ШУМОПОДАВЛЕНИЕ В ГОРЕЛКАХ
NOISE REDUCTION IN BURNERS

Область применения изобретения
Настоящее изобретение относится к горелкам и, более конкретно, к промышленным горелкам, например, для стекловарных печей, печей для сжигания отходов, цементных печей и электростанций. В таких горелках топливо сжигается с газообразным окислителем для получения тепла, которое используется в промышленности для нагревания, расплавления или сжигания материала.
Предпосылки создания изобретения
Работа промышленных горелок, в которых потоки топлива и газообразного окислителя подаются в горелку и сжигаются в горелке, может вызвать значительный акустический резонанс, имеющий ряд недостатков. «Критерий Рэлея» (Rayleigh, J.L., Nature 18 (1878) 319–321) обычно используется для оценки стабильности камеры сгорания. В нем говорится, что если колебания давления и тепловыделения совпадают по фазе, эта нестабильность передается пламенем и акустической связью.
Акустический резонанс может проявляться в виде уровней шума, которые неприятны и даже небезопасны для расположенных рядом операторов. Кроме того, взаимодействия между акустическим резонансом и пламенем горелки могут повредить горелку, например, приводя к нестабильности пламени, что может привести к перегреву на определенных поверхностях горелки. Эти явления особенно выражены в горелках, в которых пламя образуется внутри замкнутой камеры горелки и выходит из открытого конца горелки.
Настоящее изобретение относится к созданию горелки, которая позволяет снизить акустический резонанс, который может проявляться горелкой.
Краткое изложение сущности изобретения
Один аспект настоящего изобретения представляет собой горелку, содержащую:
(A) камеру, имеющую продольно противоположные первый и второй концы, и отверстие для пламени, проходящее через первый конец;
(B) перегородку в камере, имеющую внешний край, смежный с внутренней поверхностью камеры, при этом перегородка имеет первую поверхность, обращенную к первому концу камеры, и вторую поверхность, обращенную ко второму концу камеры, причем перегородка расположена в камере таким образом, что вторая поверхность перегородки находится на расстоянии от 5 до 10 дюймов от внутренней поверхности второго конца камеры;
(C) патрубок, который проходит от впускного отверстия патрубка за пределами камеры, в камеру и заканчивается на выпускном отверстии патрубка в секции камеры, расположенной между первой поверхностью перегородки и отверстием для пламени, причем выпускное отверстие патрубка открывается в сторону отверстия для пламени;
(D) канал, который проходит от впускного отверстия канала, находящегося за пределами камеры, и заканчивается на выпускном отверстии канала в секции камеры, расположенной между первой поверхностью перегородки и отверстием для пламени;
перегородка содержит (1) металлическую пластину, имеющую первую поверхность пластины, обращенную к отверстию для пламени, и вторую поверхность пластины, обращенную ко второму концу камеры, и (2) слой металлических волокон, находящихся в контакте со второй поверхностью пластины,
металлическая пластина имеет толщину от одной восьмой до половины дюйма, а множество отверстий диаметром от одной восьмой до половины дюйма проходят через металлическую пластину между первой и второй поверхностями пластины в достаточном количестве отверстий таким образом, что общая площадь открытых частей всех отверстий в каждой поверхности пластины составляет от 30% до 50% площади поверхности металлической пластины, и
слой металлических волокон имеет толщину от четверти дюйма до 4 дюймов, предпочтительно по меньшей мере 1,5 дюйма, имеет плотность до 0,5 унции на кубический дюйм и состоит из волокон толщиной до 0,005 дюйма.
В еще одном аспекте настоящего изобретения перегородка дополнительно содержит вторую металлическую пластину, которая контактирует со слоем металлических волокон так, что указанный слой размещен между второй металлической пластиной и металлической пластиной, и при этом вторая металлическая пластина имеет толщину от одной восьмой до половины дюйма, и множество отверстий диаметром от одной восьмой до половины дюйма проходят через вторую металлическую пластину между ее поверхностями в достаточном количестве отверстий таким образом, что общая площадь открытых частей всех отверстий в каждой поверхности второй металлической пластины составляет от 30% до 50% площади поверхности второй металлической пластины.
Краткое описание графических материалов
На фиг. 1 представлен вид в поперечном сечении варианта осуществления горелки согласно настоящему изобретению.
На фиг. 2 представлен внешний вид в перспективе варианта осуществления, показанного на фиг. 1.
На фиг. 3 представлен вид сбоку в поперечном сечении варианта осуществления перегородки, подходящей для использования в настоящем изобретении.
На фиг. 4 представлен вид спереди в горизонтальной проекции перегородки, подходящей для использования в настоящем изобретении.
На фиг. 5 представлен вид сбоку в поперечном сечении другого варианта осуществления перегородки, подходящей для использования в настоящем изобретении.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение применимо к широкому спектру конфигураций горелки. Оно особенно подходит для горелок, в которых один конец пламени, образующийся при сжигании топлива и окислителя, находится внутри камеры или кожуха горелки, так что часть пламени, выходящая из этого конца, также находится внутри камеры или кожуха горелки, с обеспечением баланса пламени, выходящего из отверстия горелки.
