ГАЗОВАЯ ГОРЕЛКА ПОЛНОГО ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО СМЕШИВАНИЯ С ИЗМЕНЯЕМЫМИ ДИАПАЗОНАМИ МОДУЛЯЦИИ
GAS BURNER OF COMPLETE PREMIXING WITH VARIABLE MODULATION RANGES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к теплоэнергетике, к устройству газовых горелок предварительного смешивания горючих газов. Может применяться для газовых теплогенераторов систем централизованного и децентрализованного отопления и подготовки горячей воды, промышленных установок и в индивидуальном строительстве.
Уровень техники
В современных системах отопления и подготовки горячей воды широко используются газовые котлы, оснащенные модуляционными горелками, обеспечивающими автоматическое изменение мощности в зависимости от потребности в тепле. Диапазон изменения мощности горелки - важнейший показатель, влияющий на энергетическую эффективность энергетической установки и количество вредных выбросов в атмосферу, возникающих при сгорании топлива. Способность максимально обеспечить комфорт в отапливаемом помещении, достичь наивысших показателей энергетической эффективности, экономичности, увеличить срок службы теплогенерирующей системы определяется диапазоном изменения мощности горелки.
Известно, что широкий диапазон изменения мощности теплогененирующего устройства можно достигнуть последовательным включением нескольких менее мощных теплогенераторов, объединяя их в каскад котлов. При этом диапазон изменения мощности может достигать значений, равных 10 и более раз. Диапазон изменения тепловой мощности цилиндрических горелок, выполненных в одном устройстве, обычно не превышает 5 раз.
Известно изобретение - котел для отопления, содержащий корпус, подводящие и отводящие магистрали для воды и топлива, теплообменные, параллельные между собой, секции, горелку, общие теплообменник и газоотводную трубу, отличающийся тем, что теплообменные секции котла выполнены съемными, независимыми друг от друга, для чего каждая секция снабжена вытяжным вентилятором, индивидуальной горелкой и первичным теплообменником, первичные теплообменники связаны с общим вторичным теплообменником, на подводящих и отводящих магистралях установлена запорная арматура, при этом на входе теплообменных секций установлены клапаны, регулирующие подачу газа. Данный котел, благодаря каскаду параллельно соединенных секций отдельных котлов, обладает высоким диапазоном изменения тепловой мощности. (Патент на изобретение RU 2688132 С1, МПК F24H 1/32, опубл. 17.05.2019 г.).
Недостатком данного котла для отопления являются высокая стоимость конструкции.
Известно изобретение - конденсационный котел, состоящий из основной секции с нагревательным элементом в виде газогорелочного устройства с автоматическим регулировочным устройством подачи газа и нескольких, расположенных вертикально, дополнительных секций, каждая из которых содержит корпус, теплообменник в виде трубчатого змеевика и патрубки, отличающаяся тем, что конструкция содержит газогорелочное устройство полного предварительного смешивания горючей смеси расположено в верхней части конденсационного котла, нескольких, последовательно соединенных вертикально по направлению вниз, конвекционных кассет теплообменника, расположенных в зоне горения цилиндрической горелки, нескольких, последовательно соединенных по направлению вниз, конденсационных кассет теплообменника, расположенных вне зоны пламени цилиндрической горелки, дымохода, отводящего продукты сгорания через нижнюю часть вертикально расположенного котла. (Патент на изобретение RU 2725739 С1, МПК F24H 1/00, опубл. 03.07.2020 г.)
Недостатком данного конденсационного котла является узкий диапазон изменения мощности.
Наиболее близким по технической сути к предполагаемому изобретению является двухдиапазонная модуляционная газовая горелка полного предварительного смешивания, состоящая из цилиндрической головки, заглушенной с одной стороны и прикрепленной к фланцу корпуса горелки другой стороной, образующая поверхность головки горелки перфорирована отверстиями для выхода газообразной смеси топлива, отличающаяся тем, что цилиндрическая часть горелки разделена внутренней перегородкой, разделяющей горелку на две зоны, работа одной из которых может выполняться отдельно. В разделительной перегородке установлен клапан с штоком, обеспечивающий прохождение газовоздушной топливной смеси между внутренними зонами цилиндрической части горелки, образуя единое пространство и обеспечивающий горение по всей поверхности горелки. Открытие клапана осуществляется электромеханическим приводом посредством перемещения штока клапана. Данная двухдиапазонная горелка полного предварительного смешивания позволяет осуществлять изменение производимой при сгорании газообразного топлива мощности в несколько десятков раз. (Патент на изобретение RU 2727117 С1, МПК F23D 14/02, опубл. 20.07.2020 г.)
