеристикам, по сравнению с горелками открытого пламени данные конструкции оказались неработоспособными из-за одного существенного недостатка. Открытая плоская излучающая рабочая поверхность (сетка или проницаемая керамика) легко подвержена загрязнению вследствие случайного попадания на нее органической пищи. Образование коксового остатка на раскаленной матрице приводит к выходу ее из строя. Керамическая матрица в отличие от металлической обладает дополнительными недостатками - слабой механической и термической прочностью. Она легко растрескивается при попадания воды на ее раскаленную поверхность.

Наиболее близким решением по технической сущности и достигаемому результату является радиационная горелка, содержащая корпус, систему подвода топливовоздушной смеси и перфорированную излучающую насадку, выполненную в виде полости, установленную в корпусе и имеющую окно для вывода излучения (см. патент РФ №2272219, F23D 14/12, 2006 г.).

Однако и данная горелка не может быть использована в качестве нагревательного устройства в бытовых газовых плитах по рассмотренным выше причинам.

Задача изобретения состояла в разработке такой конструкции радиационной горелки, которая может быть использована в качестве нагревательного устройства в бытовых газовых плитах без повреждения перфорированной излучающей насадки вследствие случайного попадания на нее органической пищи или воды.

Указанная задача решается тем, что предложена радиационная горелка, содержащая корпус, перфорированную излучающую насадку, выполненную в виде полости, размещенной в корпусе, и систему подвода топливовоздушной смеси, в которой согласно изобретению перфорированная излучающая насадка имеет две излучающие поверхности, размещенные с зазором относительно друг друга, причем внешняя излучающая поверхность образована металлической сеткой из термостойкого материала, а внутренняя излучающая поверхность образована перфорированной металлической лентой или металлической сеткой, размеры ячеек которой превышают размеры ячеек сетки, образующей внешнюю излучающую поверхность.

В предпочтительном варианте выполнения горелки излучающие поверхности имеют цилиндрическую форму и установлены вертикально и соосно друг другу.

Другим отличием горелки является то, что нижние края сетки из термостойкого материала, образующей внешнюю излучающую поверхность, отогнуты внутрь, образуя внутренний кольцевой бортик, на который уложен слой теплоизоляции, служащий основанием для радиационного отражателя, причем нижние края перфорированной металлической ленты, образующей внутреннюю излучающую поверхность, установлены с зазором относительно радиационного отражателя.

Еще одним отличием горелки является то, что радиационный отражатель выполнен в виде металлической пластины с полированной поверхностью, обращенной к внутренней излучающей поверхности.

В числе отличий горелки следует отметить то, что ячейки сетки, образующей внешнюю излучающую поверхность, имеют размеры в интервале 0,4-0,8 мм.

Другим отличием горелки является то, что диаметр отверстий перфорированной металлической ленты, образующей внутреннюю излучающую поверхность, выбран в интервале 3-10 мм.

Еще одним отличием горелки является то, что размер зазора между внешней и внутренней излучающими поверхностями выбран в интервале 3-10 мм.

Технический результат от использования изобретения состоит в том, что вследствие охарактеризованных выше особенностей выполнения радиационной горелки исключается повреждение перфорированной излучающей насадки горелки из-за случайного попадания на нее органической пищи или воды. Как следствие данная горелка может быть использована в качестве нагревательного устройства в бытовых газовых плитах.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 представлена радиационная горелка в продольном разрезе. На фиг.2 представлена в графической форме экспериментально полученная зависимость параметров горелки от мощности горения при размере сопла инжектора 0,6 мм. На фиг.3 представлена зависимость параметров горелки от мощности горения при размере сопла инжектора 1,1 мм. На фиг.4 в графической форме представлены данные по изменению со временем температуры воды при нагреве на газовой плите «Гефест» (1) с обычной газовой горелкой «голубого пламени» и с помощью радиационной горелки (2).

Горелка содержит корпус 1 с кольцевой крышкой 2, на которой закреплены верхние края цилиндрической сетки 3 из термостойкого материала, например из нержавеющей стали, образующей внешнюю излучающую поверхность горелки. На крышке 2 закреплены также верхние края цилиндрической перфорированной металлической ленты 4, образующей внутреннюю излучающую поверхность горелки. Нижние края цилиндрической сетки 3 отогнуты внутрь, образуя кольцевой бортик, на который уложен слой теплоизоляции 5, служащий основанием для радиационного отражателя 6. Нижние края перфорированной металлической ленты 4 установлены с зазором относительно радиационного отражателя 6, который выполнен в виде металлической пластины с полированной поверхностью, образованной перфорированной металлической лентой 4.

