газовая горелка с принудительной подачей воздуха

Формула изобретения

1. Газовая горелка с принудительной подачей воздуха, содержащая корпус, цилиндрический огневой насадок и снабженное электрическим двигателем тягодутьевое устройство, всасывающая линия которого выполнена в виде цилиндра с перфорированной вставкой и соединена с подводящим газ трубопроводом, отличающаяся тем, что огневой насадок снабжен многоканальной вставкой, внутренний торец которой имеет плоскую поверхность, а внешний - плоскую, вогнутую или выпуклую поверхность второго порядка.

2. Газовая горелка по п.1, отличающаяся тем, что многоканальная вставка выполнена из свернутой в плотный рулон металлической ленты, снабженной отверстиями с односторонними выступами по периферии каждого отверстия, причем отверстия, а соответственно высота выступов выполнены равномерными или увеличивающимися по протяженности ленты.

3. Газовая горелка по п.1, отличающаяся тем, что многоканальная вставка выполнена в виде плотно свитых в рулон попарно уложенных плоской и гофрированной металлических лент, причем гофры выполнены прямоугольными, треугольными или дугообразными с равномерными или увеличивающимися по протяженности ленты высотой и шагом.

4. Газовая горелка по пп.1 и 3, отличающаяся тем, что гофрированная металлическая лента выполнена в виде сетки.

5. Газовая горелка по одному (любому) из пп.1-4, отличающаяся тем, что электрический двигатель тягодутьевого устройства установлен с возможностью регулирования числа оборотов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к газогорелочным устройствам, использующим природный газ в качестве источника тепловой энергии.

Известны горелки с принудительной подачей воздуха, включающие совмещенный с горелкой центробежный вентилятор, устройство, обеспечивающее смешение газа и воздуха, огневой насадок и запальное устройство (см., например, Н.Л. Стаскевич и др. "Справочник по газоснабжению и использованию газа", Л., Изд. "Недра", Ленинградское отделение, 1990 г., с. 599-604).

Основной недостаток горелок данного типа состоит в низком качестве смешения воздуха и природного газа.

Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является горелка с цилиндрическим огневым насадком, включающая совмещенное с ней и снабженное электрическим двигателем тягодутьевое устройство, всасывающая линия которого выполнена в виде цилиндра с перфорированной вставкой (см., например, патент Российской Федерации 2150044, 27.05.2000 г., бюл. 15).

При высоком качестве смешения сжигаемого газа и воздуха к основному недостатку горелки данного типа следует отнести достаточную сложность розжига, возможный проскок пламени при работе на малой мощности и отрыв на большой мощности, отсутствие возможности регулировать форму пламени, возможность изменения мощности только за счет установки дроссельных заслонок, изменяющих воздушный поток.

Задача настоящего изобретения состоит в изменении конструкции для создания универсальной горелки с принудительной подачей воздуха.

Технический результат изобретения состоит в увеличении надежности и устойчивости работы горелки, в возможности изменения формы пламени и плавного регулирования ее мощности без установки заслонок, в улучшении качества газовоздушной смеси.