Недостатком данной конструкции является то, что диапазоны изменения мощности газогорелочного устройства жестко фиксированы положением внутреннего клапанного устройства.
Теплогенераторы, составной частью которых является газогорелочное устройство полного предварительного смешивания, могут применяться в разных климатических условиях при разной продолжительности отопительного периода. Также теплогенераторы могут использоваться для разных режимов работы, к примеру, режим отопления (постоянного, круглосуточного использования) и режим подготовки горячей воды (кратковременного использования максимальной мощности). Соотношения между данными режимами потребления тепловой мощности зависят от конкретных параметров потребления тепловой энергии, размеров зданий, количества пользователей, конкретных климатических условий расположения объекта.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является разработка цилиндрической горелки предварительного смешивания, способной устойчиво функционировать в широком диапазоне изменения от 5 процентов до 100 процентов тепловой мощности теплогенерирующего устройства, обеспечивающим наивысшую эффективность при работе систем отопления, горячего водоснабжения и других технологических процессах за счет возможности максимально полного соответствия производимой тепловой мощности величине потребной тепловой мощности рассматриваемых объектов.
Газовые котлы широко применяются в отоплении и подготовке горячей воды индивидуальных домохозяйств, для поквартирного отопления и подготовки горячей воды многоэтажных городских домов. При этом средняя площадь квартир составляет 55 квадратных метров, и для отопления данного помещения требуется не более 5 киловатт тепловой энергии в час, а в весенне-осенний период времени - не более 2 киловатт в час. Для подготовки горячей воды в таких квартирах требуется тепловая мощность от 20 до 24 киловатт в час. Применяемые для данных целей настенные газовые котлы имеют мощность от 20 до 24 киловатт при модулировании тепловой мощности от 7 до 24 киловатт. (Торопов А.Л., «Настенные газовые котлы автономных систем теплоснабжения. История создания. Основные элементы. Классификация. Часть 1. Конвекционные настенные газовые котлы, учебное пособие». - М.: Издательский дом Академии Естествознания, 2020. - 60 с. ISBN 978-5-91327-630-8 DOI 10. 17513/пр.411). Таким образом, применяемые в настоящее время для указанных целей настенные газовые котлы для обеспечения режима «отопление» с мощностью от 2 до 3 киловатт не могут работать без перерывов в работе, переходя в режим «тактования» (постоянного включение - выключения). Режим «тактования» - наиболее опасный режим с максимальными выбросами парниковых газов в процессе работы, наихудшими характеристиками энергетической эффективности и наименьшими сроками службы котлов. Необходимо минимизировать данный режим работы в котельном оборудовании. Таким образом, двухдиапазонные горелки полного предварительного смешивания, работающие в одном диапазоне изменения мощности для режима отопления и в другом диапазоне изменения мощности в режиме подготовки горячей воды - наилучший вариант исключения режимов «тактования» работы котельного оборудования с минимальными выбросами парниковых газов. Однако фиксированное расположение внутреннего клапанного устройства горелки, то есть жесткое деление диапазонов регулирования, не учитывает конкретные условия размещения объекта потребления тепловой энергии, климатических факторов, интенсивности режимов работы.
Технический результат достигается с помощью того, что цилиндрическая часть горелки разделена внутренней перегородкой, таким образом происходит разделение поверхности горения горелки теплового генератора на два диапазона, с возможностью изменения величин диапазонов относительно друг друга, определенных для конкретного объекта и климатических условий. Один выделенный диапазон полностью обеспечивает режим отопления с небольшой тепловой мощностью, второй диапазон изменения мощности полностью обеспечивает режим подготовки горячей воды. Это решение выполняется с помощью клапанного устройства, расположенного внутри цилиндрической части горелки, положение которого может изменяться по длине горелки, и приводимого в движение электромеханическим или электромагнитным приводом. Площадь горения первой зоны составляет от 10 процентов до 50 процентов от полной поверхности горения и формирует первый диапазон изменения тепловой мощности горелки, предназначенный для отопления. Второй диапазон изменения тепловой мощности распространяется на всю поверхности горения. Полный диапазон изменения тепловой мощности может составлять 50 раз, что многократно превышает диапазоны изменения тепловой мощности газовых горелок с одним диапазоном изменения.
Краткое описание чертежей
На чертеже изображена схема цилиндрической газовой горелки полного предварительного смешивания с изменяемыми диапазонами модуляции.
