РАДИАЦИОННАЯ ГАЗОВАЯ ГОРЕЛКА
RADIATION GAS BURNER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к энергетике, в частности к устройствам и способам эффективного и экологичного сжигания газообразных углеводородов, в которых большая часть энергии окисления топлива превращается в энергию электромагнитного излучения инфракрасной области спектра с целью ее преобразования в другие виды энергии: тепловую, электрическую, химическую. Радиационные газовые горелки перспективны к использованию в теплоэнергетических устройствах для малой распределенной энергетики и по сравнению с факельными горелками имеют ряд преимуществ. Во-первых, вся энергия инфракрасного потока мгновенно передаётся нагреваемому телу, при этом теплообмен пропорционален разности абсолютных температур горелки и теплопринимающего тела, возведенных в четвертую степень. Диапазон регулировки мощности радиационных газовых горелок превышает таковой для пламён, при этом объемная плотность тепловой мощности инфракрасных горелок на порядок больше таковой у пламён, что позволяет уменьшить объем топочного пространства устройства. Во-вторых, температура газообразных продуктов сгорания, образующихся в радиационных горелках, имеет пониженную температуру, что позволяет достигать заданного КПД установки при существенно меньшем объёме теплообменников конвективной части устройства. Снижение температуры продуктов сгорания также позволяет избежать образования оксидов азота по высокотемпературному механизму Зельдовича.
Радиационный КПД горелки, определяемый как отношение величины энергии, перешедшей в тепловое излучение, к общему количеству тепла, полученного от сгорания подводимого газа, находится в сильной зависимости от конфигурации пористого излучателя и способа сжигания газа в горелке. Радиационный КПД горелок, в которых окисление углеводородов кислородом воздуха происходит над поверхностью пористого излучателя, невысок, порядка 30%, так как теплообмен между продуктами горения и пористым телом ограничен. Основным способом повышения радиационного КПД газовой горелки является интенсификация теплообмена пламени с излучателем, что достигается организацией процесса горения под внешней поверхностью пористого излучателя. В простейшем случае используют излучатели, имеющие профилированную поверхность, где горение происходит в углублениях рельефа поверхности, здесь радиационный КПД достигает 40%. Более эффективной конфигурацией является размещение над поверхностью излучателя высокопроницаемых структур, как-то сеток или высокопористых ячеистых материалов. В данном случае пламя стабилизируется в объеме под внешней излучающей поверхностью, что позволяет получить максимально возможный радиационный КПД устройства, до 70% и выше.
Уровень техники
Известна радиационная горелка, которая содержит полый корпус с распределительной камерой, на выходном участке которой последовательно размещены плоская горельная излучающая плита, накрытая перфорированной крышкой излучателя. Газовую рабочую смесь предварительно подготавливают в смесителе, расположенном под горельной излучающей плитой с помощью инжектора (RU 94032139, МПК F32D14/12, 1996). Данное решение позволяет обеспечить полное сгорание топлива при минимальном гидравлическом сопротивлении тракта подвода топливной смеси. Недостатком данного технического решения является узкая направленность теплового излучения с поверхности излучателя.
Известна радиационная горелка, которая содержит корпус с инжекционным смесителем, перфорированный керамический цилиндр, металлическую сетку цилиндрической формы, а также стержни для закрепления сетки над поверхностью перфорированного цилиндра (RU 131851, МПК F23D14/12, 2012). Данное решение позволяет равномерно распределить топливо-воздушную смесь по поверхности цилиндрической керамики, что позволяет формировать равномерное тепловое излучение с поверхности металлической сетки. Недостатком данного решения является низкая устойчивость цилиндрической перфорированной керамики к изгибающим механическим напряжениям, возникающим вследствие больших температурных градиентов по толщине стенки цилиндра, что может приводить к разрушению керамики в наиболее энергонагруженных режимах работы горелки.
