ГАЗОВАЯ ГОРЕЛКА

Полезная модель относится к отоплению, в частности, к устройствам для сжигания газообразного топлива, а именно к скоростным горелкам с регулированием характеристик факела с помощью подвижных элементов и может быть использована для нагрева и термообработки материалов в отжиговых и нагревательных печах.
Известна газовая горелка, содержащая камеру смешения с патрубками для подачи газа и воздуха, напротив выходного сопла которой установлен подвижный вдоль оси камеры смешения дисковый отражатель (см. а.с. 1186895 СССР, F 23 D 14/00, опубл. 23.10.1985).
В известной газовой горелке регулирование тепловой мощности, в зависимости от темпа нагрева металла, осуществляется изменением расходов топлива и воздуха, а также установкой ширины кольцевого зазора между выходным соплом и дисковым отражателем. Однако дисковый отражатель не обеспечивает эффективное перемешивание топлива с воздухом и стабилизацию факела, за счет отсутствия устойчивых турбулентных структур. Поэтому известная горелка с дисковым отражателем обладает низкой эффективностью при скоростном сжигании топлива и имеет значительный недожог топлива при
глубоком регулировании и, соответственно, узкий рабочий диапазон коэффициента предельного регулирования тепловой мощности.
Известна газовая горелка, содержащая топливный канал с патрубками для подачи газа и воздуха, и с выходным соплом, за пределами которого установлен чашеобразный рассекатель, закрепленный на неподвижной штанге, проходящей по оси топливного канала (см а.с. 1262198 СССР, F 23 D 14/00, опубл. 17.10.1986).
В известной газовой горелке применение чашеобразного рассекателя также не приводит к организации устойчивых турбулентных газодинамических структур, поэтому наблюдается недостаточное перемешивание топлива и воздуха, значительный недожог топлива и при глубоком регулировании перемещением рассекателя происходит отрыв факела, что снижает эффективность сжигания топлива.
Известна газовая горелка, содержащая газовый канал, имеющий тангенциальный газоподводящий и центральный воздушный патрубки и, установленный за выходным сопловым отверстием горелочного канала, подвижный конусный отражатель. (см. а.с. 1229518 СССР, F 23 D 14/00, опубл. 07.05.1986).
В известной газовой горелке применение конусного отражателя связано, главным образом, с организацией плоскопламенного факела. Несмотря на дополнительную турбулизацию, при тангенциальном подводе топлива в горелочный канал, наблюдается неэффективное сжигание топлива, особенно при глубоком регулировании перемещением отражателя.
Известна газовая горелка, содержащая корпус с патрубком для подвода топлива и выходным соплом, имеющим последовательно расположенные расширяющийся и цилиндрический участки, в котором установлен подвижный дроссель закрепленный на подвижной штанге, проходящей по оси корпуса, и выполненный в виде грушеобразного направляющего элемента (см. а.с. 2307399 ФРГ, F 23 D 14/00, опубл. 1974).
В известной газовой горелке регулирование длины, формы и светимости факела производится изменением положения грушеобразного элемента относительно выходного отверстия сопла. Однако, данная горелка не обеспечивает эффективного сжигания топлива, так как наблюдаются невысокие сверхзвуковые скорости истечения и не происходит полное смешение топлива с воздухом. Кроме того, данная горелка не позволяет получать жесткие факела с высокой кинетической энергией, без повышения опасности отрыва факела. При вдвинутом положении грушеобразного направляющего элемента происходит истечение газа из сопла коническим расходящимся профилем и около устья горелки развивается веерообразная сверхзвуковая струя с неустойчивой структурой. Поэтому наблюдается значительный недожог топлива, так как горение газа происходит в основном на периферии факела, а по оси образуется зона разряжения, в которой циркулируют остатки продуктов недожога.
Известна однопроводная газовая горелка, содержащая корпус с патрубком для подвода топлива и суживающимся выходным соплом, в котором расположен подвижный конический дроссель закрепленный на штанге,
проходящей по оси корпуса, и повторяющий по профилю конуса форму выходного сопла (см. а.с. 1383964 СССР, F 23 D 1 4/00, опубл. 1973).
