РЕКУПЕРАТИВНАЯ ГАЗОВАЯ ГОРЕЛКА И СПОСОБ ПОДОГРЕВА В НЕЙ ВОЗДУХА
RECUPERATIVE GAS BURNER, AND AIR HEATING METHOD USING THAT BURNER

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для сжигания газообразного топлива в системах отопления сушильных, подогревательных, термических, плавильных печей, паровых и водогрейных котлов и других тепловых агрегатов.
Известна рекуперативная горелка преимущественно для обогрева рабочих объемов промышленных печей (см. патент на изобретение SU №1400519 МПК F23D 14/00 «Рекуперативная горелка для газообразного или жидкого топлива», дата публикации 30.05.88), содержащая воздухоподающий корпус, размещенную в корпусе с кольцевым зазором трубу первичного воздуха, камеру сгорания с выходным соплом, соединенную с топливной трубой, а также обечайку с отогнутой наружу входной кромкой и отогнутой внутрь выходной кромкой, установленную в кольцевом зазоре между корпусом, трубой первичного воздуха и камерой сгорания с образованием наружной и внутренней кольцевой камеры рекуператора.
В известной рекуперативной горелке камера сгорания расположена в конце горелки со стороны выхода ее в теплотехнический агрегат и занимает незначительный объем по отношению к объему горелки, что не позволяет обеспечить эффективный подогрев первичного воздуха, по всей длине горелки. Подогрев вторичного воздуха во внутренней кольцевой камере от горячих газов, забранных из рабочего пространства печи и проходящих по наружной кольцевой камере, не обеспечивает заметного повышения эффективности подогрева воздуха, так как объем нагретого вторичного воздуха составляет от 10 до 30% холодного воздуха.
Кроме того, при заборе горячих газов в наружную кольцевую камеру из рабочего пространства печи, где присутствуют продукты неполного сгорания топлива, которые при прохождении через рекуперативную часть горелки образуют сажу. Техническая пыль от огнеупоров, окалины обжигаемых заготовок, находящаяся в рабочем пространстве печи, а также образованная сажа, засоряют канал для прохождения печных газов, снижая эффективность работы горелки.
При работе на малых расходах воздуха из-за низкого теплосъема происходит перегрев рекуперативной части горелки, что приводит к сгоранию сажи и прогару обечайки. При этом известное расположение камеры сгорания способствует ее перегреву, во избежание которого установлена водоохлаждаемая кольцевая труба, что усложняет горелку и ее эксплуатацию.
Известна рекуперативная горелка (см. патент на изобретение RU №2378573 МПК F23D 14/00 «Рекуперативная горелка для газообразного топлива», дата публикации 10.01.2010), содержащая корпус, размещенную в нем с кольцевым зазором трубу первичного воздуха, камеру сгорания, теплообменник, выполненный из пучка труб, предназначенных для продуктов сгорания, причем трубы теплообменника проходят сквозь смонтированную между корпусом и трубой первичного воздуха винтовую спираль для направления воздуха, омывающего трубы теплообменника.
Известная горелка имеет те же недостатки, что и вышеприведенный аналог. Выполнение теплообменника из пучка труб усложняет горелку, а протягивание по ним дымовых газов из рабочего пространства печи, где присутствуют продукты неполного сгорания топлива, может вызвать образование в трубах сажи при их догорании, что требует периодической очистки труб от сажи, технической пыли, и окалины. При работе на малых расходах воздуха возможно сгорание сажи, повышение температуры и прогар труб.
Наиболее близкой по назначению и конструктивным элементам является рекуперативная газовая горелка (см. патент на изобретение RU №2172895, 7 МПК F23D 14/20, дата публикации 27.08.2001 г.), содержащая корпус, коаксиально расположенную в нем камеру сгорания, газовую камеру с многоструйным соплом и запальным устройством, а также расположенную в кольцевом пространстве между корпусом и камерой сгорания воздушную камеру, при этом камера сгорания выполнена с равномерно расположенными по периметру цилиндрическими и щелевыми отверстиями.
Известная горелка обеспечивает более эффективное сжигание топлива за счет полного его сжигания в камере сгорания, расположенной практически на всей длине корпуса горелки, а также в результате многоструйной подачи газа в камеру сгорания и равномерной подачи по всему периметру камеры сгорания подогретого от контакта с ней воздуха. Это позволяет при повышении расхода газа и увеличении скорости истечения газовых струй улучшить перемешивание смеси на всей длине камеры сгорания, а также осуществить внутреннюю рекуперацию тепла путем эжекции высокотемпературных газов из зоны высокого давления камеры сгорания через щелевидные отверстия в воздушную камеру, перемешивания их с воздухом и инженкции горячей смеси через цилиндрические отверстия обратно в зону пониженного давления камеры сгорания.