Указанный технический результат достигают за счет того, что в газовой горелке с принудительной подачей воздуха, содержащей корпус, цилиндрический огневой насадок и снабженное электрическим двигателем тягодутьевое устройство, всасывающая линия которого выполнена в виде цилиндра с перфорированной вставкой и соединена с подводящим газ трубопроводом, огневой насадок снабжен многоканальной вставкой, внутренний торец которой имеет плоскую поверхность, а внешний - плоскую, вогнутую или выпуклую поверхность второго порядка. Многоканальная вставка выполнена из свернутой в плотный рулон металлической ленты, снабженной отверстиями с односторонними выступами по периферии каждого отверстия, причем отверстия, а соответственно высота выступов, выполнены равномерными или увеличивающимися по протяженности ленты. В другом варианте многоканальная вставка выполнена в виде плотно свитых в рулон попарно уложенных плоской и гофрированной металлических лент, причем гофры выполнены прямоугольными, треугольными или дугообразными с равномерными или увеличивающимися по протяженности ленты высотой и шагом. Гофрированная металлическая лента выполнена в виде сетки. Электрический двигатель тягодутьевого устройства установлен с возможностью регулирования числа оборотов.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Одним из основополагающих условий работы горелок является устойчивость горения, связанная с предотвращением как проскока, так и отрыва пламени от огневого насадка, являющегося по сути конечной частью горелки, из которой и истекает в топочное пространство газовоздушная смесь (см., например, Н.Л. Стаскевич и др. "Справочник по газоснабжению и использованию газа". Л., Изд. "Недра", Ленинградское отделение, 1990 г., с. 312-325, 318 - рис. 8.9). При отрыве пламени от торца огневого насадка горелки на практике обычно происходит погасание горелки. При этом в горелках с принудительной подачей воздуха автоматическое управление ее работой отсекает подачу в горелку горючего газа. Далее будут изложены принципы предотвращения проскока пламени, однако следует отметить, что в обычных широко распространенных конструкциях горелок с принудительной подачей воздуха проскок пламени не имеет аварийных последствий, поскольку собственно газовоздушная смесь формируется в конце огневого насадка и объем смеси достаточно мал. Совершенно иные условия возникают в горелке с тягодутьевым устройством, всасывающая линия которого выполнена в виде цилиндра с перфорированной вставкой с подачей в образованную полость природного газа. Смешение газа и воздуха начинается во всасывающей линии и практически полностью завершается в объеме вентилятора, колесо которого и выступает в роли основного перемешивающего органа. В данном случае газовоздушной смесью заполнен весь объем вентилятора, и проскок пламени, способный привести к взрыву достаточно большого объема смеси, совершенно недопустим.

Для расширения диапазона устойчивости горения скорость истекающего из огневого насадка потока принимают на практике в несколько раз большей, чем скорость отрыва. Предотвращение отрыва при этом обеспечивают стабилизаторы горения. Для горелок с принудительной подачей воздуха основным типом стабилизаторов горения являются туннели (см., например, Н.Л.Стаскевич и др. "Справочник по газоснабжению и использованию газа", Л., Изд. "Недра", Ленинградское отделение, 1990 г., с. 556). При желании иметь горелку с максимальным коэффициентом предельного регулирования, представляющего собой отношение максимальной тепловой мощности горелки к минимальной, превышение скорости истечения в широком диапазоне тепловой нагрузки над скоростью отрыва не реализуемо. В этом случае правильным следует считать оснащение горелки огнепреградителем, что вообще не присуще горелкам с принудительной подачей воздуха. Огнепреградитель представляет собой по сути набор каналов с размером меньшим, нежели критический диаметр гасящего канала. Для метана рекомендуемый критический диаметр гасящего канала равен ориентировочно 2,2 мм (см., например, Н.Л.Стаскевич и др. "Справочник по газоснабжению и использованию газа", Л. , Изд. "Недра", Ленинградское отделение, 1990 г., с. 320-325). При малой тепловой мощности горелки сниженная возможность отрыва пламени, таким образом, сопровождается повышенной возможностью проскока пламени. При большой тепловой мощности горелки сниженная возможность проскока пламени сопровождается повышенной возможностью отрыва пламени. Поскольку широкое использование горелок с принудительной подачей воздуха исключает возможность безусловного использования стабилизирующих туннелей, становится необходимым использование стабилизаторов горения других типов. Обычные конструкции стабилизаторов с использованием тел плохо обтекаемой формы, работающих на принципе рециркуляции раскаленных газов, инициирующих горение истекающего потока, усложняет конструкцию горелки и также не всегда приемлемо.

На основании изложенного целесообразен конструктивный элемент горелки, сочетающий и надежно обеспечивающий фактически четыре функциональные задачи: предотвращение проскока пламени, предотвращение отрыва пламени, т.е. его стабилизацию, способность изменять форму пламени и улучшать качество смеси.

В настоящем изобретении в качестве такового выступает многоканальная вставка в огневой насадок, выполненная из свернутой в плотный рулон металлической ленты, снабженной отверстиями с односторонними выступами по периферии каждого отверстия, причем отверстия, а соответственно высота выступов, выполнены равномерными или увеличивающимися по протяженности ленты. По сути лента имеет перфорацию (форма отверстий не оговаривается, ибо не играет определяющей роли), выполненную, например, с помощью пробоев в ленте или, например, с помощью отгибаемых в одну сторону крестообразных разрезов. Возможны и другие варианты, приводящие к образованию рваных выступов. Важно лишь отметить, что вероятные приемы перфорирования для формирования выступов используют материал ленты в зоне ее перфорации без применения дополнительного материала.