В известной газовой горелке для регулиронания характеристик факела используют подвижный конический дроссель, установленный внутри суживающегося выходного сопла. Так как форма конического дросселя повторяет форму выходного участка сопла, то при вдвижении дросселя в сопло образуется минимальное проходное сечение и достигается максимальная дозвуковая скорость истечения. Факел при этом укорачивается и имеет малый угол раскрытия, что уменьшает его теплообменную способность. Поэтому данные горелки не обеспечивают эффективное перемешивание топлива с воздухом, не позволяют получить жесткие факела с высокой кинетической энергией, имеют неудовлетворительные характеристики по отрыву факела и недожогу.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является газовая горелка, содержащая корпус с патрубком для подвода газа и с расположенным в выходном суживающимся сопле коническим дросселем, соединенным с перемещаемой по оси корпуса штангой с приводом, и кожух, охватывающий коаксиально с зазором корпус и имеющий патрубок для подвода воздуха (см. заявку 62-24693 Япония, F 23 D 14/00, опубл. 29.05.1987).
В известной газовой горелке регулирование параметров факела осуществляется (см. Иванов Ю.В. Газогорелочные устройства. - М.: Недра, 1972. - с.117-118) изменением давления газа в горелке (с сохранением ее производительности) путем изменения проходного сечения, посредством
3
перемещения конического дросселя. При входе дросселя в сопло закон изменения кольцевых проходных сечений, образованных соплом и дросселем, соответствует закону изменения проходных сечений сопла Лаваля. Поэтому скорости истечения газа из сопла достигают сверхзвуковых значений, что значительно растягивает факел и зона максимальных температур отодвигается от сопла горелки на значительное расстояние. В связи с этим, недостатком известной газовой горелки является то, что при истечении газа из суживающегося конического сопла при больших газовых нагрузках (расходах газа) воспламенение начинается на значительных расстояниях от среза сопла и наступает отрыв факела. При этом выгорание газа происходит в длинном факеле с низкой среднемассовой температурой и значительном недожоге (см. Михеев В.М., Медников Ю.П. Сжигание природного газа - Л.: Недра, 1975. - с.210). Применяемые в известной горелке форма и расположение сопла и дросселя не обеспечивают эффективное перемешивание топлива с воздухом и стабилизацию факела, за счет отсутствия устойчивых турбулентных газодинамических структур. Кроме того, известные горелки с коническими суживающимися соплом и дросселем создают при работе значительный шум, так например уровень звукового давления в номинальном режиме достигает 120 ДБА (см. Винтовкин А.А., Удилов В.М. Горелочные устройства обжиговых агрегатов металлургического производства. - Челябинск: Металлургия, 1991. - C.171), а также в продуктах сгорания этих горелок наблюдается повышенная доля оксидов азота, составляющих от 100 до 200 мг/м (см. Маслов В.И., Винтовкин А.А., Дружинин Г.М. Рациональное сжигание газообразных топлив
в металлургических печах. - М.: Металлургия, 1987. - с.96). Таким образом, известная горелка обладает низкой эффективностью при скоростном сжигании топлива, имеет значительный недожог при глубоком регулировании и узкий диапазон коэффициента предельного регулирования тепловой мощности.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая газовая горелка, является повышение эффективности сжигания топлива за счет интенсификации перемешивания топлива с воздухом, стабилизации процессов воспламенения и горения топлива и расширения рабочего диапазона коэффициента предельного регулирования тепловой мощности.
Технический эффект от использования предлагаемой газовой горелки достигается за счет уменьшения недожога топлива и предотвращения срыва горения в широком диапазоне регулирования характеристик факела (длины, угла раскрытия и светимости) с помощью подвижных элементов. Также уменьшаются тепловые нагрузки на регулирующие элементы, что увеличивает их надежность и срок службы, и снижаются уровень шума и концентрация оксидов азота и продуктов неполного сгорания. В целом, оптимальная форма и соотношение размеров элементов горелки обеспечивают рациональную газодинамическую структуру факела во всем диапазоне регулирования факела, что повышает эффективность сжигания топлива. Поставленная задача решается так, что в известной газовой горелке, содержащей корпус с патрубком для подвода газа и расположенным в выходном суживающемся сопле коническим дросселем, соединенным с перемещаемой по оси корпуса штангой с приводом, и кожух, охватывающий коаксиально с зазором кожух и имеющий патрубок
для подвода воздуха согласно изменению поверхности конического дросселя выполняется в виде обратно-двухконусного центрального тела с максимальным диаметром, в месте соединения расширяющегося входного и суживающегося выходного конусов, совпадающего с торцевым сечением выходного сопла корпуса, равным 0,9-0,96 от диаметра входного сопла корпуса, причем расширяющийся входной конус имеет угол расширения относительно оси корпуса в диапазоне 15-30°, и выходной суживающийся конус имеет длину, составляющую 1,5-2 от максимального диаметра центрального тела, и угол сужения в диапазоне 20-36°, совпадающим с углом конусности выходного сопла корпуса.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где изображен поперечный разрез газовой горелки.
