УЗЕЛ МОДУЛЬНОЙ ТОПЛИВНОЙ ГОРЕЛКИ
MODULAR FUEL BURNER ASSEMBLY

Перекрестная ссылка на родственную заявку
[0001] Данная заявка испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США №62/877,562, поданной 23 июля 2019 года под названием УЗЕЛ МОДУЛЬНОЙ ТОПЛИВНОЙ ГОРЕЛКИ, содержание которой полностью включено в данную заявку посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
[0002] Изобретение в целом относится к горелкам. В частности, настоящее изобретение относится к модульным газовым и мазутным горелкам с регулируемой тепловой мощностью.
Уровень техники
[0003] Известно использование узлов топливных горелок для нагрева и сушки заполнителей, используемых при производстве горячей асфальтовой смеси. Однако традиционные узлы горелки имеют ряд недостатков. Например, по мере изменения потребностей промышленного производства часто меняются и требования к тепловой мощности существующих горелок, используемых на месте эксплуатации. Обычно для таких изменений требуется приобретение совершенно нового узла горелки, размер которого соответствует новым производственным требованиям. Часто изменение тепловой мощности горелки требует замены или изменения размеров множества компонентов узла, в том числе размера и геометрии вентилятора, расхода воздуха и т.д.
[0004] Поэтому было бы желательно, чтобы тепловую мощность узла топливной горелки можно было по мере необходимости регулировать и минимально изменять конфигурацию одной отдельно взятой горелки для удовлетворения различных требований к тепловой мощности.
Пояснения к конструкции
[0005] Использование единственного числа в контексте раскрытия изобретения следует истолковывать как единственное и множественное число, если здесь не указано иное или это явно не противоречит контексту. Термины "представляющий собой", "имеющий", "включающий в себя" и "содержащий" следует истолковывать как открытые термины (т.е. означающие "в том числе, но не ограничиваясь этим"), если не указано иное. Используемые здесь термины "по существу", "в основном" и другие слова, выражающие степень, являются относительными модификаторами, предназначенными для указания допустимого отклонения от характеристики, модифицируемой таким образом. Использование таких терминов при описании физической или функциональной характеристики изобретения не предназначено для ограничения такой характеристики абсолютным значением, которое модифицирует термин, а скорее предусматривает приблизительное значение такой физической или функциональной характеристики.
[0006] Термины, касающиеся прикрепления, зацепления и т.п., такие как "соединенный" и "взаимосвязанный", относятся к взаимосвязи, при которой структуры зафиксированы или прикреплены друг к другу либо непосредственно, либо опосредованно через промежуточные структуры, а также к подвижным и жестким креплениям или взаимосвязям, если иное здесь не оговорено или явно не указано в контексте. Термин "функционально соединенный" обозначает такое крепление, сцепление или соединение, которое позволяет соответствующим структурам работать по назначению в силу этой взаимосвязи.
[0007] Использование любых и всех примеров или вводных слов (например, "такой как" и "предпочтительно") здесь предназначено только для лучшего пояснения изобретения и его предпочтительного варианта, а не для ограничения объема изобретения. Ничего в документе не следует истолковывать как указание на какой-либо элемент как существенный для практического применения изобретения, если это не указано особо.
Раскрытие сущности изобретения
[0008] Вышеуказанным и другим потребностям удовлетворяет узел горелки, содержащий корпус, имеющий воздухозаборное и воздуховыпускное отверстия, и выполненный с возможностью направления воздушного потока из воздухозаборного отверстия к выходу из корпуса через воздуховыпускное отверстие. Узел горелки дополнительно содержит ограничительную пластину для селективного ограничения объема воздушного потока, выходящего из корпуса, с целью уменьшения тепловой мощности узла горелки, при этом ограничительная пластина воздушного потока имеет отверстие, через которое воздушный поток должен пройти, чтобы выйти из корпуса через воздуховыпускное отверстие. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления узел горелки содержит две или более взаимозаменяемых ограничительных пластины воздушного потока. Каждая из ограничительных пластин воздушного потока имеет отверстия с различной площадью поперечного сечения, так что можно изменять воздушный поток через корпус путем замены одной из двух или более ограничительных пластин воздушного потока на другую.