Корпус 1 снабжен каналом 7 для подвода топливовоздушной смеси. Ячейки сетки 3, из нержавеющей стали, образующей внешнюю излучающую поверхность, имеют размеры 0,4-0,8 мм. Диаметр отверстий перфорированной ленты 4 из нихрома выбран в интервале 3-10 мм. Размер зазора между сеткой 3 и перфорированной лентой 4 из нихрома выбран в интервале 3-10 мм.

Горелка работает следующим образом.

Топливовоздушная смесь подается по каналу 7 в корпусе 1 горелки и из него поступает в зазор между сеткой 3 и перфорированной лентой 4, и осуществляется ручной или автоматический поджиг смеси. При этом в зависимости от расхода топливовоздушной смеси температура внутренней излучающей поверхности устанавливается в пределах от 800°С до 1100°С. Выделяемое при этом ИК-излучение, от внутреннего излучателя и отраженное от поверхности радиационного отражателя 6, выводится из горелки и поступает на поверхность нагреваемого объекта, например кастрюли с водой. При этом наиболее уязвимый для загрязнения элемент горелки - внешний сетчатый излучатель 3 оказывается надежно защищенным от загрязнения внутренним излучателем, выполненным в виде перфорированной металлической ленты 4 или крупноячеистой сетки. Конструкция горелки выполнена разборной, поэтому в случае загрязнения внутреннего излучателя (перфорированной металлической ленты или крупноячеистой сетки) или донного радиационного отражателя 6 они могут быть легко очищены от загрязнения, а в случае необходимости, и заменены.

Были изготовлены два макета радиационной горелки с использованием исключительно металлических элементов. В качестве внешнего излучателя в обеих горелках была использована сетка из нержавеющей стали. В качестве внутреннего излучателя в горелке N ₁ использовалась крупноячеистая сетка, а в горелке N ₂ - перфорированная лента из нихрома.

Диаметр корпуса горелки N₁ составляет 110 мм, высота горелки - 70 мм. Толщина радиационного отражателя 6 составила 0,4 мм. Диаметр цилиндра из сетки 3 с ячейкой 0,6 мм составлял 62 мм, высота - 30 мм. Диаметр излучателя 4 из крупноячеистой сетки составлял 46 мм. Площадь поверхности внешнего излучателя (сетки) составляла 60 см². Для подачи топливовоздушной смеси использовался удлиненный смеситель с принудительной подачей воздуха.

Использование смесителя с принудительной подачей воздуха позволило провести эксперименты с ИК-горелкой в широком интервале изменения мощности горения при фиксированном составе смеси, близком к стехиометрическому. Результаты экспериментов представлены в Таблице 1.

Таблица 1. Рабочие параметры горелки.
Qгаз, л/мин	U л, В	W, кВт	w, кВт/м 2	Ти, °С	Тк, °С	Тз, °С	CO, ppm	NOx, ppm
2	42	1.2	200	818	85	742.3	18.6	3.1
2.67	45	1.6	270	821	98	783.6	10.7	3.5
3.17	50	1.9	320	915	108	830.9	4	4.5
4	55	2.4	400	975	122	905.5	3.3	6.2
4.83	62	2.9	480	1080	147	950.8	5.5	9.8
Обозначения:
Qгаз - расход газа;
U л - напряжение на моторе нагнетателя воздуха;
W, кВт - мощность горелки;
w, кВт/м2 - удельная тепловая нагрузка на внешнем излучателе (сетка);
Ти - температура внутреннего излучателя;
Тк - температура корпуса горелки;
Тз - температура зонда газового анализатора.

Горелка работает устойчиво без проскока пламени за внешний излучатель (сетку) вплоть до значения мощности горения W=2.9 кВт.

