ПРОНИЦАЕМАЯ МАТРИЦА ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ГОРЕЛКИ И СПОСОБ ЕЁ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
PERMEABLE MATRIX FOR INFRARED TORCH AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE

Изобретение относится к газовым горелкам для нагревательных устройств различного назначения, использующих тепло сжигаемого газообразного углеводородного топлива, а именно к проницаемым матрицам для таких горелок и прежде всего для инфракрасного излучения.
Известен генератор инфракрасного теплового излучения (по патенту US4373904, кл. F23D 13/12, опубл. 15.02.1983), который имеет огнеупорную пористую панель из керамических волокон, установленную своими краями на опоре, образуя камеру сгорания газовой смеси, из которой смесь проходит через панель на ее внешнюю поверхность. Трубопровод для негорючего газа (воздуха) проходит вдоль края панели и выпускает этот негорючий газ  (воздух) через панель по всему ее краю, чтобы смесь для сжигания не выходила через края панели, где горение может повредить панель. Дополнительная герметизация панели осуществляется сжатием ее по краям примерно на 10%. Один или несколько краев прямоугольной панели могут быть расположены в виде зависимого фланца с его монтажом, по меньшей мере, частично утопленным, так что две или более панелей могут быть соединены, чтобы сформировать эффективно непрерывную излучающую в инфракрасном диапазоне поверхность относительно большого размера).
В генераторе инфракрасного теплового излучения используется пористая волокнистая огнеупорная панель, однако, не указана её конструкция, состав, эффективность теплового излучения и способ изготовления.
Известна газовая инфракрасная горелка с панелями из пористого керамического волокна (по патенту US4416618, кл. F23D 13/12, опубл. 22.11.1983). Горючая смесь протекает через панель и сгорает на её поверхности. Горелка имеет конструкцию, позволяющую устанавливать несколько горелок близко друг к другу, и имеет различные устройства для снижения температуры горловины горелки, в которой установлены панели. Также показано автономное электрическое зажигание и дополнительное излучение от добавляемых панелей, нагреваемых горячими газами сгорания.
Недостатком данного технического решения является то, что панель (матрица), изготавливаемая из керамических волокон, не обладает эффективным тепловым инфракрасным излучением и не имеет достаточной прочности и упругости, что требует установки дополнительного каркаса.
Известна радиационная газовая горелка (по патенту RU2094703, кл. F23D 14/12, опубл. 27.10.1997), которая содержит газовое сопло, смеситель, горелочный насадок и защитную крышку. Горелочный насадок  выполнен из металловойлочного пористого тела, изготовленного из жаропрочного и жаростойкого сплава с полностью открытой, переменной по толщине объемной пористостью в интервале 90-98%, с переменным по толщине горелочного насадка средним размером пор в диапазоне 50-1000 мкм, уменьшающимся в направлении к защитной крышке с дискретными волокнами, выступающими над внешней поверхностью и расположенными под углом к последней, при этом металловойлочное пористое тело установлено в несущей обойме из жаропрочного материала.
Недостатком данного решения является то, что металловойлочное пористое тело изготавливается из дискретных волокон нитевой проволоки малого диаметра жаропрочного и жаростойкого сплава. Это не обеспечивает достаточное переплетение волокон между собой и создание ориентированных поровых каналов, что снижает способность пористого тела к перемешиванию потока газовоздушной смеси и снижает эффективность горения. Нитевые проволоки малого диаметра склонны к интенсивному окислению при высоких температурах и не способны к эффективному радиационному тепловому излучению в инфракрасном диапазоне.
Известны горелочные устройства с объемной матрицей из высокопористой металлической пены (пенометалла), обеспечивающей горение газовоздушной смеси с высокой эффективностью (https://naukarus.com/gorenie-prirodnogo-gaza-na-poverhnosti-matrits-iz-vysokoporistoy-metallicheskoy-peny). Структура матрицы из высокопористой металлической пены показана на фиг.1.