[0009] Для облегчения понимания изобретения предпочтительные варианты его осуществления, а также лучший вариант, известный автору для осуществления изобретения, показаны на чертежах, подробно описанных ниже. Однако не предполагается, что изобретение ограничено конкретными раскрытыми вариантами осуществления или использованием, связанным с раскрытым здесь устройством. Поэтому объем изобретения, предусмотренный автором, включает в себя все эквиваленты раскрытого здесь объекта, а также различные модификации и альтернативные варианты осуществления, которые обычно встречаются специалисту в области, к которой относится изобретение. Автор ожидает, что специалисты в данной области будут использовать такие изменения, которые покажутся им подходящими, в том числе иное практическое применение изобретения, отличающееся от конкретно описанного здесь. Кроме того, изобретение охватывает любую комбинацию элементов и компонентов, раскрытых здесь, в любых возможных вариантах, если иное здесь не указано или явно не исключено из контекста.
Краткое описание чертежей
[0010] Предпочтительные в настоящее время варианты осуществления изобретения показаны на сопроводительных чертежах, на которых одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые части, при этом:
[0011] На фиг. 1 представлен вид в аксонометрии узла горелки в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;
[0012] На фиг. 2 представлен вертикальный вид спереди узла горелки с фиг. 1;
[0013] На фиг. 3 представлен вид в разрезе узла горелки с фиг. 2, взятый вдоль линии "3-3";
[0014] На фиг. 4 и 5 представлены виды в аксонометрии, показывающие конец сопла узла горелки с фиг. 1 со смонтированной на нем ограничительной пластиной воздушного потока и без нее, соответственно;
[0015] На фиг. 6А-6С представлены три различных настройки узла горелки, при этом в каждом случае использована ограничительная пластина воздушного потока разного размера;
[0016] На фиг. 7 и 8 представлены вертикальные виды спереди, показывающие ограничительные пластины воздушного потока, прикрепляемые болтами и имеющие центральные отверстия радиусом R1 и R2, соответственно, для использования в узле горелки в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;
[0017] На фиг. 9 представлен вид спереди, показывающий полукруглую пластину блокировки вентилятора, которая может быть использована для формирования круглой пластины блокировки вентилятора в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;
[0018] На фиг. 10 представлен вид в аксонометрии, показывающий внутреннюю секцию горелки, имеющей круглую пластину блокировки вентилятора, смонтированную рядом с вентилятором для ограничения воздушного потока в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;
[0019] На фиг. 11 представлен вид в аксонометрии, показывающий горелку с фиг. 10 со снятой пластиной блокировки вентилятора; и
[0020] На фиг. 12 представлен график зависимости расхода воздуха от положения заслонки для узла горелки с пластиной блокировки и без нее.
Осуществление изобретения
[0021] Данное раскрытие предпочтительных вариантов осуществления изобретения следует рассматривать в связи с прилагаемыми чертежами, которые следует считать частью всего письменного раскрытия настоящего изобретения. Чертежи не обязательно выполнены в масштабе, и некоторые признаки изобретения для ясности и краткости могут быть показаны в увеличенном масштабе или в несколько схематичной форме.
[0022] На фиг. 1-3, представлен узел 100 горелки в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. Предпочтительный узел 100 горелки содержит корпус 102, имеющий воздухозаборное отверстие, и конец 104 сопла, имеющий отверстие 106, которое функционирует как воздуховыпускное отверстие. Предпочтительный узел 100 горелки также содержит двигатель, например, двигатель 108 с регулируемой скоростью для приведения в действие встроенного центробежного вентилятора 110, расположенный вблизи конца 112 вентилятора корпуса 102. Радиальная заслонка 132 расположена на воздуховыпускной стороне вентилятора 110. Предпочтительная продольная ось 114 в основном проходит от конца 112 вентилятора в направлении конца 104 сопла. Предпочтительный корпус 102 проходит в основном вдоль продольной оси 114 и содержит первую часть 116 цилиндрического корпуса, расположенную ближе всего к вентилятору 110, она является съемной и смонтирована на второй части 118 цилиндрического корпуса, расположенной ниже по потоку от вентилятора 110, чем первая часть корпуса. Топливопровод 120 для газообразного топлива, содержащий сопло для вдувания газа (не показано), и линию 122 зажигания, которые проходят вдоль внешней поверхности корпуса 102. Аналогично направляющая труба 124 для жидкого топлива и труба 126 для сжатого воздуха проходят через корпус 102 внутри центральной трубы 128 к концу 104 сопла и распылительному соплу 130.