Из таблицы видно, что удельная величина мощности горения при этом достигает W=480 кВт/м. С увеличением мощности горения от 1.1 до 2.9 кВт температура излучающей поверхности внутреннего излучателя растет от, примерно, 800 до 1100°С. Пропорционально температуре Т_и увеличивается содержание окислов азота в продуктах сгорания, хотя их абсолютная величина незначительна (менее 10 ppm). Изменение концентрации окисла углерода имеет немонотонный характер. Минимальное значение около 3 ррт достигается при мощности горения 2.4 кВт. С уменьшением температуры горения концентрация СО увеличивается, так как в данной конструкции горелки параметр H/D_V <1, т.е. полость не достаточно глубокая и окисление СО до СО₂ не успевает завершиться в полости при невысокой температуре.

Диаметр корпуса горелки N ₂ составляет 105 мм, высота горелки 42 мм. Толщина радиационного отражателя 0.4 мм. Излучатель из сетки с ячейкой 0.6 мм имел диаметр D_m=80 мм и глубину Н=25 мм. Диаметр внутреннего излучателя D_V=62 мм. Площадь поверхности внешнего излучателя (сетки) S=63 см ². Использовался инжекционный смеситель длиной 150 мм.

Эффективность работы двухсетчатых металлических ИК-горелок зависит от относительной величины живого сечения (S _ж) внутреннего излучателя, где S_ж равно отношению суммарной площади проходных отверстий к полной площади излучателя. В рассматриваемой конструкции горелки N ₂ внутренний излучатель был изготовлен из пластины нихрома толщиной 0,4 мм с шахматным расположением отверстий.

Результаты измерений параметров горелки представлены на фиг.2. Диаметр сопла инжектора выбран 0.6 мм. Давление городского газа в магистрали составляло 120-150 мм водяного столба. С увеличением мощности горения растет температура внутреннего излучателя, достигая при величине W=900 кВт 720°С. Пропорционально температуре Т _и увеличивается содержание окислов азота NOx в продуктах сгорания в пределах от 0.5 до 5 ppm при изменении температуры излучателя от 500 до 720°С. Изменение концентрации окисла углерода имеет монотонный характер. Минимальное значение около 2.5 ppm достигается при мощности горения около 1 кВт. С уменьшением температуры горения концентрация СО увеличивается, так как в данной конструкции горелки параметр H/D_V <1, т.е. полость не достаточно глубокая и окисление СО до СО₂ не успевает завершиться в полости при невысокой температуре. При уменьшении расхода газа и мощности горения W<0.55 кВт использованный эжектор не справлялся с пропорциональным захватом воздуха, поэтому смесь оказывалась переобогащенной, в результате чего резко увеличивалось количество окиси углерода.

Увеличение сопла инжектора до 1.1 мм привело к увеличению температуры внутренней излучающей поверхности (фиг.3). Это связано с тем, что состав смеси приблизился к стехиометрическому, в то время как при сопле инжектора диаметром 0.6 мм смесь была бедной. С увеличением температуры горения увеличилось содержание окислов азота в продуктах сгорания, максимально до 15 ppm при W=1.9 кВТ. Концентрация окиси углерода не превышала 10 ppm при мощности горения W>520 Вт.

Были проведены сравнительные калориметрические эксперименты по эффективности нагрева воды в кастрюле на плите «Гефест» с обычной газовой горелкой и с использованием горелки N₂. Кастрюля объемом 3 л наполнялась 1.1 л воды и нагревалась до температуры 80°С. Измерялась температура воды в зависимости от времени нагрева и общий расход газа. В обоих случаях мощность горелок составляла 1.25 кВт.

Результаты сравнительных экспериментов (фиг.4) показали, что при нагреве воды от 18 до 80°С на газовой плите «Гефест» с обычной газовой горелкой голубого пламени требуется около 9 мин и 17.5 литров газа. При нагреве такого же количества воды от 18 до 80°С с помощью ИК-горелки требуется около 6.7 мин и 14 литров газа. Экономия топлива при этом составляет n=(17.5-14)/17.5=0.2, т.е. 20%. Аналогичный результат получен на ИК-горелке при мощности горения 700 Вт. На нагрев 1.1 литра воды до температуры 80°С потребовалось 12 мин, при этом также было израсходовано 14 литров газа.

КПД газовой плиты «Гефест» с обычной газовой горелкой можно оценить как 48.4%. Соответствующий КПД ИК-горелки составляет 60.4%.