ц
c
Газовая горелка содержит корпус 1 с патрубком для подвода газа 2 и с выходным суживающимся соплом 3. По оси корпуса 1 пропущена подвижная штанга 4, удерживаемая фиксатором 5 и имеющая привод 6. На консоли штанги 4 укреплен конический дроссель 7. Вокруг корпуса 1 коаксиально с зазором установлен кожух 8 с патрубком для подвода воздуха 9. Поверхность дросселя выполняется в виде обратно-двухконусного центрального тела 10, образованного соединением больших оснований расширяющегося входного 11 и суживающегося выходного 12 конусов. В месте соединения расширяющегося входного конуса 11 и суживающегося выходного конуса 12, совпадающего с торцевым сечением выходного сопла 3 корпуса 1, центральное тело имеет максимальный диаметр D, равный 0,9-0,96 от диаметра D выходного сопла 3
1
ц
2
корпуса 1. Расширяющийся входной конус 11 имеет угол расширения αотносительно оси корпуса 1 в диапазоне 15-30°. Выходной суживающийся конус 12 имеет длину L, составляющую 1,5-2 от максимального диаметра Dцентрального тела 10, и угол сужения α - в диапазоне 20-36°, совпадающим с углом конусности выходного сопла 3 корпуса 1. На чертеже дополнительно условно показаны: 13 - зона активной рециркуляции; 14 - граница факела.
ц,
Газовая горелка работает следующим образом: в корпус 1, через патрубок 2 подают газообразное топливо, поступающее на сопло 3. При этом, устанавливают, с помощью подвижной штанги 4, удерживаемой фиксатором 5 и перемещаемой приводом 6, конический дроссель 7 в пусковое положение (вдвигая его внутрь, за срез сопла 3). Затем в кожух 8 через патрубок 9 подают воздух. С помощью электрозапальника (на чертеже не показан) на срезе сопла 3 зажигают факел 14. После зажигания регулирование параметров факела 14 осуществляется изменением расходов топлива и воздуха, подаваемых, соответственно, на патрубки 2 и 9, а также перемещением дросселя 7 на штанге 4 с помощью привода 6. При номинальном режиме работы горелки дроссель 7, поверхность которого выполнена в виде обратно-двухконусного центрального тела 10, устанавливается перемещением штанги 4 так, что место соединения больших оснований расширяющегося входного дросселя 11 и суживающегося выходного конуса 12 совпадает с торцевым сечением выходного сопла 3 корпуса 1. Выполнение расширяющегося входного конуса 11 с углом расширения D=15-30° относительно оси корпуса 1, позволяет минимизировать потери на трение и избежать значительных потерь давления
1
ц
c
ц
2
ц
2
при формировании критического сечения кольцевого сопла Лаваля, образованного центральным телом 10 и суживающимся соплом 3 корпуса 1. При использовании входного конуса 11 с углом расширения α меньше 15° или больше 30 происходит рост коэффициентов скорости и расхода, и нарушение работы кольцевого сопла Лаваля. Выполнение центрального тела 10 с максимальным диаметром D в месте соединения больших оснований расширяющегося входного конуса 11 и суживающегося выходного конуса 12, равным 0,90-0,96 от D выходного сопла 3 корпуса 1, а также, поддержание длины L выходного суживающего конуса 12 равной 1,5-2 от максимального диаметра D центрального тела 10, и угла сужения α выходного суживающего конуса 12 в диапазоне 20-36° относительно оси корпуса 1, совпадающего с углом конусности выходного сопла 3 корпуса 1, позволяет формировать на выходе из сопла 3 горелки стабильную тороидальную зону рециркуляции 13, обеспечивающую эффективное перемешивание топлива с воздухом и устойчивость факела 14 в широком диапазоне регулирования. Отклонение от заявленных параметров D, L и α не приводит к образованию устойчивой зоны рециркуляции и не позволяет достичь поставленной задачи по повышению эффективности сжигания топлива. Изменение характеристик факела 14 производится перемещением центрального тела 10, с предложенной формой и соотношением размеров, которое вместе со стенками выходного сопла 3 корпуса 1 образует кольцевой канал с профилем, соответствующим соплу Лаваля с косым срезом. При этом регулируется высокая скорость истечения газа в диапазоне от 430 до 580 м/с, соответствующая числам Маха, равным
1,2-2, что позволяет осуществить более эффективное смешение топлива с воздухом, подаваемым из кожуха 8, за счет турбулизации в активной зоне рециркуляции 13.