[0023] Вентилятор 110 выполнен с возможностью создания внутри корпуса 102 воздушного потока, регулируемого заслонкой 132, когда узел 100 горелки работает. Заслонка 132 содержит множество лопастей, которые могут изменять свое положение от открытого, при котором воздушный поток от вентилятора 110 через корпус 102 максимален, до закрытого, при котором воздушный поток от вентилятора может быть минимизирован или полностью перекрыт. Заслонка 132 также имеет ряд промежуточных положений между открытым и закрытым положениями, которые обеспечивают переменный объем воздушного потока через корпус 102. Как правило, заслонку регулируют путем выбора одного из нескольких дискретных заданных положений в диапазоне от полностью открытого до полностью закрытого. Например, обычная заслонка может иметь 10 общих положений в диапазоне от "0" до "9", где положение "0" полностью или почти полностью закрытое и создает наименьший воздушный поток, а положение "9" полностью открытое и создает наибольший воздушный поток. Воздушный поток, создаваемый вентилятором 110, проходит через первую и вторую части 116, 118 корпуса и выходит через отверстие 106 на конце 104 сопла, где смешивается с газообразным и/или жидким топливом. Газообразное топливо поступает к концу 104 сопла по топливопроводу 120. Жидкое топливо и сжатый воздух поступают к концу 104 сопла внутри центральной трубы 128 по направляющей трубе 124 для жидкого топлива и трубе 126 для сжатого воздуха, соответственно, после чего распылительное сопло 130 распыляет жидкое топливо. Смесь воздуха и топлива поджигается на конце 104 сопла для создания пламени.
[0024] Горелки, например, узел 100 горелки, часто используют как часть большой промышленной или коммерческой сушилки для сушки и обработки материалов, например, заполнителей в дорожном строительстве. Такие сушилки обычно содержат большие вращающиеся барабаны, расположенные вокруг конца 104 сопла узла 100 горелки и выступают наружу. Предпочтительно, пламя, создаваемое узлом 100 горелки, выходит на конце 104 сопла через отверстие 106 и попадает в барабан для нагрева и сушки материала, который вращается в барабане. Изменения в промышленных или коммерческих процессах, требующих использования горелок, обычно приводят к увеличению потребности в нагреве и, следовательно, к замене горелки меньшего размера на горелку большего размера. По этой причине, при первоначальном выборе размера горелки для конкретного применения, было бы целесообразно выбрать размер горелки для обеспечения большей тепловой мощности, чем та, которая первоначально требуется для данного применения. Это позволит увеличивать тепловую мощность по мере роста потребностей в нагреве без необходимости замены горелки. Однако завышенный таким образом размер горелки может создать проблемы, которые придется решать.
[0025] Прежде всего, выбор горелки, способной обеспечить большой объем быстро движущегося воздушного потока, необходимого для получения большой тепловой мощности, усложняет регулировку горелки при низких расходах воздуха. В частности, если размеры заслонки рассчитаны на большой объем воздушного потока, то заслонка очень быстро достигает положения, требуемого для низкого расхода воздуха (например, в положении заслонки "4" или "5"), что ограничивает возможность регулировки горелки при низких расходах воздуха. Другая проблема, которая может быть вызвана завышенным размером горелки, заключается в том, что образующееся пламя может повредить части корпуса сушилки или другого окружающего оборудования, а температура процесса и нагреваемого материала может быть слишком высокой. По этой причине узел 100 горелки настоящего изобретения обеспечивает средства для увеличения и уменьшения тепловой мощности горелки, которые одинаково легко регулировать при различных воздушных потоках.
[0026] Как показано на фиг. 4-8, узел горелки настоящего изобретения оборудован ограничительной пластиной 134 воздушного потока, выполненной с возможностью селективного ограничения воздушного потока через корпус с целью изменения тепловой мощности узла горелки на конце сопла. Ограничительная пластина 134 размещена внутри корпуса для ограничения части воздушного потока, как показано на фиг. 4, и уменьшения скорости воздушного потока на конце сопла узла горелки. Когда требуется увеличить воздушный поток для получения большей тепловой мощности, в корпус можно поместить менее ограничивающую пластину 134. Чтобы максимально увеличить воздушный поток и тепловую мощность, ограничительную пластину 134 можно полностью удалить из узла горелки, как показано на фиг. 5. Таким образом, преимущество ограничительной пластины 134 в данном варианте осуществления изобретения заключается в том, что можно очень легко изменять тепловую мощность путем замены минимального количества компонентов.