Хотя холодный воздух в воздушной камере подогревается от камеры сгорания, однако он идет в основном по пути наименьшего сопротивления, а именно, напрямую в камеру сгорания и в меньшей степени направляется в кольцевой зазор между камерой сгорания и корпусом. Кроме того, внутренняя рекуперация тепла в известной горелке наиболее эффективна при смещении зоны фронтального горения в сторону выходного сопла, что возможно при работе горелки на больших мощностях.
Техническим результатом является повышение эффективности работы рекуперативной газовой горелки в широком диапазоне режимов ее работы.
Указанный технический результат достигается тем, что рекуперативная газовая горелка, содержащая корпус, коаксиально расположенную в нем камеру сгорания, газовую камеру с многоструйным газовым соплом и запальным устройством, воздушную камеру, расположенную в кольцевом пространстве между камерой сгорания и корпусом, при этом камера сгорания выполнена с равномерно расположенными по периметру цилиндрическими и щелевыми отверстиями, патрубок подачи воздуха расположен на корпусе со стороны газовой камеры, согласно изобретению, она содержит цилиндрическую обечайку, закрепленную в корпусе и разделяющую воздушную камеру на сообщающиеся между собой со стороны выходного сопла наружную и внутреннюю кольцевые воздушные камеры, камера сгорания снабжена равномерно расположенными по периметру продольными ребрами, корпус выполнен с теплоизоляцией, запальное устройство выполнено в виде запальной свечи или скоростной газовой горелки, установленной таким образом, что ее выходное сопло коаксиально расположено в центральном канале многоструйного газового сопла.
Наличие цилиндрической обечайки, закрепленной в корпусе и разделяющей воздушную камеру на сообщающиеся между собой со стороны выходного сопла наружную и внутреннюю кольцевые воздушные камеры, в совокупности с расположением патрубка подачи воздуха со стороны газовой камеры, позволяет производить дополнительную внутреннюю рекуперацию тепла за счет подогрева подаваемого воздуха от цилиндрической обечайки и корпуса при прохождении его от патрубка подачи воздуха по наружной кольцевой воздушной камере, а затем за счет подогрева воздуха от камеры сгорания, продольных ребер и цилиндрической обечайки при прохождении его в обратном направлении во внутренней кольцевой воздушной камере. Это значительно повышает эффективность работы рекуперативной горелки в широком диапазоне мощностей. Кроме того, заявляемая конструкция рекуперативной горелки позволяет использовать новый способ подогрева воздуха вместо используемого в аналогах способа подогрева дымовыми газами, забираемыми из рабочего пространства печи, что значительно повышает ресурс работы рекуперативной газовой горелки.
Выполнение камеры сгорания с равномерно расположенными по периметру продольными ребрами позволяет значительно увеличить теплоотдающую поверхность камеры сгорания, а следовательно, и поверхность съема тепла, что увеличивает температуру подаваемого в камеру сгорания воздуха.
Совокупность существенных признаков заявляемой рекуперативной газовой горелки в отличие от известных аналогов, где горячие дымовые газы для подогрева воздуха забирают из рабочего пространства печи в зоне действия факела, снижая в нем количество полезного тепла в рабочем пространстве печи, позволяет осуществить процесс внутренней рекуперации тепла, а именно, использовать тепло, забранное из данного процесса сжигания газообразного топлива, и возвращать его в этот же процесс, что повышает эффективность работы рекуперативной газовой горелки. Выполнение корпуса с теплоизоляцией позволяет практически исключить излучение тепла от горелки во внешнюю среду, а использовать его для повышения температуры подогрева воздуха.
Выполнение запального устройства в виде запальной свечи позволяет обеспечить оптимальный режим работы рекуперативной газовой горелки на малых мощностях, а выполнение в качестве запального устройства скоростной газовой горелки позволяет применять рекуперативные горелки больших мощностей, что значительно повышает эффективность работы рекуперативной горелки в широких диапазонах.
Заявляемые существенные признаки изобретения, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».
На чертеже изображена рекуперативная газовая горелка в разрезе.
