ГОРЕЛКА РЕГУЛИРУЕМАЯ ГАЗОВАЯ ТЕПЛОЗАЩИЩЕННАЯ
ADJUSTABLE HEAT-PROTECTIVE GAS BURNER

Изобретение относится к горелочным устройствам инжекционного типа, предназначенным для сжигания газообразных топлив, и может быть применено в печах и других теплотехнических устройствах различного назначения.
Известна горелка ГП-2 (ТУ-26-02-68-78, каталог "Горелки для трубчатых печей", ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, Москва, 1985 г.), содержащая корпус с веерной заслонкой, коаксиальный к нему кольцевой газовый коллектор с двумя рядами сопел, коаксиальных оси горелки, воздуховод с установленной внутри него жидкостной форсункой, завихрителем и заслонкой и трубопроводом подвода газа.
Недостатками известной горелки являются:
- невозможность использования в качестве топлива теплонеустойчивых природных газов, склонных к пиролизу из-за перегрева их при теплообмене с коллектором, нагревающимся за счет лучистого теплообмена от пламени горящего газа. Коллектор нагревается значительно выше температуры пиролиза газа. Температура газа повышается до критической величины. Происходит разложение газа с образованием сажи, забивающей сопла. Очистка сопел в этом случае возможна лишь при остановке печи и демонтаже горелки;
- расположение сопел коаксиально оси горелки, вследствие этого имеет место увеличение длины факела пламени;
- ограничение возможности максимального раскрытия по величине площади прохода веерной заслонки, не более 40-50 процентов от площади калибра горелки, что значительно сужает ее возможности по величине мощности;
- невозможность регулирования мощности горелки путем замены сопел на соответствующие требованию без полного демонтажа горелки и остановки печи.
1
2
1
0
3
Известна горелка газовая многорежимная теплозащищенная (патент №2262637 С1, от 20.10.2005, МПК F23D 14/02), содержащая корпус с веерной заслонкой, коаксиальный ему кольцевой газовый коллектор с одним рядом сменных сопел, каналы которых направлены под острым углом к оси горелки, трубопровод подачи газа, воздуховод, образованный центральным каналом кольцевого газового коллектора, и в нем управляемый завихритель, защитный экран перед коллектором, установленный перед ним со стороны печи с осевым зазором S, диафрагму, являющуюся продолжением торца коллектора со стороны печи, при этом радиальный зазор S между диафрагмой и корпусом равен по величине зазору S и половине величины радиальных зазоров: между коллектором и корпусом S и между корпусом и экраном S, кроме того, радиальные поворотные лопатки завихрителя закреплены на оси, установленной на резьбе в центральной втулке веерной заслонки, а стержневой поводок лопаток, параллельный оси их поворота, сопряжен с кольцевой проточкой центральной втулки, причем направление поворота лопаток обратно направлению винтовой линии резьбы.
Известная горелка имеет ряд недостатков:
- сложность конструкции сменных сопел и большая трудоемкость их изготовления, затрудненная герметизация места сопряжения сопел и коллектора;
- сложность регулирования мощности горелки за счет значительного числа демонтажных и монтажных операций по замене сменных сопел;
- ограниченная возможность регулирования величины расхода воздуха веерной заслонкой, в частности имеется недостаток необходимого расхода воздуха для достижения возможной по конструкции максимальной мощности горелки;
- возможность перегрева коллектора, чреватого пиролизом газа при минимальном его расходе, обусловленного вторичным лучистым теплообменом от экрана и теплопередачей от диафрагмы, перегретых прямым воздействием лучистой энергией пламени в сочетании с недостаточным охлаждением воздухом, при малом расходе его, стехиометрически соответствующем малому расходу газа;
- возможность локального перегрева коллектора за счет теплопередачи от диафрагмы;
- возможность неопределенного направления вращения поворотных лопаток в момент вывода их из положения максимального угла поворота, соответствующего нахождению оси стержневых поводков в плоскости, проходящей через ось горелки, при вращении полой оси в необусловленном направлении.
Известная горелка наиболее близка по технической сущности и достигаемым техническим результатам к заявленному изобретению и принята за прототип.
Техническим результатом данного изобретения является предотвращение перегрева подводимого к соплам газа за счет оптимальной защиты коллектора от лучистого теплового воздействия пламени факела, упрощение процесса регулирования мощности горелки за счет значительного снижения числа демонтажных и монтажных операций по замене сменных сопел, расширение диапазона регулирования мощности горелки путем повышения величины максимально возможного расхода воздуха.