Основным недостатком этого исполнения матрицы и препятствием к применению, несмотря на эффективность, является ее недолговечность из-за склонности к разрушению под действием напряжений в структуре неэластичного  пенометалла.
В качестве прототипа взята радиационная горелка для поверхностного горения (по патенту US4597734, кл. F23D 14/12, опубл. 01.07.1986), содержащая раму из непроницаемого материала, поддерживающую пористый элемент, проницаемый для газа, и трубопровод для подачи горючей газовой смеси в газораспределительное пространство, заключенное в раму и пористый элемент. Причем пористый элемент образован из металлических нитей диаметром 50 мкм из сплава, содержащего железо, хром и алюминий и обладающий свойством образования слоя оксида алюминия при нагревании в присутствии кислорода.
Недостатком прототипа, также как одного из аналогов, является недостаточная способность волокнистого пористого элемента к перемешиванию потока газовоздушной смеси, обусловленного тем, что пористый элемент изготавливается однородным однослойным из проволочных волокон. Это снижает эффективность предварительного смешивания и последующего сгорания газовоздушной смеси. Нитевые проволоки малого диаметра не позволяют создавать режим горения, при котором излучающая поверхность нагревается до высокой температуры. Поэтому волокнистые пористые элементы из таких проволок не способны к эффективному радиационному тепловому излучению в инфракрасном диапазоне и предотвращению проскока пламени в поступающую газовоздушную смесь.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении эксплуатационной надежности, срока службы, эффективности горения и экологичности инфракрасной газовой горелки, а также повышение технологичности её изготовления за счет применения в конструкции многослойной матрицы из проволочно-проницаемого материала (ППМ).
Указанный технический результат достигается тем, что проницаемая матрица для инфракрасной горелки состоит из проволочно-проницаемого материала и отличается тем, что имеет не менее двух спрессованных между собой слоёв, один из которых выполнен из нержавеющей стали, а другой – из фехраля.
Описанная проницаемая матрица для инфракрасной горелки изготавливается способом, который заключается в формировании не менее двух цилиндрических проволочных заготовок для каждого слоя, одна заготовка выполняется из нержавеющей стали, а другая – из фехраля, заготовки разрезают вдоль оси, после этого заготовки имеют выпуклую и вогнутую стороны, затем заготовки укладывают друг на друга и спрессовывают между собой.
Кроме того, заготовки могут укладывать так, что линии реза каждой заготовки параллельны друг другу, при этом вогнутая сторона слоя из нержавеющей стали контактирует с вогнутой стороной слоя из фехраля.
Кроме того, матрица может иметь дополнительный излучающий слой, выполненный из фехраля и установленный на расстоянии не менее 2 мм от слоя из фехраля.
Проволочно-проницаемый материал может быть изготовлен из витых спиралей, гофрированной сетки, рукавной сетки.
Кроме того, площадь межвиткового канала между смыкаемыми проволоками может быть не менее 1/3 площади поперечного сечения проволоки.
Предпочтительная толщина каждого слоя не менее 2 мм.
Предпочтительный диаметр проволоки, из которой изготовлен проволочно-проницаемый материал от 0,15 до 2 мм.
Предпочтительным материалом для слоя из нержавеющей стали является 12Х18Н10Т, а для слоя из фехраля – Х23Ю5Т.
Кроме того, на проволоку проволочно-проницаемого материала может быть нанесено покрытие оксида титана или циркона.
Кроме того дополнительный излучающий слой может быть выполнен из проволочной сетки  с живым сечением от 5 до 90% с диаметром проволоки от 0,3 до 3 мм.
Предлагаемое изобретение поясняется следующими чертежами, на которых изображен частный случай её реализации:
Фиг. 2 – четырёхслойная проницаемая матрица с дополнительным излучающим слоем;
Фиг. 3 – ППМ для проницаемой матрицы;
Фиг. 4 – цилиндрические заготовки;
Фиг. 5 – цилиндрические заготовки после разреза;
Фиг. 6 – порядок и расположение заготовок перед прессованием;
Фиг. 7 – проницаемая матрица в горелочном устройстве;
Фиг. 8 – межвитковый канал проницаемой матрицы.