Рекуперативная газовая горелка содержит корпус 1, камеру сгорания 2 с выходным соплом 3, коаксиально расположенную в корпусе 1, газовую камеру 4 с многоструйным газовым соплом 5, воздушную камеру 6, расположенную в кольцевом пространстве между камерой сгорания 2 и корпусом 1, цилиндрическую обечайку 7, разделяющую воздушную камеру 6 на сообщающиеся между собой со стороны выходного сопла 3 наружную кольцевую воздушную камеру 8 и внутреннюю кольцевую воздушную камеру 9. В газовой камере установлена запальная свеча 10. Камера сгорания выполнена с равномерно расположенными по наружному периметру продольными ребрами 11, а также цилиндрическими отверстиями 12 и щелевыми отверстиями 13. Камера сгорания 2 центрируется со стороны выходного сопла 3 выступами 14, с другой стороны она центрируется пластиной 15, соединенной с фланцем 16 при помощи болтов 17. Обечайка 7 жестко закреплена в корпусе 1 при помощи фланца 18. С другой стороны она опирается на корпус 1 при помощи перемычек 19, между которыми воздух проходит из наружной кольцевой воздушной камеры 8 во внутреннюю кольцевую воздушную камеру 9.
Патрубок для подачи воздуха 20 расположен на корпусе 1 со стороны газовой камеры 4, снабженной каналами 21 для подачи воздуха в центральный канал газовой камеры 4. Для подвода газа предусмотрен патрубок 22. В камере сгорания 2 установлен электрод контроля пламени 23, рабочие элементы которого расположены вдоль камеры сгорания 2. Корпус 1 снабжен теплоизоляцией 24.
Рекуперативная газовая горелка работает следующим образом. Через патрубок подачи воздуха 20 и патрубок для подвода газа 22 подают в горелку воздух и газ соответственно. Воздух из наружной кольцевой воздушной камеры 8, проходя между перемычками 19, поступает во внутреннюю кольцевую воздушную камеру 9 и далее через отверстия 12 и 13 в камеру сгорания 2 и через каналы 21 в газовую камеру 4, где образуется газовоздушная запальная смесь, которая поступает через многоструйное газовое сопло 5 в камеру сгорания 2 и воспламеняется от запальной свечи 10. Наличие пламени в камере сгорания контролируют при помощи электрода контроля пламени 23. В процессе работы рекуперативной газовой горелки происходит разогрев цилиндрической обечайки 7. При этом воздух, поступающий через патрубок 20 и проходящий через наружную кольцевую воздушную камеру 8, подогревается от цилиндрической обечайки 7 и корпуса 1. Затем при прохождении воздуха через внутреннюю кольцевую воздушную камеру 9 он дополнительно подогревается от кольцевой обечайки 7, от наружной поверхности камеры сгорания 2 и от продольных ребер 11. Эффективность подогрева воздуха увеличивается за счет продольных ребер 11. Воздух, нагретый до температуры 200-300°C, поступает в камеру сгорания 2 и газовую камеру 4, что значительно повышает эффективность сгорания топлива, снижая его расход. Таким образом, за счет совокупности существенных признаков заявленной рекуперативной газовой горелки осуществляется внутренняя рекуперация тепла, эффективность которой повышается за счет наличия теплоизоляции 24 корпуса 1.
Известен способ подогрева воздуха в рекуперативной газовой горелке, описанный в патенте на изобретение RU №2378573, МПК F23D 14/00, опубликованный 10.01.2001 г. «Рекуперативная горелка для газообразного топлива», заключающийся в отборе дымовых газов из зоны факела рабочего пространства агрегата и передаче теплоты воздуху, идущему на горение, путем подогрева воздуха в рекуператоре с теплообменными трубами, по которым с помощью вентилятора подают находящиеся в рабочем пространстве агрегата дымовые газы, которые отдают тепло теплообменным трубам, затем поступают через дымовой коллектор в дымовую трубу, а воздух подают вентилятором через воздушный коллектор в канал с теплообменными трубами, от которых происходит его подогрев.
Недостатком известного способа является протягивание дымовых газов из рабочего пространства агрегата по теплообменным трубам, что может вызвать образование в них сажи при догорании продуктов неполного сгорания. Это вызывает загрязнение внутренней поверхности теплообменных труб и требует периодической их очистки. При работе на малых расходах воздуха из-за низкого теплосъема возможно повышение температуры и, как следствие, догорание сажи и прогар теплообменных труб.