1
2
0
3
0
3
4
2
Указанный технический результат достигается тем, что в горелке регулируемой газовой теплозащищенной, содержащей корпус с веерной заслонкой, коаксиальный ему кольцевой газовый коллектор и магазин с установленными в нем идентичными друг другу группами сменных сопел, каналы которых направлены под острым углом α к оси горелки, посаженный с возможностью вращения соосно коллектору на прижимную втулку с гайкой, посаженную, в свою очередь, в центральное отверстие коллектора с фиксацией от проворота и герметично прижимающую магазин к торцу коллектора с отверстиями, выполненными в нем в количестве, равном количеству групп сопел, трубопровод подачи газа, воздуховод, образованный центральным отверстием кольцевого газового коллектора, и в нем управляемый завихритель, защитный экран, установленный с осевым зазором S перед коллектором со стороны факела, диафрагму с радиальным зазором S между ней и корпусом, причем величины радиальных зазоров между корпусом и коллектором S, корпусом и экраном S равны, радиальные поворотные лопатки завихрителя закреплены на оси завихрителя, сопряженной по резьбе с неподвижной центральной втулкой веерной заслонки, стержневой поводок лопаток сопряжен с кольцевой проточкой центральной втулки, а направление поворота лопаток обратно направлению винтовой линии резьбы, цилиндрическую кольцевую заслонку, совмещенную с веерной заслонкой, окна которой попадают в окружном направлении в створ с глухими промежутками между окнами кольцевой заслонки, теплозащитные покрытия экрана и диафрагмы, установленные на них со стороны факела, спицы поворотных лопаток, крепящие ось завихрителя в прижимной втулке, центральная втулка выполнена с возможностью вращения и состоит из головки и резьбового ползуна с кольцевой проточкой, кинематически связанных передачей крутящего момента торцевыми кулачками с возможностью осевого перемещения ползуна относительно головки, причем радиальные зазоры S, S и осевой зазор S между покрытием диафрагмы и экраном по величине превышают, по меньшей мере, в два раза радиальный зазор S.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что на магазине установлен стопор, сопрягаемый с коллектором, а в отверстия на торце коллектора вставлены патрубки с фланцами из отожженной меди или фторопласта.
На фиг.1 изображен общий вид горелки; на фиг.2 - вид Б на фиг.1; на фиг.3 - разрез В-В на фиг.2; на фиг.4 - разрез Г-Г на фиг.2, с поворотными лопатками завихрителя в осевом положении; на фиг.5 - разрез Д-Д на фиг.2, с поворотными лопатками завихрителя в положении под углом к оси горелки; на фиг.6 - разрез Е-Е на фиг.2, стопор для пошагового фиксирования положения магазина.
0
1
2
2
4
3
0
2
max
Горелка регулируемая газовая теплозащищенная ГРГТ - 1 (далее - "горелка") содержит корпус 1, состоящий из оголовка 2 и проставки 3 с патрубком 4 для установки запального устройства и узла контроля факела, коаксиальный корпусу 1 кольцевой газовый коллектор 5, установленный с радиальным зазором S между ним и корпусом 1, трубопровод 6 подачи газа, запасной трубопровод 7 с заглушкой 8, воздуховод 9, образованный центральным отверстием коллектора 5, управляемый завихритель 10, защитный экран 11, установленный с осевым зазором S перед коллектором 5 со стороны факела и радиальным зазором S между ним и корпусом 1, диафрагму 12, магазин 13 со сменными соплами 14, посаженный с возможностью вращения соосно коллектору 5 на прижимную втулку 15 с гайкой 16, в свою очередь, посаженную с фиксацией от проворота в центральное отверстие коллектора 5. Сменные сопла 14 установлены в магазине 13 группами, идентичными друг другу, в количестве, соответствующем заданной инвариантности диаметра d канала сопел 14 в группе. Например: количество сопел 14 в группе - шесть, инвариантность - d: 2,4; 3; 4; 6; 8; 10 мм; количество групп - 8; общее количество сменных сопел 14, установленных в магазине, 13-48 штук. Оси сменных сопел 14 направлены под острым углом α к оси горелки. Диафрагма 12 установлена на магазине 13 с радиальным зазором S между ней и корпусом 1. Прижимная втулка 15 посредством гайки 16 прижимает к торцу коллектора 5 магазин 13 с усилием, обеспечивающим герметичность стыка между ними. В отверстия 17 торца коллектора 5, выполненные в количестве, равном количеству групп сопел 14, вставлены гнезда 18, выполненные в виде патрубка с фланцем из отожженной меди или фторопласта. Гнезда 18 обеспечивают герметичность стыка между магазином 13 и коллектором 5. Прижимная втулка 15 имеет ряд вентиляционных отверстий 19 для подачи охлаждающего воздуха в зазор