Известна радиационная газовая горелка, которая содержит жаропрочный пористый цилиндрический насадок с заглушкой с одной стороны и газоподводящим патрубком с соплом с другой стороны (RU 2462661, МПК F23D14/14, 2012). Способ проведения процесса горения в ней осуществляется посредством подачи высокоскоростной струи топлива из сопла во внутреннюю полость насадка. Смешение газообразного топлива с воздухом осуществляется в полости насадка, при этом воздух инжектируется извне через пористую стенку в некоторой протяженной зоне насадка около сопла. Полученная смесь далее продвигается вдоль насадка и истекает через пористую стенку вблизи заглушки, где на внешней цилиндрической поверхности происходит горение. С целью повышения эффективности внешняя поверхность насадка может выполняться профилированной или над поверхностью насадка в зоне локализации пламени может размешаться жаропрочный высокопористый материал. Преимуществом данного решения является безопасность работы в широком диапазоне мощностей, так как в устройстве фактически отсутствует отдельная смесительная камера. Недостатками данного решения являются низкий ресурс пористого насадка, что обусловлено высокими термо-механическими градиентами материала на границе зон инжекции воздуха и горения.
Известен пористый насадок для беспламенной пористой горелки, выполняемый в виде полого цилиндра из жаропрочного металлокерамического материала, над поверхностью которого размещена сетка из жаропрочной стали, внутрь которого подаётся топливо-воздушная смесь (RU 2310129, МПК F23D14/12, 2007). Пористый насадок имеет анизотропную поровую структуру, что позволяет обеспечить материал низким газодинамическим сопротивлением. Изобретение позволяет обеспечить равномерное распределение топливо-воздушной смеси по поверхности насадка, что приводит к повышению радиационной теплоотдачи горелки. Преимуществами данного решения являются увеличение диапазона регулирования мощности горелки, снижение выбросов оксидов азота, устранение акустического шума работы горелки. Недостатками данного решения являются необходимость размещения сеток над поверхностью пористого насадка для повышения радиационного КПД устройства, также в процессе эксплуатации не исключена возможность проскока пламени под поверхность пористого цилиндра и далее в смеситель, что приведет к аварийным последствиям и выходу устройства из службы. Данный недостаток в той или иной мере присущ всем вышеупомянутым техническим решениям. Поэтому при эксплуатации газовой горелки необходим аккуратный подбор режимов горения, использование быстродействующей автоматики контроля пламени, проведение периодических тщательных осмотров поверхности излучателей на предмет трещин и прочие меры, предотвращающие проскок пламени.
Наиболее близким по технической сущности аналогом является инфракрасный излучатель, способ проведения процесса горения углеводородного газового топлива и способ приготовления сложной керамики, активированной катализатором (RU 2110015, МПК F23D14/18, 1998). Конструкция керамического инфракрасного излучателя состоит из цилиндрического газопроницаемого керамического насадка, имеющего полость для ввода и распределения газообразной топливо-воздушной смеси. Керамический насадок состоит из коаксиально расположенных и чередующихся между собой нагофрированных и гофрированных цилиндров из активированной катализатором керамики, образующих каналы с регулярной зигзагообразной формой. Подача метано-воздушной смеси осуществляется через распределительный объём с последующим радиальным вводом и выводом газов через стенки керамического излучателя. Процесс горения происходит во внутреннем объеме пористого излучателя таким образом, что принципиально невозможна реализация режима проскока пламени внутрь смесителя. Наряду с многочисленными достоинствами радиационная горелка, выбранная за прототип, имеет следующие недостатки:
1. Сложным образом сконструированная керамика испытывает существенные термо-механические напряжения, обусловленные тем, что в объёме стенки цилиндрической керамики происходит горение с нагревом центральных слоёв стенки до 1500 Цельсия, при этом внутренняя полость керамического излучателя имеет температуру, близкую к комнатной, ввиду охлаждения поверхности высокоскоростным потоком втекающей газо-воздушной смеси, а внешняя поверхность излучателя охлаждается из-за интенсивных радиационных и конвективных теплопотерь в окружающую среду. Ввиду отсутствия пластичности и разнородных коэффициентов термического расширения составляющих керамики может происходить разрушение структурных элементов излучателя. При этом инспектировать внутренние разрушения в упорядоченной структуре многослойного керамического блока оперативными средствами диагностики не представляется возможным.