Наиболее близким является способ подогрева воздуха в рекуперативной газовой горелке, описанный в патенте RU №1400519, МПК F23D 14/00, дата публикации 30.05.88 «Рекуперативная горелка для газообразного или жидкого топлива», который включает подогрев воздуха, идущего на горение, горячими дымовыми газами, забранными из зоны факела рабочего пространства печи и проходящими через наружную кольцевую полость, расположенную между корпусом и кольцевой обечайкой, и далее в систему дымовода, а воздух подают по внутренней кольцевой полости, расположенной между кольцевой обечайкой и трубой первичного воздуха, в камеру сгорания и к выходному соплу горелки.
Известный способ имеет те же недостатки, что и вышеуказанный аналог, а именно, забор горячих дымовых газов из зоны действия факела рабочего пространства печи, где присутствуют продукты неполного сгорания топлива, которые впоследствии при прохождении рекуперативной зоны догорают с возможным образованием сажи. Техническая пыль, присутствующая в дымовых газах, сажа засоряют проходной канал кольцевой полости, снижая эффективность подогрева воздуха. Кроме того, при работе на малых расходах воздуха возможно сгорание сажи и прогар кольцевой обечайки.
Существенным недостатком известного способа является также наличие индивидуального отвода дымовых газов от каждой горелки, что приводит к увеличению количества дымоотводов, дополнительной изоляции, увеличению мощности дымососа, и, как следствие, к увеличению стоимости системы дымоудаления.
Технический результат направлен на повышение эффективности сжигания газообразного топлива путем дополнительного подогрева воздуха и внутренней рекуперации тепла.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе подогрева воздуха в рекуперативной газовой горелке, идущего на горение в камеру сгорания через кольцевую камеру, образованную кольцевой цилиндрической обечайкой, согласно изобретению, сначала воздух направляют по наружной кольцевой воздушной камере, расположенной между теплоизолированным корпусом и цилиндрической обечайкой, в направлении от газовой камеры к выходному соплу, где происходит его подогрев от кольцевой обечайки и теплоизолированного корпуса, затем в противоположном направлении по внутренней кольцевой воздушной камере, расположенной между кольцевой обечайкой и камерой сгорания, где происходит его дальнейший подогрев от цилиндрической обечайки, камеры сгорания и продольных ребер, и далее нагретый воздух поступает через цилиндрические и щелевые отверстия в камеру сгорания, осуществляя процесс внутренней рекуперации тепла.
Подогрев воздуха, идущего в камеру сгорания и в газовую камеру, при прохождении его по разогретым до высокой температуры наружной и внутренней кольцевым воздушным камерам, расположенным на длине практически всей горелки, позволяет производить процесс внутренней рекуперации тепла, повышая эффективность сгорания топлива. А также позволяет отказаться от подогрева воздуха дымовыми газами, забранными из рабочего пространства печи, что упрощает способ и обеспечивает надежную работу горелки.
Способ подогрева воздуха осуществляется следующим образом. Направляют воздух через патрубок 20 при помощи вентилятора (не показан на чертеже) в наружную кольцевую воздушную камеру 8, где происходит его подогрев от разогретой цилиндрической обечайки 7 и теплоизолированного корпуса 1. Затем направляют воздух в противоположном направлении между перемычками 19 во внутреннюю кольцевую воздушную камеру 9, где происходит его подогрев до температуры 200-300°C от цилиндрической обечайки 7, камеры сгорания 2 и продольных ребер 11. Нагретый воздух за счет инжекции поступает через кольцевые отверстия 12 в камеру сгорания 2 и через каналы 21 в газовую камеру 4.
Процесс сжигания топлива проводят постадийно по длине камеры сгорания 2 по мере образования газовоздушной смеси. При различных давлениях газа смещается зона фронтального горения по длине камеры сгорания. При повышении расхода газа происходит увеличение скорости истечения газовых струй и улучшение перемешивания смеси. При дальнейшем увеличении скорости струй происходит смещение высокотемпературного и высокоскоростного пламени в сторону выходного сопла, создавая перед собой зону высокого давления, а за собой зону разрежения. Большая часть продуктов сгорания со скоростью 200 м/час выходит в сопло, а часть высокотемпературных газов эжектируется через щелевидные отверстия 13 в воздушный поток внутренней кольцевой воздушной камеры 9, перемешивается с ним и возвращается обратно путем инжекции через цилиндрические отверстия 12 в зону разрежения камеры сгорания. Таким образом, осуществляется внутренняя рекуперация тепла и принудительное перемешивание газовоздушной смеси. Дополнительно происходит внутренняя рекуперация тепла за счет подогрева воздуха в наружной 8 и внутренней 9 кольцевых воздушных камерах, повышая эффективность сжигания топлива.