ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЬ СМЕСИТЕЛЬНОГО ТИПА. ГАЗОВЫЙ ТЕПЛОГЕНЕРАТОР
AIR HEATER OF MIXING TYPE, GAS HEAT GENERATOR

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к газовым теплогенераторам с принудительной подачей воздуха, и может быть использовано для нагрева воздуха.
Техническим результатом изобретения является возможность регулировки мощности газового теплогенератора, снижение вредных выбросов, уменьшение потерь напора в воздушном тракте, снижение уровня шума, повышение надежности, упрощение конструкции и монтажа горелки.
Газовый теплогенератор содержит цилиндрический корпус, внутри которого расположены две цилиндрические и две конические обечайки, расположенные коаксиально. Две конические обечайки образуют камеру сгорания. Корпус и первая внутренняя цилиндрическая обечайка образуют внешнюю воздушную камеру. Внутренняя цилиндрическая обечайка образует внутреннюю воздушную камеру. У ее входа расположены затворки шиберного устройства для регулирования воздушного потока. Обе конические обечайки приварены к кольцу, изготовленному из цельнотянутой трубы. К этой трубе подсоединена труба газопровода с газовой аппаратурой. В кольцевой трубе со стороны, расположенной между коническими обечайками, проделаны отверстия, по которым газ подается в пространство между обечайками. В стенках обечаек проделаны отверстия. Количество, расположение, размер и форма этих отверстий получены расчетным путем, подтвержденным проведенными экспериментами.
Известна горелка (патент РФ №2052174 F23D 14/62), содержащая наружный диффузор, коаксиально расположенные в нем средний и внутренний диффузоры, образующие между собой конусный кольцевой топливный коллектор, к вершине которого подключен топливный патрубок, при этом наружный и средний диффузоры образуют между собой конфузорный, кольцевой, воздушный канал. Смеситель дополнительно снабжен наружным конфузором, основание которого сопряжено с основанием наружного диффузора, а внутри указанного диффузора коаксиально расположен внутренний конфузор, образующий с последним диффузорный кольцевой топливовоздушный канал. При этом основания среднего диффузора и внутреннего конфузора сопряжены между собой, а на участке стенки внутреннего диффузора, прилегающего к указанному месту сопряжения, выполнены отверстия, сообщающие кольцевой топливный коллектор с диффузорным топливовоздушным каналом под прямым углом, а наружный конфузор удерживает средний ребрами, выполненными в виде направляющих.
Наиболее близкой к заявляемому газовому теплогенератору по совокупности существенных признаков является газовая горелка (патент РФ №2213299 F23D 14/20) с принудительной подачей воздуха, содержащая камеру для подвода воздуха, камеру для подачи газа, в торцовых стенках которой выполнен ряд оппозитно расположенных отверстий, смесительные трубки с кольцевым рядом отверстий в боковых стенках и жаровую трубу, согласно изобретению камера для подачи газа установлена между камерой для подвода воздуха и жаровой трубой с образованием кольцевого зазора между ее боковой цилиндрической стенкой и жаровой трубой, при этом смесительные трубки герметично установлены в отверстиях торцовых стенок камеры для подачи газа, в боковой цилиндрической стенке которой выполнен кольцевой ряд радиальных отверстий, а отверстия в боковых стенках смесительных трубок расположены внутри камеры для подачи газа.
x
Однако данная горелка очень чувствительна к перепадам давления газа и воздуха, возникает опасность или резкого увеличения содержания оксидов азота (NO), или же затрудняется плавный розжиг горелки. Другим недостатком данной конструкции является сложность изготовления - большое количество сварных, герметичных швов, соединяющих детали, работающие при больших температурных градиентах, которые при длительной работе растрескиваются, при этом теряется герметичность газовой камеры и нарушается конструкционная целостность изделия.
В предлагаемом устройстве постарались избежать указанных недостатков.
Воздухонагреватель содержит цилиндрический корпус (1), внутри которого расположены две цилиндрические (2), (3) и две конические (4), (5) обечайки, расположенные коаксиально. Две конические обечайки образуют камеру сгорания (14). Корпус и первая внутренняя цилиндрическая обечайка образуют внешнюю воздушную камеру (6). Две цилиндрические обечайки образуют воздушную камеру (8). На входе в камеру (8) размещается фильтрующая сетка (11) для предохранения камеры сгорания от попадания в нее посторонних частиц.