[0027] В предпочтительных вариантах осуществления изобретения ограничительная пластина 134 смонтирована в корпусе 102 между первой частью 116 корпуса и второй частью 118 корпуса. В ограничительной пластине 134 имеется отверстие 136, через которое должен пройти воздушный поток от первой части 116 корпуса ко второй его части 118, чтобы выйти из корпуса. Предпочтительно, внешняя граница отверстия 136 в ограничительной пластине 134 меньше, чем внутренняя поверхность корпуса 102, в том числе первая часть 116 корпуса и вторая часть 118 корпуса, чтобы ограничить проходящий через нее воздушный поток. Таким образом, ограничительная пластина 134 перенаправляет (и замедляет) по меньшей мере часть воздушного потока, проходящего от поверхности внутренней стенки первой части 116 корпуса, через отверстие 136 во вторую часть 118 корпуса.
[0028] В некоторых вариантах осуществления изобретения узел 100 горелки содержит две или более ограничительных пластины 134 воздушного потока, которые являются взаимозаменяемыми. На фиг. 6А-6С показан конец сопла узла горелки, имеющий три ограничительные пластины 134А-С разного размера.
[0029] Ограничительная пластина 134А, показанная на фиг. 6А, имеет отверстие 136А радиусом R1 и является самой ограничивающей из трех (например, пластина 25 млн. БТЕ/ч). Воздушный поток проходит мимо ограничительной пластины 134А через кольцеобразное отверстие 136А, образованное между ограничительной пластиной и центральной трубой 128А. Менее ограничивающая ограничительная пластина 134 В, имеющая отверстие 136 В радиусом R2, показана на фиг. 6В (например, пластина 35 млн. БТЕ/ч). И наконец, наименее ограничивающая ограничительная пластина 134С, имеющая отверстие 136С радиусом R3, показана на фиг. 6С (например, пластина на 50 млн. БТЕ/ч). Каждую из ограничительных пластин 134А-С можно снять и заменить по мере изменения необходимой тепловой мощности горелки. В других вариантах осуществления изобретения размер отверстия в ограничительной пластине воздушного потока можно селективно регулировать для обеспечения двух или более различных площадей поперечного сечения отверстия. Например, вместо использования нескольких различных ограничительных пластин 134А-С с фиксированным отверстием можно использовать одну ограничительную пластину с изменяемым размером отверстия (например, механическую диафрагму).
[0030] На фиг. 7 и 8 представлены две ограничительные пластины 234А, 234 В, каждая из которых выполнена с возможностью крепления к узлу горелки, показанному на фиг. 4 и 5. Каждая из ограничительных пластин 234А, 234 В оборудована фланцем 138, который окружает отверстие 136А, 136 В и содержит ряд крепежных отверстий 140. Кроме того, могут быть предусмотрены один или несколько вырезов 142 для крепления топливопровода 120 для газообразного топлива и линии 122 зажигания. Чтобы закрепить съемные ограничительные пластины 234А, 234 В на узле 100 горелки, одну такую пластину прикладывают к концу первой части 116 корпуса, и отверстия 140 в ограничительной пластине совмещают с соответствующими отверстиями в соответствующем фланце первой части корпуса. Затем вторую часть 118 корпуса размещают напротив ограничительной пластины 234А, 234 В так, что ограничительная пластина располагается между первой частью 116 и второй частью корпуса. Отверстия в соответствующем фланце второй части 118 корпуса выравнивают с ранее выровненными отверстиями в ограничительной пластине 234А, 234 В и первой части 116 корпуса. Затем крепежные элементы проводят через первую часть 116 корпуса, ограничительные пластины 234А, 234 В и вторую часть 118 корпуса и фиксируют на месте резьбовыми гайками. Наконец, топливопровод 120 для газообразного топлива и линию 122 зажигания помещают в вырезы 142, а их концы вставляют во вторую часть 118 корпуса.
[0031] В предпочтительных вариантах осуществления изобретения, чтобы свести к минимуму замену оборудования при изменении технологических потребностей, для узла горелки первоначально можно выбрать заслонку, способную пропускать большой воздушный поток. Первоначально воздушный поток можно регулировать на уменьшение с помощью заслонки, чтобы ограничить тепловую мощность до необходимого на тот момент количества тепла. По мере увеличения потребности в нагреве заслонку можно открывать, чтобы создать больший воздушный поток и увеличить тепловую мощность. Однако использование заслонки, рассчитанной на большой объем воздушного потока в условиях низкого расхода воздуха, приводит к тому, что расход воздуха, необходимый для данного применения, достигается очень быстро. Например, необходимый воздушный поток может быть достигнут в положении "5" заслонки, что оставляет четыре дополнительных положения (т.е. положения с "6" по "9") неиспользуемыми. Это ограничивает возможности пользователя по регулировке заслонки в сторону уменьшения или ослабления воздушного потока.
