РАДИАЦИОННАЯ ГАЗОВАЯ ГОРЕЛКА

Полезная модель относится к области «малой» теплоэнергетики, в частности к конструкциям газовых радиационных горелочных устройств, предназначенных для установки в теплогенерирующие устройства (в т.ч. водогрейные и паровые котлы).
Известна радиационная газовая горелка, содержащая жаропрочный пористый цилиндрический насадок с заглушкой с одной стороны и газоподводящим патрубком с соплом с другой стороны (RU № 2462661, F23D14/14, 2012).
Недостатками данного решения являются низкий ресурс пористого насадка, что обусловлено высокими термо-механическими градиентами материала на границе зон инжекции воздуха и горения.
Известна также, радиационная газовая горелка, содержащая узел подвода газовоздушной смеси и инфракрасный излучатель, выполненный из пористого жаропрочного материала в виде полой трубы (см. RU № 2640305 F23D 14/16, 2017).
Недостаток этого решения возможность размещения излучателя только в вертикальном исполнении, следовательно, теплогенератор возможен только в подовом исполнении горелочного устройства.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, выражается в расширении компоновочных возможностей горелочного устройства.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в возможности размещения горелочного устройства в любой плоскости: горизонтально, вертикально, диагонально и т.д., что позволит использовать его в теплогенераторах любой компоновки.
Для решения поставленной задачи радиационная газовая горелка, содержащая узел подвода газовоздушной смеси и инфракрасный излучатель, выполненный из пористого жаропрочного материала в виде полой трубы, отличается тем, что диаметр полой трубы и толщина ее стенок выполнены постоянными, при этом узел подвода газовоздушной смеси выполнен в виде полого корпуса, содержащего две обращенные друг к другу фланцами, соосные друг другу и полой трубе, втулки, при этом между фланцами размещена прокладка, причем торец приемной втулки герметично заглушен, и через ее стенку герметично пропущены патрубок подачи газа и патрубок подачи воздуха, а свободный конец выпускной втулки герметично вставлен в отверстие полой трубы, кроме того, соосно продольной оси приемной и выпускной втулок, с зазором к их стенкам, размещена подающая труба, герметично пропущенная через прокладку, при этом оба открытых конца полой трубы снабжены одинаковыми узлами подвода газовоздушной смеси, кроме того, диаметр полости подающей трубы составляет 0,25-0,3 от диаметра полости инфракрасного излучателя, а расстояние между торцами подающих труб составляет 0,9 от расстояния между обращенными друг к другу торцами выпускных втулок.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков отличительной части формулы полезной модели обеспечивают решение поставленной технической задачи, а именно, возможной компоновки устройства независимо от ориентации в пространстве. При этом признаки отличительной части формулы полезной модели обеспечивают решение следующих функциональных задач.
Признаки «диаметр полой трубы и толщина ее стенок выполнены постоянными» обеспечивают возможность двусторонней компоновки инфракрасного излучателя, обеспечивая равенство режимных параметров их работы.
Признаки «узел подвода газовоздушной смеси выполнен в виде полого корпуса, содержащего две обращенных друг к другу фланцами, соосных друг другу и полой трубе втулки» обеспечивают возможность подвода газовоздушной смеси в горелку, «разборность» узла и, тем самым, упрощение его изготовления и эксплуатации горелки.
Признак, указывающий, что «между фланцами размещена прокладка», вместе с признаком «торец приемной втулки герметично заглушен и через ее стенку герметично пропущены патрубок подачи газа и патрубок подачи воздуха» обеспечивает формирование камеры для смешивания газа и воздуха, перед их подачей в инфракрасный излучатель.
Признак, указывающий, что «свободный конец выпускной втулки герметично вставлен в отверстие полой трубы» обеспечивает соединение узла подвода газовоздушной смеси и инфракрасного излучателя.
Признаки, указывающие, что «соосно продольной оси приемной и выпускной втулок, с зазором к их стенкам, размещена подающая труба, герметично пропущенная через прокладку» обеспечивают ввод газовоздушной смеси в инфракрасный излучатель и равномерность ее распределения по периметру его полости.
Признаки, указывающие, что «оба открытых конца полой трубы снабжены одинаковыми узлами подвода газовоздушной смеси» обеспечивают симметричность условий сжигания газовоздушной смеси по длине инфракрасного излучателя.
Признаки, указывающие, что «диаметр полости подающей трубы составляет 0,25-0,3 от диаметра полости инфракрасного излучателя, а расстояние между торцами подающих труб составляет 0,9 от расстояния между обращенными друг к другу торцами выпускных втулок» оптимизируют условия «работы» горелки.
Заявленное устройство иллюстрируется чертежом, где показан его продольный разрез.
На чертеже показаны инфракрасный излучатель, выполненный в виде полой трубы 1, узел подвода газовоздушной смеси содержит приемную 2 и выпускную 3 втулки, с фланцами 4, между которыми размещена прокладка 5, патрубки подачи газа 6 и воздуха 7, продольная ось 8, подающая труба 9, ее торцы 10, торцы 11 выпускных втулок 3.
Радиационная газовая горелка, содержит узел подвода газовоздушной смеси, и инфракрасный излучатель, выполненный в виде полой трубы 1, из пористого жаропрочного (никель-алюминиевого) материала.