При свертывании ленты в рулон выступы не проминают, т.е. их верхний обрез только касается гладкой стороны ленты. При увеличении размера отверстий увеличивается и высота выступов, а следовательно, и расстояние между стенками образовавшегося спирального канала. Цель изменения размера канала в сечении описана ниже.

В другом варианте многоканальная вставка выполнена в виде плотно свитых в рулон попарно установленных плоской и гофрированной металлических лент. Гофры при этом могут быть выполнены прямоугольными, треугольными или дугообразными с равномерными или увеличивающимися по протяженности ленты высотой и шагом.

В описанных вариантах предусмотрена плоская поверхность внутреннего торца вставки при исполнении внешней поверхности вставки плоской, вогнутой или выпуклой. В двух последних случаях используется поверхность второго порядка, например полусфера, гиперболоид, эллипсоид или эллиптический параболоид.

Подобные конструкции вставки определяют ряд возможностей ее применения. При плоских поверхностях обоих торцов вставки целесообразно иметь переменные по длине ленты высоту выступов по периферии отверстий или высоту и шаг гофр. При установке выступов или гофр повышенной высоты на периферии вставки увеличивается разность скоростей истечения смеси от центра к периферии. Скорость на периферии в этом случае больше, чем в центре вставки, что определяется практическим равенством гидравлического сопротивления каналов вставки по общим законам гидравлики, малой изменяемостью коэффициента трения и меньшим согласно принятому условию на периферии вставки отношения длины канала к его диаметру. Неравенство скоростей смеси по сечению вставки приводит к уже отмеченной выше рециркуляции раскаленных газов, но не за счет гидравлического сопротивления тела с плохо обтекаемой формой, а за счет трения между истекающими струями с отличными скоростями. Таким образом, происходит стабилизация горения и предотвращение отрыва пламени. Выбор соответствующей величины выступов и гофр с учетом критического диаметра гасящего канала предотвращает проскок пламени и при сниженных скоростях истечения смеси. Увеличение скорости истечения на периферии вставки изменяет форму пламени, сужая его. При установке выступов или гофр повышенного размера в центре вставки и при ее плоских торцах увеличивается скорость истечения в центре вставки. Трение между отдельными струйками смеси и в этом случае стабилизирует пламя без применения специального стабилизатора, в том числе и туннеля, но пламя имеет тенденцию к расширению у корня.

Если внутренний торец вставки выполнен плоским, а внешний имеет вид, например, выпуклой полусферы, то и при использовании выступов или гофр равного размера имеет место значительное отличие в скоростях истечения смеси на периферии и по центру вставки из-за различия отношения длины канала к его диаметру. В данном случае скорость истечения снижается к центру вставки, трение между струйками стабилизирует пламя, а собственно факел претерпевает сужение у основания.

Очевидны возможности, возникающие при варьировании размера выступов или гофр по длине ленты в сочетании с различной формой поверхности внешнего торца вставки. Форма собственно отверстий в единственной формирующей вставку ленты или гофр (прямоугольная, треугольная, дугообразная) при формировании вставки из двух лент имеет меньшее значение и выбирается из возможностей производства.

Формирование различных выступов (в том числе и рваных) или использование гофрированной ленты в другом варианте вставки в виде сетки приводит к дополнительной турбулизации потока в каналах вставки, а следовательно, к еще более качественному смешению газа и воздуха.

Следует отметить, что плавное изменение тепловой мощности горелки данного типоразмера обычно не предусматривают из-за практической невозможности обеспечить все требования к работе горелки, в частности к смешению газа при сниженных или повышенных подачах последних. На практике после определения необходимой тепловой мощности просто выбирают соответствующий типоразмер и используют данную горелку при постоянной ее мощности. Иногда предусматривают двухпозиционное регулирование, т. е. работу в так называемых режимах "большого горения" и "малого горения", причем последнее составляет около 40% мощности "большого горения" (см., например, Н.Л.Стаскевич и др. "Справочник по газоснабжению и использованию газа", Л., Изд. "Недра", Ленинградское отделение, 1990 г., с. 601).