Конструкция проницаемой матрицы рассмотрена на примере четырёхслойной матрицы с дополнительным излучающим слоем (фиг. 2). Проницаемая матрица состоит из четырёх спрессованных между собой слоёв проволочно-проницаемого материала: первый слой 1 и второй слой 2 выполнены из нержавеющей стали, а третий слой 3 и четвёртый слой 4 из фехраля. Матрица также содержит дополнительный излучающий слой 5, который выполнен из проволочно-проницаемого материала, изготовленного из фехраля. Дополнительный излучающий слой 5 располагается на расстоянии h от слоя 4. Предпочтительно расстояние h не менее 2 мм.
1
1
2
2
Матрица изготавливается следующим способом. Способ описан на примере матрицы, которая была изготовлена и испытана в радиационной горелке на природном газе. Сначала формируют для каждого слоя четыре цилиндрических проволочных заготовки 6, 7, 8, 9 (фиг. 4) соответственно для первого, второго, третьего и четвёртого слоёв. Заготовка может быть изготовлена путем перекрёстной многослойной намотки на оправку витых спиралей (растянутой пружины), из проволоки диаметром 0,3 мм. Толщина стенки каждой заготовки 5 мм. Материал заготовок 6 и 7 – нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, а заготовок 8 и 9 – фехраль Х23Ю5Т. Также цилиндрические заготовки можно изготовить из гофрированной сетки или рукавной сетки. При этом цилиндрические проволочные заготовки 6 и 9 имеют диаметр D 110 мм, и длину А 260 мм, а заготовки 7 и 8 – диаметр D 104 мм и длину А 280 мм.
1
1
2
2
После этого каждую заготовку разрезают вдоль оси. Заготовки при этом будут иметь выпуклую и вогнутую стороны (фиг. 5). Например, размер разрезанных заготовок 6 и 9 А х В – 260 мм х 280 мм, а размер разрезанных заготовок 7 и 8 А х В – 280 мм х 260 мм. Затем заготовки укладывают в пресс-форму 10 друг на друга (фиг. 6) таким образом, что линии реза каждой заготовки параллельны друг другу, а вогнутая сторона заготовки 6 контактирует с выпуклой стороной заготовки 7, вогнутая сторона заготовки 7 контактирует с вогнутой стороной заготовки 8, выпуклая сторона заготовки 8 контактирует с вогнутой стороной заготовки 9. Последовательность укладки заготовок: первый и второй слой из нержавеющей стали (заготовки 6 и 7), третий и четвертый из фехраля (заготовки 8 и 9). После чего заготовки спрессовывают между собой в четырёхслойную матрицу.
Дополнительный излучающий слой изготавливается и устанавливается отдельно.
Применение.
Проницаемая матрица применяется в составе инфракрасной газовой горелки, которая может использоваться в различных отраслях техники в качестве замены факельных горелок и в быту в качестве замены газовых горелок с «открытым пламенем». Инфракрасные газовые горелки могут иметь различную конфигурацию, форму и размеры, соответственно, проницаемая матрица по настоящему изобретению также может иметь различную конфигурацию, форму и размеры.
1
2
Газовоздушная смесь (ГВС), сформированная в горелке, поступает на проницаемую матрицу из ППМ (фиг. 7). Структура ППМ представляет собой сплетение определенно ориентированных проволочных спиралей, которые в результате последовательного холодного прессования в специальных пресс-формах образуют проницаемую во всех направлениях открыто-пористую систему канальчатого типа, обеспечивающую требуемые механические, физические, гидродинамические и другие параметры. Соотношение диаметра проволоки и площади межвиткового канала (между смыкаемыми в процессе прессования  витками проволоки) определяет структуру канала матрицы горелки. В канале создаются условия для предпламенных химических процессов в поступающей ГВС за счет теплопередачи по разогреваемой горением проволоке, а также условия для объемного горения этой смеси в нижних по потоку слоях прессованной матрицы. Экспериментально установлено, что площадь межвиткового канала S между смыкаемыми проволоками 11 (фиг. 8) должна быть не менее 1/3 площади поперечного сечения проволоки S.