Диаметр полой трубы 1 и толщина ее стенок выполнены постоянными по всей длине, соотношение толщины стенки инфракрасного излучателя к его диаметру составляет 1:6, пористость инфракрасного излучателя составляет 50-60%, структура порового пространства инфракрасного излучателя изотропна с размером газотранспортных пор 400-1000 мкм. Длина излучателя (участка между торцами 11 выпускных втулок 3, без учета участка, контактирующего с выпускной втулкой 3) равна 4-7 его диаметрам. Эта длина инфракрасного излучателя является оптимальной, при этом использование излучателей длиной менее четырех диаметров приводит к снижению радиационного КПД горелки, а использование излучателей с длиной более 7 диаметров может ухудшать параметры экологии.
Пористость излучателя на уровне 50-60%, а также соотношение толщины стенки излучателя к его диаметру, равное 1:6, позволяют обеспечить оптимальную прочность конструкции излучателя при сохранении приемлемого уровня газодинамического сопротивления.
Горение топливно-воздушной смеси происходит во внутреннем объеме пористого жаропрочного цилиндрического излучателя (полой трубы 1).
Для обеспечения приемлемой экологической чистоты уходящих газов необходимо задавать коэффициент избытка воздуха не менее 1,2 при сжигании метана и не менее 1,25 при сжигании пропан-бутана. В этом случае во всем диапазоне регулирования мощности горелки выбросы будут характеризоваться концентрациями монооксида углерода менее 57 ppm и суммы оксидов азота менее 27 ppm, приведенных к сухим неразбавленным воздухом продуктам сгорания.
Данные уровни концентрации отравляющих веществ находятся в соответствии с самыми строгими международными стандартами экологии, применяемыми для регулирования выбросов бытовых газовых котлов такими организациями как Nordic Ecolable White Swan, Clean Air Alliance of China, South Coast Air Quality Management District.
Узел подвода газовоздушной смеси содержит приемную 2 и выпускную 3 втулки, выполненные из нержавеющей стали. Втулки 2 и 3 снабжены фланцами 4, которыми они обращены друг к другу, при этом между фланцами 4 размещена прокладка 5 из вспененной оксидной керамики.
Торец приемной втулки 2 герметично заглушен. Через ее стенку герметично пропущены патрубок подачи газа 6 и патрубок подачи воздуха 7, размещенные на образующей ее внешней поверхности.
Свободный конец выпускной втулки 3 герметично вставлен в отверстие полой трубы 1, кроме того, соосно продольной оси приемной и выпускной втулок, с зазором к их стенкам, размещена подающая труба, герметично пропущенная через прокладку.
Втулки 2 и 3 соосны друг другу и продольная ось 8 полой трубы 1.
Соосно продольной оси приемной 2 и выпускной 3 втулок, с зазором к их стенкам, размещена подающая труба 9, герметично пропущенная через прокладку 5.
Диаметр полости подающей трубы 9 составляет 0,25-0,3 от диаметра полости инфракрасного излучателя (полой трубы 1), а расстояние между торцами 10 подающих труб 9 составляет 0,9 от расстояния между обращенными друг к другу торцами 11 выпускных втулок 3, что гарантирует невозможность проскока пламени в зону смешения газов (в полость приемной втулки 2) и обеспечивает интенсивный турбулентный теплообмен между втекающей газо-воздушной смесью и стенками полой трубы 1. Расстояние между заглушкой приемной втулки 2 и обращенным к ней торцом подающей трубы 9 составляет 1,5-2,5 диаметра полости этой трубы.
2
Диапазон регулирования удельной мощности радиационной газовой горелки составляет от 15 до 40 Вт/см, рассчитанных как полная мощность горелки, отнесенная к площади поверхности инфракрасного излучателя.
Диапазон максимальных мощностей горелок, изготавливаемых по данному изобретению, может варьироваться от 3 кВт для инфракрасного излучателя диаметром 3 см до 340 кВт для инфракрасного излучателя диаметром 30 см.
Для запуска горелки в корпус симметрично, с двух сторон, подается топливо-воздушная смесь с заданным целевым коэффициентом избытка воздуха, менять который в течение процедуры запуска и выхода горелки на стационарный режим не нужно, пламя поджигается с внешней поверхности инфракрасного излучателя, после чего в течение 30-60 секунд происходит проскок пламени во внутреннюю полость инфракрасного излучателя, где пламя стабилизируется во внутреннем объеме излучателя.
Выход горелки на стационарный режим занимает от 2 до 5 минут. При этом экспериментально установлено, что обеспечить проскок пламени внутрь полости излучателя на этапе розжига горелки позволяет использование инфракрасного излучателя с размером пор более 300 мкм, но для обеспечения экологичности газовых выбросов размер пор принят в диапазоне 400-1000 мкм.
Смесь проходит по подающим трубам 9, нагреваясь внутренним излучением полой трубы 1. Выходя из подающих труб 9, смесь поджигается и сгорает. Газы – продукты сгорания проходят сквозь стенки полой трубы 1. Внешняя поверхность полой трубы 1 нагревается пламенем до 700-1100°С. Тепловое излучение с ее поверхности излучается во внешнее пространство.