В настоящем изобретении конструкция горелки позволяет значительно изменять ее тепловую мощность (минимальная мощность может составлять 10-20% от номинальной). Использование дроссельных заслонок при достаточно сложной функциональной связи между количеством поданного воздуха и углом поворота заслонки нецелесообразно. Поэтому изобретение предусматривает изменение подачи воздуха за счет изменения числа оборотов тягодутьевого устройства (вентилятора). Изменение числа оборотов может осуществляться при использовании известных приемов и устройств, из которых преимущественны приемы, известные в электротехнике, например изменение частотной характеристики переменного тока за счет частотного регулятора. Снижение оборотов вентилятора приводит к уменьшению тепловой мощности горелки при практическом сохранении качества смешения. Соответствующие известные приемы полностью сохраняют величину коэффициента избытка воздуха при переменной подаче воздуха в горелках данного класса (см. , например, решение о выдаче патента на изобретение по заявке 2001103462/06 (003386) "Способ подготовки природного газа и газовая горелка с принудительной подачей воздуха" от 05 июля 2001 года).

Схематически газовая горелка с принудительной подачей воздуха по настоящему изобретению (один из вариантов) представлена на чертеже.

Газовая горелка с принудительной подачей воздуха включает корпус 1 с огневым насадком 2. Корпус 1 соединен с выхлопной линией 3 тягодутьевого устройства 4 (вентилятора). Вентилятор 4 снабжен всасывающей линией, выполненной в виде цилиндра 5 с перфорированной вставкой 6. Полость 7, образованная цилиндром 5 и перфорированной вставкой 6, соединена с подводящим к устройству природный газ трубопроводом 8. Вентилятор 4 имеет электрический двигатель 9, снабженный блоком 10 управления оборотами двигателя 9. В огневом насадке 2 установлена вставка 11, выполненная в виде плотно свитых в рулон попарно установленных плоской 12 и гофрированной 13 металлических лент. На данной фигуре гофры ленты имеют дугообразный вид. Высота гофры и шаг гофр равномерны по длине ленты. Внутренний торец 14 вставки 11 выполнен плоским и размещен в диаметральном сечении насадка 2. Внешний торец 15 вставки 11 имеет выпуклую форму полусферы.

Горелка с принудительной подачей воздуха по настоящему изобретению работает следующим образом.

Газ подают по трубопроводу 8 в полость 7, образованную цилиндром 5 и перфорированной вставкой 6. Через отверстия перфорированной вставки 6 газ поступает во всасывающую линию вентилятора 4. Во всасывающую линию одновременно вентилятором 4 подсасывается необходимый для горения воздух. Смешение газа и воздуха интенсивно и качественно проходит на колесе вентилятора 4. Далее газовоздушная смесь через выхлопную линию 3 поступает в корпус горелки 1 и через огневой насадок 2 в топочное пространство. При этом газовоздушная смесь проходит сквозь вставку 11. В выполненной из плотно свитых в рулон попарно установленных плоской 12 и гофрированной 13 металлических лент вставке образуются каналы для прохода газовоздушной смеси. Поскольку в данном случае шаг гофр и их высота равномерны по длине ленты 13, образуются одинаковые каналы для прохода газовоздушной смеси. Внутренний торец 14 вставки 11 выполнен плоским, а внешний - 15 выпуклым с формой полусферы. При этом длина каналов вставки 11 увеличивается к центру вставки 11, соответственно скорость истечения смеси уменьшается от периферии к центру вставки 11. Факел у корня сужен. Трение между истекающими с разной скоростью из отдельных каналов вставки 11 струйками имеет следствием перемешивание истекающего и уже воспламенившегося потока. Пламя в ходе работы и при увеличении скорости истечения не отрывается от вставки 11. При этом вставка 11 выполняет функцию стабилизатора горения. Малая высота гофр (испытанная нами лента имела высоту гофр 1,5 мм) полностью предотвращает проскок пламени и при сниженной подаче смеси. Мощность горелки в ходе испытаний изменялась от 150 кВт до 1 МВт при точном поддержании коэффициента избытка воздуха =1,05 за счет изменения числа оборотов вентилятора 4, осуществляемого изменением числа оборотов двигателя 9. Изменение числа оборотов двигателя проводили в данном случае при помощи блока 10 управления оборотами за счет изменения частоты тока, питающего электродвигатель 9.

Конструкция горелки по изобретению в полной мере обеспечивает заявленный выше технический результат.