В предлагаемой конструкции горелки внутренняя поверхность суживающегося сопла 3 корпуса 1 и поверхность суживающегося выходного конуса 12 центрального тела 10 образуют профиль кольцевого сопла Лаваля с переменным критическим сечением, что обеспечивает сверхзвуковые скорости истечения и получения жесткого факела с высокими кинетической энергией и теплопередающей способностью. Изменяя положение центрального тела 10, регулируют размеры и профиль кольцевого сопла Лаваля и, тем самым, скорости сверхзвуковой струи газа и степень эжекции воздуха в активную зону рециркуляции 13, приводя их в соответствие условиям эффективного сжигания топлива. Такая организация истечения топлива и воздуха позволяет интенсифицировать перемешивание газа и воздуха в факеле 14 без увеличения угла его раскрытия. Кроме того, при истечении газа из кольцевого сопла Лаваля предложенного профиля образуется устойчивый факел 14, как при розжиге, так и при регулировании. Причем, за счет образования стабильной тороидальной вихревой зоны рециркуляции 13, перемешивание и выгорание топлива происходит интенсивно на начальном участке факела 14, что снижает риск его срыва и уменьшает недожог. Так как в зоне рециркуляции 13 образуются упорядоченные газодинамические структуры, то у заявляемой горелки наблюдается умеренный уровень звукового давления (в диапазоне 60-75 ДБА), более низкий, чем у прототипа. Таким образом, при использовании
заявляемой горелки повышается эффективность сжигания топлива, за счет интенсификации перемешивания топлива с воздухом, стабилизации процессов воспламенения и горения топлива, снижения недожога и расширения рабочего диапазона коэффициента регулирования тепловой мощности, представляющего собой отношение максимальных и минимальных мощностей, которые, соответственно, на 10% ниже верхнего и выше нижнего пределов устойчивости работы горелки. Предлагаемая горелка формирует устойчивый факел с регулируемыми характеристиками (длиной, углом раскрытия и светимостью) при постоянном расходе газа и воздуха и ее применение повышает производительность отжиговых и нагревательных печей, снижает удельный расход газа на 2-5% и значительно повышает стойкости футеровки, а следовательно, увеличивает межремонтный срок работы печи.
Нa основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемая газовая горелка работоспособна и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе. Соответственно, заявляемая газовая горелка может быть применена в области отопления с целью повышения эффективности сжигания топлива, а следовательно, соответствует условию «промышленной применимости».
ПРИМЕР
В ОАО «ММК» была изготовлена и испытана горелка предлагаемой конструкции, со следующими параметрами ее конструктивных элементов:
диаметр выходного сопла корпуса - 15 мм;
максимальный диаметр обратно-двухконусного центрального тела - 14,2 мм;
угол расширения относительно оси корпуса - 22°;
длина выходного суживающего конуса - 24 мм;
угол сужения - 22°.
Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Таблица №1
№ опыта
Отношение максимального диаметра обратно-двухконусного центрального тела к диаметру выходного корпуса сопла корпуса
Угол расширения входного конуса относительно оси корпуса, град.
Отношение длины выходного суживающегося конуса к максимальному диаметру центрального тела
Угол сужения, град.
Результаты испытаний
1
0,9
15
1,5
20
Высокая эффективность сжигания топлива, устойчивый факел
2
0,96
20
1,7
25
Высокая эффективность сжигания топлива, устойчивый факел
3
0,93
30
2
30
Высокая эффективность сжигания топлива, устойчивый факел
4
0,88
14
1,4
18
Плохое перемешивание топлива с воздухом, низкая эффективность сжигания топлива, неустойчивый факел
5
0,98
32
2,1
31
Плохое перемешивание топлива с воздухом, низкая эффективность сжигания топлива, неустойчивый факел