стыка между магазином 13 и коллектором 5 и штифт 20 для фиксации ее от проворота. На магазине 13 установлен стопор 21, служащий для пошаговой фиксации магазина 13 относительно коллектора 5 в окружном направлении при установке сменных сопел 14 выбранного варианта - d их канала в группах, в створ отверстий 17. На экране 11 и диафрагме 12 установлены теплозащитные покрытия 22 и 23 соответственно, выполненные двухслойными; слой 24 теплоизолирующего материала, например асбеста, и обложка 25 из металла с поверхностью с высоким коэффициентом отражения теплового излучения, например полированная поверхность или покрытая никелем или хромом. Осевой зазор между покрытием 23 на диафрагме 12 и экраном 11 S равен по величине радиальным зазорам S и S, но превышает в два и более раз по величине радиальный зазор S. На оголовке 2 установлена веерная заслонка 26, закрепленная на коллекторе 5 винтами 27. Совмещенной с веерной заслонкой 26 выполнена цилиндрическая кольцевая заслонка 28, причем окна 29 первой попадают в окружном направлении в створ с глухими промежутками 30 между окнами 31 последней. Спицы 32 с насаженными на них поворотными лопатками 33, ввернутые по резьбе в ось 34 управляемого завихрителя 10, закрепляют его в прижимной втулке 15. Передняя и задняя кромки лопатки 33 закруглены радиусом, равным половине ее толщины. Ось 34 установлена также в центральной втулке 35 веерной заслонки 26 и зафиксирована в осевом направлении гайками 36 и шайбами 37. Центральная втулка 35 имеет возможность вращаться и состоит из головки 38 и резьбового ползуна 39 с кольцевой проточкой 40, с которой сопрягаются стержневые поводки 41 поворотных лопаток 33 управляемого завихрителя 10. Головка 38 в осевом направлении зафиксирована в веерной заслонке 26 шлицевым диском 42, посаженным на нее с возможностью передачи ей крутящего момента. Резьбовой ползун 39 сопряжен с осью 34 по резьбе и кинематически связан с возможностью осевого перемещения с головкой 38 передачей крутящего момента торцевыми кулачками 43. Осевой ход h резьбового ползуна 39 ограничен по величине с целью предотвращения выворота лопаток 33 сверх максимального угла поворота β при случайном вращении центральной втулки 35 сверх предусмотренного. Подвижная часть 44 веерной 26 и кольцевой 28 заслонок позиционируется относительно неподвижной части 45 фиксаторами 46 и ими же стопорятся при настройке заслонок 26, 28.
Горелка работает следующим образом.
0
0
Воздух за счет эжектирующего действия газовых струй из сменных сопел 14 и разрежения в печи поступает через окна 29 веерной заслонки 26 и окна 31 кольцевой заслонки 28 в горелку, обтекает коллектор 5 через зазор S и воздуховод 9, смешивается с газом, который сгорает в пламени. Воздух, протекающий по зазору S, является вторичным в отличие от первичного идущего через воздуховод 9 и служит не только для поддержания горения газа, но и для охлаждения и защиты от теплового воздействия коллектора 5, корпуса 1, стенок амбразуры печи, на которой устанавливается горелка. Применение кольцевой заслонки 28 в одном узле с веерной заслонкой 26 снимает все ограничения по расходу воздуха, присущие прототипу. Взаимное расположение окон 29 и 31 кольцевой 28 и веерной 26 заслонок соответственно относительно друг друга предотвращает образование затенений в потоке воздуха по причине наличия глухих промежутков между окнами 29 и 31 и способствует выравниванию поля скоростей потока воздуха, что в конечном счете служит повышению качества и полноты сгорания газа. Поток первичного воздуха, проходя через поворотные лопатки 33 управляемого завихрителя 10, закручивается и вступает в аэродинамическое взаимодействие с радиально-осевыми струями газа из сопел, перемешивается с ними, образует газовоздушную смесь, вращающимся потоком поступающую в амбразуру печи. Пониженное давление в центре потока смеси, обусловленное центробежными силами, способствует притоку возвратными течениями сюда вторичного воздуха, который, примешиваясь к потоку, способствует догоранию несгоревших остатков газа, тем самым обеспечивая повышенные качество и полноту сгорания газа. Интенсивность смешивания газа с воздухом определяется величиной закрутки потока воздуха, проходящего через управляемый завихритель 10, и тем самым задается длина факела пламени горелки. Это объясняется тем, что чем выше интенсивность смешивания, тем раньше, ближе по потоку к соплам 14, образуются локальные зоны газовоздушной смеси с соотношением газа и воздуха, близким к стехиометрическому, тем раньше по потоку происходит воспламенение смеси, тем короче факел.