На Фиг.2 изображена матрица из пяти слоев. Каждый из слоёв при прохождении через них ГВС выполняет следующие функции:
1 слой – обеспечивает предпламенную подготовку ГВС, включающее смешение и предварительный подогрев ГВС;
2 слой – обеспечивает исключение условий проскока пламени в смесительный объем поступающих горючих газов;
3 слой – обеспечивает реализацию горения смеси горючих газов в поверхностном объёме ППМ для разогрева металла проволочных «витков» до температур эффективной конверсии углеводородных составляющих горючей смеси для последующего инфракрасного излучения ППМ;
4 слой – обеспечивает реализацию разогрева излучающего экрана до температур необходимых для интенсивного излучения в инфракрасном спектре в заданном направлении;
5 слой – дополнительный излучающий слой (экран) представляет собой подогреваемый переизлучающий экран, обеспечивает передачу тепла инфракрасным способом к принимающей поверхности и в окружающую среду и рекуперацию тепла в нижерасположенные слои для устойчивого горения в широком диапазоне соотношения компонентов  газовой смеси.
Верхние по потоку слои целесообразнее делать из проволоки меньшего диаметра и с меньшими межвитковыми каналами, чем нижние по потоку слои.
Проницаемая матрица из ППМ обладает упругостью, высокой термической и химической стойкостью, ударостойкостью, не имеет склонности к растрескиванию при попадании на нагретую поверхность холодного продукта. Форма канала в проницаемой матрице представляет собой щель переменного сечения между соседними проволочными витками. Матрица из ППМ, при прохождении через нее газовоздушной смеси, оказывает потоку минимальное гидравлическое сопротивление и одновременно способствует интенсивному перемешиванию ГВС и максимальной гомогенизации ГВС, а за счет теплопроводности металла обеспечивает предварительный подогрев ГВС в матрице и, соответственно, эффективное горение.
Кроме того, объемная трехмерная структура ППМ отличается весьма значительной протяженностью поровых каналов, что увеличивает путь и время прохождения ГВС через объем матрицы, следовательно, и время предпламенных реакций, обеспечивая тем самым лучшую полноту сгорания газовоздушной смеси и значительное снижение выбросов окиси углерода при низкой эмиссии окислов азота. Благодаря этому повышается экологичность горения.
2
2
Предповерхностное внутриканальное горение вызывает равномерный разогрев верхнего слоя матрицы, более 50% энергии горения переходит в радиационное излучение металла проволоки, что существенно увеличивает КПД газового нагревателя. Экспериментально подтверждена энергетическая эффективность горелок с проницаемой матрицей из ППМ в диапазоне тепловых нагрузок  матрицы от 10 и до 100 Вт/см, а удельные выбросы NOx менее 4 ppm при сжигании метановоздушной смеси при избытке воздуха 10-15%. Возможны более высокие значения тепловой нагрузки проницаемой матрицы (100-200 Вт/см) при другой геометрии матрицы (например, объемной), без переизлучающего экрана или при других диаметрах проволоки и размерах проволочной спирали.
Эластичность матрицы из ППМ позволяет компенсировать возникающие температурные деформации и тем самым снимает термические напряжения, увеличивая срок службы горелки. Особенно это актуально для верхних слоёв, которые изготовлены из фехраля, имеющего склонность к хрупкому разрушению.
Применение покрытий на основе оксида титана или циркона позволяет усилить конверсию метана в верхнем (-их) слое (-ях) матрицы, а также позволяет повысить среднюю температуру нагрева. Могут использоваться и любые другие  виды покрытий.
Таким образом, решения, используемые в изобретении, повышают эксплуатационную надежность, срок службы, эффективность горения и экологичность инфракрасной газовой горелки, в состав которой входит описанная проницаемая матрица, а также повышают технологичность изготовления проницаемой матрицы, и тем самым обеспечивают достижение технического результата.