Предлагаемая в качестве изобретения газовая горелка состоит из цилиндрического корпуса 1 из нержавеющей стали с отверстиями для прохождения газовоздушной смеси, торцевой заглушки 2, прикрепленных к фланцу корпуса 3 перегородки 4 с центральным отверстием и направляющим, в которых перемещается клапан 5 со штоком, поступательное движение которого выполняется с помощью привода 6. Газовоздушная смесь предварительно смешенного топлива поступает в горелку через проход 7. Цилиндрическая часть горелки 1 может быть покрыта сеткой 8 - слоем из металлической проволоки или керамической конструкции для более равномерного низкопламенного горения. Перегородка 4 прикреплена к перфорированному отверстиями цилиндру 9 (отверстия цилиндра на чертеже не изображены) и способна перемещаться вдоль оси горелки с помощью привода 10 на заданное расстояние.
Осуществление изобретения
Газовоздушная смесь полного предварительного смешивания поступает в корпус горелки через проход 7 и отверстие фланца 3. Клапан 5 закрыт, таким образом, газовоздушная смесь заполняет одну зону D, являющейся только частью горелки. Газовоздушная смесь через отверстия цилиндра 9 выходит на поверхность горелки 1 только в зоне длиной А общей длины цилиндрической части горелки С, где поджигается воспламенителем (на чертеже не изображен), при этом газ воспламеняется, и при его сгорании выделяется тепловая мощность, предназначенная для обеспечения необходимых технологических процессов. Мощность горелки определяется размером горелки А. Высота пламени определяется давлением газовоздушной смеси в зоне D, которое может изменяться с помощью газового клапана подачи топлива и вентилятора (на чертеже не изображены). Диапазон изменения давления газовоздушной смеси определяет диапазон изменения (модуляции) тепловой мощности горелки, образуя в целом, первый диапазон тепловой мощности горелки. В случае необходимости увеличения тепловой мощности горелки 1, системой управления работой газовой горелки подается сигнал на привод 6 штока клапана 5, клапан открывается, и газовоздушная топливная смесь поступает в зону Е через отверстие в перегородке 4, при этом газовое топливо выходит на поверхность горелки 1 по всей длине С, где воспламеняется. Второй диапазон мощности горелки равен сумме мощностей первой зоны D и второй зоны Е горелки. Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет эффективно работать газовой горелке в широком диапазоне изменения вырабатываемой тепловой мощности в двух диапазонах с модуляцией мощности как внутри первого диапазона, так и внутри второго диапазона. Широкий диапазон изменения мощности обусловлен возможностью изменения как давления газа в газовоздушной смеси топлива, так и возможностью изменения площади горения топлива. При первоначальной настройке работы горелки и теплогенерирующего агрегата в целом в зависимости от конкретных условий эксплуатации, климатического расположения объекта и необходимого соотношения мощности режимов работы горелки положение перегородки 4, прикрепленной к перфорированному отверстиями цилиндру 9, выставляется с помощью привода 10. Соотношение зон Е и D меняется. Для обеспечения возможности перемещения клапана 5 со штоком при перемещении перегородки 4 служит привод 6 движения клапана 5.
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:
- горелка способна работать в двух диапазонах необходимой тепловой производительности, обеспечивая плавное регулирование тепловой мощности внутри каждого диапазона отдельно;
- соотношение диапазонов тепловой мощности может меняться, максимально адаптироваться к конкретным задачам теплового обеспечения объекта в зависимости от климатического расположения, размеров, количества потребителей тепловой энергии;
- полный диапазон изменения тепловой мощности горелки превышает значение известных конструкций в несколько раз;
- применение данного изобретения позволяет обеспечивать совпадение необходимой и производимой тепловой мощности объекта;
- широкий диапазон производимой тепловой мощности позволяет исключить режимы «тактования» (периодического включения - выключения генерации тепловой мощности), что увеличивает ресурс работы всей технологической системы;
- возможность работы системы в режиме полного постоянного теплового баланса, обеспечивает минимальные выбросы парниковых газов, возникающих при сгорании топлива;
- благодаря широкому диапазону регулирования и работе горелки в режиме полного теплового баланса минимизируется потребление топлива, что приводит к работе с максимальной энергетической эффективностью и снижению стоимости эксплуатационных затрат.
Поскольку заявленное изобретение отличается от наиболее близкого аналога рядом существенных признаков, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».
В основу заявленного изобретения положены известные законы материального мира, что позволяет утверждать о соответствии изобретения условию «промышленная применимость»
Поскольку из уровня техники не известно выполнение конструкции горелки предварительного смешивания двухдиапазонного модуляционного типа, позволяющей плавно регулировать тепловую мощность в двух раздельных, изменяемых в зависимости от потребности, диапазонах тепловой нагрузки, значительно отличающихся между собой, можно сделать вывод о соответствии заявленного устройства условию патентоспособности «изобретательский уровень».