Направление струй газа из сопел 14 под острым углом α к оси горелки значительно увеличивает интенсивность смешивания газа и воздуха. Это объясняется тем, что смешивание происходит не только при попутном движении струй газа и воздуха по осевым составляющим векторов их скоростей и при поперечном столкновении струй, при движении газа по осевой, а воздуха по окружной составляющей их векторов скорости, но и при встречном столкновении струй газа и воздуха при движении по радиальным составляющим их векторов скоростей, что является наиболее эффективным способом смешивания.
Сам метод подачи газа несколькими струями изначально является самым эффективным способом смешивания воздуха и газа.
Таким образом, изменением угла установки β поворотной лопатки 33 можно изменить степень закрутки потока воздуха, то есть длину факела. Веерной 26 и кольцевой 28 заслонками можно регулировать расход воздуха. Расход газа можно регулировать не только изменением его давления, но и сменой сопел 14. Это осуществляется следующим порядком демонтажа: отворачиваются гайки 36, снимаются шайба 37 и диск 42, освобождаются фиксаторы 46 и снимается подвижная часть 44 веерной 26 и кольцевой 28 заслонок, отворачиваются винты 27 и снимаются заслонки 26, 28, гайка 16 тоже отворачивается, прижимная втулка 15 отжимается и ослабляет прижатие магазина 13 к торцу коллектора 5, затем, двигая освобожденный стопор 21, поворачивают магазин 13 на необходимое число шагов между отверстиями с тем, чтобы сменные сопла 14 в группах с выбранным вариантом d канала сопла 14 встали в створ отверстий 17 коллектора 5. Монтаж в рабочее состояние горелки осуществляется в обратной последовательности операций сборки. На время демонтажа и монтажа подача газа отключается.
Таким образом, возможно регулирование расходов газа и воздуха, а также длины факела.
Изменение угла установки β поворотных лопаток 33 завихрителя 10 осуществляется следующим образом: вращением шлицевого диска 42 вращают головку 38, которая далее приводит во вращение резьбовой ползун 39 через торцевые кулачки 43, последний по резьбе оси 34 сдвигается и кольцевой проточкой 40 посредством стержневых поводков 41 поворачивает лопатки 33 на нужный угол β.
Использование направления винтовой линии резьбы оси 34, обратного по знаку повороту лопаток 33, предотвращает их самостопорение тем, что сила трения F поводков 41 о стенки кольцевой проточки 40 всегда направлена попутно повороту лопаток 33 (см. фиг.4, 5, где N - нормальная сила воздействия стенки проточки 40 на поводок 41; R - результирующая сила; L - плечо момента силы R относительно оси центра поворота лопаток 33). Теплозащита горелки включает защиту коллектора 5 от лучевого теплообмена с факелом, а также охлаждение его воздухом.
Теплозащитные покрытия 22 и 23 экрана 11 и диафрагмы 12 за счет отражения значительной части лучистой энергии факела обложкой 25 и теплоизоляцией слоев 24 асбеста предотвращают перегрев экрана 11 и диафрагмы 12, что значительно снижает вероятность вторичного лучистого теплообмена с ними коллектора 5.
1
3
4
Первичный воздух через отверстия 19 в прижимной втулке 15 за счет центробежных сил во вращающемся потоке воздуха протекает в зазор стыка между магазином 13 и коллектором 5. Также за счет центробежных сил и эжектирующего воздействия струй газа из сопел 14 и струи вторичного воздуха через зазор S в зазор S первичный воздух прокачивается через зазор S. Таким образом, не только коллектор 5, но и магазин 13 как звено в цепи теплопередачи от факела к коллектору 5 обдуваются охлаждающими потоками воздуха, что позволяет эффективно охлаждать горелку, в том числе и сменные сопла 14.
При низких расходах газа желательно применение гнезд 18 из отожженной меди, так как температура магазина 13 повышена из-за сниженной способности к самоохлаждению горелки по причине низкой величины расхода воздуха через нее. При больших расходах газа возможно применение гнезд 18 из фторопласта, поскольку температура магазина 13 низка из-за большой самоохлаждающей способности горелки в связи с большими величинами расхода воздуха, протекающего через нее.
Направление струй газа из сопел 14 под острым углом α к оси горелки значительно увеличивает интенсивность смешивания газа и воздуха. Это объясняется тем, что смешивание происходит не только при попутном движении струй газа и воздуха по осевым составляющим векторов их скоростей и при поперечном столкновении струй, при движении газа по осевой, а воздуха по окружной составляющей их векторов скорости, но и при встречном столкновении струй газа и воздуха при движении по радиальным составляющим их векторов скоростей, что является наиболее эффективным способом смешивания.
Использование изобретения позволит создать горелку с повышенными эффективностью, качеством и полнотой сгорания газа и возможностью в широком диапазоне регулировать ее мощность. Горелка проста и надежна в обслуживании и регулировании, технологична в изготовлении.