На фигурах представлено несколько вариантов осуществления горелок, для которых особенно подходит настоящее изобретение.
Обратимся сначала к фиг. 1, на которой представлен вид в поперечном сечении одной такого горелки. Горелка 100 обычно имеет продольную форму и содержит боковую стенку 9, первый конец 2 и второй конец 3, которые вместе образуют камеру 1 внутри горелки. Концы 2 и 3 являются продольно противоположными друг другу. В поперечном сечении, взятом перпендикулярно продольной оси между концами 2 и 3, камера 1 может быть круглой или прямоугольной, что является предпочтительным, или может иметь другую форму.
Первый конец 2 открыт, так что пламя 22, один конец которого расположен внутри камеры 1, может выходить из отверстия 4 для пламени в пространство за пределами горелки 100. Отверстие 4 для пламени может включать в себя все отверстие, образованное концами боковой стенки 9. Однако настоящее изобретение особенно эффективно в вариантах осуществления, где первый конец 2 частично закрыт концевой пластиной 20 таким образом, что площадь отверстия 4 для пламени меньше общей площади первого конца 2, образованной концами боковой стенки 9. Второй конец 3 закрыт и может иметь один или более патрубков, проходящих через него, как описано в настоящем документе, при условии что соединение между вторым концом 3 и любыми такими патрубками является герметичным относительно газа, проходящего через соединение.
На фиг. 2 представлен внешний вид одной такой горелка, в которой поперечное сечение, перпендикулярное оси, проходящей между концами 2 и 3, является круглым.
Как показано на фиг. 1, патрубок 10 проходит с наружной поверхности горелки 100 в камеру 1, патрубок 10 заканчивается в камере 1 на выпускном отверстии 12 патрубка, которое открывается к отверстию 4 для пламени, что означает, что материал, выходящий из выпускного отверстия 12 патрубка, обязательно перемещается к отверстию 4 для пламени. Предпочтительно, когда центральная ось выпускного отверстия 12 патрубка проходит через отверстие 4 для пламени. Патрубок 10 содержит впускное отверстие 11 патрубка, которое находится снаружи горелки 100. Впускное отверстие 11 патрубка может быть соединено с источником топлива, которое подлежит сжиганию в камере 1. Подходящее топливо включает любой горючий газообразный материал, например, природный газ, метан или другие горючие углеводороды, а также их смеси. В процессе работы горелки топливо, выходящее из выпускного отверстия 12 патрубка, сгорает в пламени 22 так, что один конец пламени 22 находится на выпускном отверстии 12 патрубка.
Также предусмотрен канал 15. Он проходит от впускного отверстия 16 канала, которое находится снаружи горелки 100, до выпускного отверстия 17 канала, который находится внутри камеры 1. Впускное отверстие 16 канала может быть соединено с источником газообразного окислителя, подлежащего сжиганию в камере 1 вместе с топливом, которое подается через патрубок 10. Подходящим газообразным окислителем является воздух, обогащенный кислородом воздух и коммерческий кислород высокой чистоты. Таким образом, содержание кислорода в газообразном окислителе может представлять собой содержание в воздухе (приблизительно 21 об.%) до 95 об.% или выше, даже 99 об.% или выше.
Горелки, составляющие предмет настоящего изобретения, также содержат перегородку 5. Как показано на фиг. 1, перегородка 5 содержит первую поверхность 42, обращенную к первому концу 2, и перегородка 5 содержит вторую поверхность 43, обращенную ко второму концу 3. Перегородка 5 содержит внешний край 41 (показан на фиг. 3), который полностью проходит вокруг перегородки 5. Внешний край 41 расположен смежно с внутренней поверхностью 13 камеры 1, что означает, что либо весь внешний край 41 непрерывно контактирует с внутренней поверхностью 13, либо часть, которая меньше всего внешнего края 41, контактирует с внутренней поверхностью 13. Если внешний край 41 не находится в контакте с внутренней поверхностью 13, зазор между внешним краем 41 и ближайшей точкой на поверхности 13 должен составлять до четверти дюйма (0,25 дюйма). Перегородка 5 разделяет внутреннюю часть камеры 1 на две секции, а именно на секцию 7 сгорания, в которой сгорает топливо, выходящее из выпускного отверстия 12 патрубка, и заднюю секцию 8. Таким образом, как выпускное отверстие 12 патрубка, так и выпускное отверстие 17 канала расположены в секции 7 сгорания камеры 1.
Как показано на фиг. 1, горелка 100 может быть выполнена таким образом, чтобы места, в которых патрубок 10 и канал 15 проходят через боковую стенку 9 горелки 100, находились в секции 7 сгорания. Однако при желании патрубок 11 и/или (менее предпочтительно) канал 15 можно разместить так, чтобы он проходил через заднюю секцию 8, и в этом случае патрубок или канал, в зависимости от конкретного случая, могут проходить через перегородку 5 так, чтобы их соответствующие выпускные отверстия находились в секции 7 сгорания.