Внутренняя цилиндрическая обечайка образует внутреннюю воздушную камеру (7). У ее входа расположены затворки шиберного устройства (10) для регулирования воздушного потока. Пространство, образующееся коническими обечайками, является камерой сгорания (14). Угол раскрытия конуса α=4÷12°. Обе конические обечайки приварены к кольцу, изготовленному из цельнотянутой трубы (9), которая является газовой камерой. К этой трубе подсоединена труба газопровода с газовой аппаратурой (12). В кольцевой трубе со стороны, расположенной между коническим обечайками, проделаны отверстия (13) диаметром 1,5 мм, площадь отверстий в 3÷3,5 раза меньше площади отверстия в подводящем газовом патрубке. Через отверстия газ подается в камеру сгорания. В стенках обечаек проделаны отверстия (15), через которые в камеру поступает воздух. Диаметры отверстий от 2,5 мм до 5 мм. Общая площадь отверстий в 20÷30 раз больше площади отверстий для газа.
Камера сгорания, состоящая из двух расходящихся конических обечаек, приварена к газовой камере, цельнотянутой трубе, с помощью точечной сварки. Полученная конструкция не боится коробления при неравномерном нагреве ее отдельных частей.
Камера сгорания по условиям работы подвергается неравномерному нагреву, то есть сторона камеры, в которой проделаны отверстия, из которых выходит газ, находится в термической зоне при высокой температуре. Противоположная сторона газовой камеры нагревается до более низкой температуры, так как постоянно обдувается холодным воздухом. В результате возникает перепад температур, который ведет к неравномерному расширению металла камеры. Если камера сгорания выполнена из отдельных деталей сваркой, то сварка должна осуществляться сплошным герметичным швом по всей длине. Неравномерный нагрев камеры и соответственно расширение ведет к большим напряжениям в металле. Сварные швы в этих местах должны выполняться очень тщательно высококвалифицированными сварщиками, что не всегда возможно осуществить. Довольно большая протяженность этих швов ведет к увеличению сроков изготовления, удорожанию конструкции, к изготовлению ее в специальной оснастке. К тому же сварная конструкция по определению слабее цельного металла и соответственно срок службы у нее меньше.
Камера сгорания выполнена из двух конических обечаек, в которых проделаны отверстия для поступления внутрь камеры воздуха. Так как воздух поступает внутрь камеры через специальные отверстия, то добиваться герметичности в месте приварки этих обечаек к газовой камере (цельнотянутой трубе) нет необходимости, приток небольшого количества воздуха через неплотности в сварных швах не изменит сколь-нибудь существенно соотношение газ - воздух. В этом случае соединение деталей можно осуществить точечной сваркой и в результате избежать напряжений, возникающих при сварке непрерывным швом. Это упрощает и удешевляет изготовление горелки.
Конструкция камеры сгорания, выполненная из двух конических обечаек, позволяет воздуху попадать внутрь камеры без большого аэродинамического сопротивления. Воздух плавно попадает внутрь камеры, что снижает возникновение турбулентности потока на входе и уменьшает возникновение звуковых волн (шума). Струи воздуха, проходя через расположенные под углом конические обечайки, распространяются внутри камеры на большее расстояние, увеличивается интенсивность перемешивания газовых сред (внутренней - природный газ с поступающей извне - атмосферный воздух) и соответственно обеспечивается более полное сгорание на небольшом расстоянии.
x
Расположение отверстий на конических обечайках обеспечивает достаточное поступление атмосферного воздуха в камеру сгорания, необходимое для полного сгорания топлива, с одной стороны (незначительное образование CO и несгоревших углеводородов), а с другой, обеспечивает горение при не очень высоких температурах (до 1000°C), что не ведет к образованию значительного количества окислов азота (NO).
Розжиг газогенератора осуществляется с помощью электрода розжига (16). Контроль пламени осуществляется датчиками контроля пламени (17).
Воздухонагреватель работает следующим образом.
Запускается вентилятор, продувается газовая магистраль, на горелку подается газ и производится розжиг горелки. Регулируя угол раскрытия шибера, регулируется размер факела и степень избытка кислорода. Когда начинает прикрываться шибер, то давление в камере (7) за шибером падает, падает давление за всей горелкой и соответственно увеличивается перепад давлений между входом в теплогазогенератор и выходом из него, при неизменной скорости вращения вентилятора. В результате увеличивается скорость потока воздуха в камерах (6) и (8). Увеличившаяся скорость воздуха в камере (8) приводит к поступлению большего количества воздуха в камеру (14) через отверстия (15), что естественно приводит к изменению соотношения газ - воздух в камере сгорания (14). Регулируя это соотношение можно добиваться наиболее оптимальных условий для горения.
x
Поворотом шиберной заслонки можно легко настраивать режим максимально полного сгорания при различных температурах наружного воздуха, увеличивая тем самым коэффициент теплового регулирования всего воздухонагревателя, при минимальном количестве образующихся вредных веществ: оксидов углерода (CО) и оксидов азота (NO). Управление шиберной заслонкой может осуществляться как вручную, так и с помощью электропривода в автономном (безлюдном) варианте.
Эффективность сжигания газа и интервал «чистого» горения увеличивается и не зависит от межсезонных колебаний уличной температуры