2. Способ горения, указанный в прототипе, подразумевает розжиг горелки с внешней поверхности излучателя при подаче во внутреннюю полость керамического цилиндра метана без воздуха с последующей плавной подачей воздуха до стехиометрического соотношения 1:10, что требует применения специальной автоматики горелки и может ухудшать экологические параметры горения, приводить к сажеобразованию в объеме пор материала с ухудшением газотранспортных свойств керамики.
Сущность изобретения
Предлагаемое решение принципиально устраняет все вышеперечисленные недостатки наиболее близкого аналога.
Основной задачей предложенного технического решения является создание радиационной газовой горелки с повышенными эксплуатационными и экологическими характеристиками, что достигается за счёт применения корпуса горелки и пористого излучателя с заданными структурными характеристиками.
Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение КПД горелки при улучшении экологических характеристик горелки.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что радиационная газовая горелка содержит полый корпус и инфракрасный излучатель, выполненный из жаропрочного материала в виде полой трубы со сферическим оголовком, длина излучателя равна (2-3,5) диаметрам излучателя. Согласно изобретению, полый корпус выполнен в виде цилиндрического объёма переменного диаметра, где горловина корпуса имеет диаметр, равный (0,4-0,8) диаметрам инфракрасного излучателя, переходящее в диффузор с установленным коническим распределителем потока из жаропрочного материала, зазор между стенкой диффузора и распределителем потока выполнен равным (0,1-0,2) диаметрам инфракрасного излучателя. Инфракрасный излучатель выполняется со стенкой одинаковой толщины как в цилиндрической, так и сферической частях, соотношение толщины стенки инфракрасного излучателя к его диаметру составляет 1:6, пористость инфракрасного излучателя составляет 50-60%, структура порового пространства инфракрасного излучателя изотропна с размером газотранспортных пор 400 - 1000 мкм.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг.1 – принципиальная схема радиационной газовой горелки.
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:
1 – пористый жаропрочный цилиндрический насадок; 2 – прокладка из керамического волокна; 3 – корпус горелки; 4 – зона подачи топлива и воздуха; 5 – конфузор; 6 – горловина; 7 – диффузор; 8 – распределитель потока; 9 – полость пористого жаропрочного цилиндрического насадка.
Раскрытие изобретения
Принципиальная схема радиационной газовой горелки приведена на фиг. 1. Радиационная газовая горелка состоит из инфракрасного излучателя (1), смонтированного с цилиндрическим корпусом горелки (3) через прокладку из вспененной оксидной керамики (2). Инфракрасный излучатель выполнен из пористого жаропрочного цилиндрического насадка (1) со сферическим оголовком.
Цилиндрический корпус горелки в нижней части (4) оборудован патрубками подвода газообразного топлива (метана или пропан-бутана) и воздуха, а в верхней части выполнен в виде цилиндрического объёма переменного диаметра, где конфузор (5) переходит в горловину (6), которая выполняется диаметром, равным 0,4-0,8 диаметрам инфракрасного излучателя (1), и переходит в диффузор (7) с установленным коническим распределителем потока из жаропрочного материала (8), зазор между стенкой диффузора и распределителем потока выполнен равным 0,1-0,2 диаметрам инфракрасного излучателя.
Диаметр горловины корпуса (6) задан равным 0,4-0,8 диаметрам инфракрасного излучателя, что гарантирует невозможность реализации режима проскока пламени в зону смешения газов и обеспечивает интенсивный турбулентный теплообмен между втекающей газо-воздушной смесью и стенками корпуса. По этой же причине размер зазора между распределителем потока (8) и диффузором (7) выбран равным 0,1-0,2 диаметрам инфракрасного излучателя (1).
2
Диапазон регулирования удельной мощности радиационной газовой горелки составляет от 15 до 40 Вт/см, рассчитанных как полная мощность горелки, отнесенная к площади поверхности инфракрасного излучателя (1).