Обнаружено, что при включении перегородки 5, как описано в настоящем документе, в конструкцию и работу горелки, как описано в настоящем документе, работа горелки сопровождается гораздо меньшим шумом и акустическим резонансом, чем при сгорании без перегородки. Было установлено, что перегородка 5 должна быть расположена в камере 1 так, что расстояние от внутренней поверхности 6 второго конца 3 до второй поверхности 43 перегородки 5 должно составлять от 5 до 10 дюймов, предпочтительно приблизительно 6 дюймов. Неожиданно было обнаружено, что это характерное расстояние не зависит от других размеров горелки и рабочих условий горелки.
Перегородка дополнительно описана в настоящем документе со ссылкой на фиг. 3, 4 и 5.
На фиг. 3 представлен вид в поперечном сечении перегородки 5 в предпочтительном варианте осуществления, которая содержит первую поверхность 42 и вторую поверхность 43, как описано выше. В данном варианте осуществления перегородки 5 есть два компонента, а именно металлическая пластина 44 и слой 46 металлических волокон.
Металлическая пластина 44 изготовлена из любого металла, который сохраняет свою форму при температурах сгорания, образуемых в секции 7 сгорания. Примеры подходящих металлов включают латунь и сталь. Предпочтительно, чтобы металлическая пластина 44 имела толщину от одной восьмой дюйма до половины дюйма, причем толщина определяется как расстояние между поверхностью 42 и задней поверхностью 45 металлической пластины 44. Металлическая пластина 44 должна проходить по всей диаметральной ширине перегородки 5, т. е. по всей длине до края 41 полностью вокруг перегородки 5.
Как показано на фиг. 3 и на фиг. 4, множество отверстий 47 проходят через металлическую пластину 44 от поверхности 42 до поверхности 45. Каждое отверстие предпочтительно имеет диаметр от одной восьмой дюйма до половины дюйма. Все отверстия могут иметь одинаковый или разные диаметры. Должно быть достаточно отверстий 47, чтобы сумма площадей открытых частей всех отверстий в поверхности 42 составляла от 30% до 50%, предпочтительно приблизительно 40% общей площади поверхности 42.
Перегородка 5 также содержит слой 46 металлических волокон. Слой 46 должен находиться в контакте с поверхностью 45, хотя, конечно, не весь материал, из которого образован слой 46, должен находиться в контакте с поверхностью 45. Все металлические волокна, показанные как элемент 48, имеют диаметр до 0,005 дюйма и в достаточной степени переплетены друг с другом с образованием цельного плетеного мата из материала. Такой плетеный мат считается цельным, если при удержании одного цельного объема плетеного мата в одной точке так, чтобы он свисал с этой точки опоры и не поддерживался иным образом, он остается в виде единого цельного объема и не разделяется на дополнительные части. Слой 46 не является сплошным блоком, но также имеет пространства между переплетенными волокнами. Плотность (в не сжатом состоянии) слоя должна составлять до 0,5 унции на кубический дюйм. Подходящие примеры материала для слоя 46 включают в себя продукты, известные как «металлическая вата», такие как стальная вата или латунная вата.
Слой 46 при включении в перегородку 5 должен иметь толщину по меньшей мере четверть дюйма (0,25 дюйма) вдоль оси, проходящей между концами 2 и 3 камеры 1. Эта толщина предпочтительно должна составлять до 6 дюймов. Слои большей толщины являются приемлемыми при условии, что расстояние между задней поверхностью 43 и внутренней поверхностью 6 остается таким, как описано в настоящем документе. Преимущество, заключающееся в снижении акустического резонанса, при каждом дополнительном дюйме толщины слоя 46, может уменьшаться.
На фиг. 5 представлен альтернативный вариант осуществления перегородки 5, которая содержит металлическую пластину 44 и слой 46, как описано в настоящем документе, а также содержит вторую металлическую пластину 49, которая находится в контакте с поверхностью 43 слоя 46. Характеристики второй металлической пластины 49 (материал, из которого она изготовлена, толщина, ширина, наличие отверстий, площади отверстий и общая площадь отверстий относительно площади поверхности пластины 49) аналогичны характеристикам, описанным в настоящем документе для металлической пластины 44.
Во время работы горелки топливо подается через выпускное отверстие 12 патрубка в секцию 7 сгорания камеры 1, а окислитель выходит из выпускного отверстия 17 канала в секцию 7 сгорания камеры 1, они воспламеняются и сгорают. В результате сгорания образуется пламя, основание которого находится на выпускном отверстии 12. Пламя выходит из камеры 1 через отверстие 4 для пламени. Топливо и окислитель должны подаваться при относительных массовых расходах таким образом, чтобы кислород в окислителе составлял от 300 до 20000% от количества кислорода, необходимого для полного сгорания топлива. Скорости каждого потока перед сгоранием предпочтительно представляют собой расход кислорода от 5 до 20 футов в секунду и расход топлива от 30 до 50 футов в секунду.