[0032] Соответственно, как показано на фиг. 9-11, предпочтительные варианты осуществления узла горелки согласно настоящему изобретению также содержат съемную пластину 144 блокировки вентилятора, смонтированную рядом с воздуховыпускной стороной (ниже по потоку от заслонки 132). Пластина 144 блокировки вентилятора образована двумя полукруглыми половинами 146. Каждая половина 146 пластины 144 блокировки вентилятора имеет плоскую сторону 148, содержащую полукруглый вырез 150. Когда узел 100 горелки находится в режиме слабого воздушного потока, одна из половин 146 расположена рядом с заслонкой 132, а вырез расположен с одной стороны центральной трубы 128. Затем вторую половину 146 размещают рядом с заслонкой 132 так, чтобы плоские стороны 148 совпадали, а вырезы 150 окружали центральную трубу 128 (фиг. 10). Пластина 144 блокировки вентилятора блокирует часть заслонки 132 и снижает скорость воздушного потока, проходящего через заслонку и корпус. Когда требуется слабый воздушный поток, уменьшение его скорости улучшает способность узла 100 горелки достигать необходимого потока и тепловой мощности и увеличивает возможность регулировки между максимальным и минимальным расходом воздуха. Когда потребность в воздушном потоке увеличивается, можно удалить пластину 144 блокировки вентилятора, чтобы повысить скорость воздушного потока и обеспечить увеличение тепловой мощности (фиг. 11).
[0033] Как правило, при сопоставлении воздушного потока с положением заслонки, жалюзийные заслонки показывают характеристику воздушного потока, похожую на "быстро открывающийся" клапан, и расход воздуха после открывания заслонки сначала увеличивается очень быстро, а затем медленнее, когда заслонка остается открытой. Эта форма характеристики представлена, например, верхней кривой на фиг. 12 (точки измерения обозначены ромбовидными значками), она показывает расход воздуха для узла горелки, не имеющего пластины блокировки вентилятора в положениях заслонки от "0" до "9". Однако горелки с пластиной 144 блокировки вентилятора показывают характеристику воздушного потока, которая является гораздо более плоской и линейной. Эта форма характеристики представлена, например, нижней кривой (точки измерения обозначены треугольными значками), она показывает расход воздуха для идентичного узла горелки с пластиной 144 блокировки вентилятора при тех же положениях заслонки, что и выше. В обоих случаях диапазон значений расхода воздуха составляет от прибл. 100 000 стандартных кубических футов в час (станд. куб. фут/ч) до прибл. 400 000 станд. куб. фут/ч. Если узел горелки не имеет пластины блокировки вентилятора, то он достигает прибл. 91% от своего максимального расхода воздуха, когда заслонка находится в положении "5". Это обеспечивает только 5 положений заслонки для регулировки расхода в сторону уменьшения. С другой стороны, если узел горелки оборудован пластиной блокировки вентилятора, то кривая расхода воздуха значительно более плоская, и горелка достигает прибл. того же процента от максимального расхода воздуха (-93%), когда заслонка находится в положении "7". Это обеспечивает в общей сложности 7 положений заслонки для регулировки расхода в сторону уменьшения. Таким образом, узел горелки, оборудованный пластиной блокировки вентилятора согласно настоящему изобретению, имеет больше возможностей для регулировки при низком и среднем расходе воздуха, чем аналогичная горелка, не оборудованная такой пластиной. Такая возможность регулировки позволяет пользователю проще получить требуемый воздушный поток и более точно контролировать соотношение воздуха и топлива, чем в обычных системах горелок.
[0034] Несмотря на то, что данное раскрытие содержит много специфических деталей, их не следует рассматривать как ограничивающие объем изобретения, а лишь как иллюстрацию некоторых предпочтительных в настоящее время вариантов его осуществления, а также как иллюстрацию наилучшего способа осуществления изобретения, предложенного автором. Изобретение, как оно раскрыто и заявлено здесь, может быть объектом различных модификаций и адаптаций, которые могут оценить специалисты в области, к которой относится изобретение.