Диапазон максимальных мощностей горелок, изготавливаемых по данному изобретению, может варьироваться от 3 кВт для инфракрасного излучателя диаметром 3 см до 340 кВт для инфракрасного излучателя диаметром 30 см.
Длина излучателя выполнена равной 2-3,5 диаметрам излучателя, стенка излучателя имеет одинаковую толщину в цилиндрической и сферической частях, соотношение толщины стенки инфракрасного излучателя к его диаметру составляет 1:6, пористость инфракрасного излучателя составляет 50-60%, структура порового пространства инфракрасного излучателя изотропна с размером газотранспортных пор 400 - 1000 мкм.
Оптимальной длиной инфракрасного излучателя является 2-3,5 диаметра излучателя, при этом использование излучателей длиной менее двух диаметров приводит к снижению радиационного КПД горелки, а использование излучателей с длиной более 3,5 диаметров может ухудшать параметры экологии.
Пористость излучателя на уровне 50-60 %, а также соотношение толщины стенки излучателя к его диаметру, равное 1:6, позволяют обеспечить оптимальную прочность конструкции излучателя при сохранении приемлемого уровня газодинамического сопротивления.
Горение топливно-воздушной смеси происходит во внутреннем объёме (9) пористого жаропрочного цилиндрического излучателя (1).
Для обеспечения приемлемой экологической чистоты уходящих газов необходимо задавать коэффициент избытка воздуха не менее 1,2 при сжигании метана и не менее 1,25 при сжигании пропан-бутана. В этом случае во всем диапазоне регулирования мощности горелки выбросы будут характеризоваться концентрациями монооксида углерода менее 57 ppm и суммы оксидов азота менее 27 ppm, приведенных к сухим неразбавленным воздухом продуктам сгорания.
Данные уровни концентрации отравляющих веществ находятся в соответствии с самыми строгими международными стандартами экологии, применяемыми для регулирования выбросов бытовых газовых котлов такими организациями как Nordic Ecolable White Swan, Clean Air Alliance of China, South Coast Air Quality Management District.
Для запуска горелки в корпус подаётся топливо-воздушная смесь с заданным целевым коэффициентом избытка воздуха, менять который в течение процедуры запуска и выхода горелки на стационарный режим не нужно, пламя поджигается с внешней поверхности инфракрасного излучателя, после чего в течение 30-60 секунд происходит проскок пламени во внутреннюю полость инфракрасного излучателя, где пламя стабилизируется во внутреннем объеме излучателя.
Выход горелки на стационарный режим занимает от 2 до 5 минут. При этом экспериментально установлено, что обеспечить проскок пламени внутрь полости излучателя на этапе розжига горелки позволяет использование инфракрасного излучателя с размером пор более 300 мкм, однако для обеспечения вышеуказанных параметров экологии размер пор должен быть в диапазоне 400 - 1000 мкм.
Пример конкретной реализации заявленного изобретения.
Использовался инфракрасный излучатель из пористого никель-алюминиевого цилиндрического насадка со сферическим оголовком. Диаметр насадка составлял 50 мм, длина 150 мм, толщина стенки 8 мм, пористость 55%, размер пор 470 мкм, размер Ni-Al элементов скелета 1350 мкм. Инфракрасный излучатель смонтирован через прокладку из вспененной оксидной керамики с корпусом горелки, выполненным из нержавеющей стали, где горловина корпуса имеет диаметр 20 мм. В диффузоре корпуса установлен конический распределитель потока из никель-алюминиевого материала, зазор между стекой диффузора и распределителем потока выполнен равным 6 мм. Диапазон регулирования максимальной мощности горелки составляет 3,5 – 9,4 кВт. В корпус горелки подается метан и воздух в объемном соотношении 1:11,5 либо пропан и воздух в объемном соотношении 1:30. При розжиге горелки на мощности 5 кВт проскок пламени во внутреннюю полость излучателя происходит в течение 30 секунд, выход горелки на режим составляет 120 секунд. Продукты горения характеризуются концентрацией монооксида углерода менее 57 ppm и суммы оксидов азота менее 27 ppm, приведенных к сухим неразбавленным воздухом продуктам сгорания.