Газовая горелка предварительного смешивания

Полезная модель относится к устройству газовых горелок, в частности к горелкам предварительного смешивания. Может применяться для систем автономного нагрева воздуха, работающих на природном газе, и предназначенных, например, для нагрева жилых и производственных помещений при обеспечении низкого уровня вредных веществ в продуктах сгорания газового топлива.
Известна воздушно-газовая горелка по патенту Китая на полезную модель №204114941, F23D 14/02, 2014. Горелка содержит воздушно-топливные смесители, соединенные с центробежными вентиляторами, соединительный фланец и двухслойную бесшовную трубу, расходомер воздуха, впускное отверстие для газа снабжено газовым клапаном. Для обеспечения полного сгорания и сокращения выбросов оксидов азота и окиси углерода горелка выполнена с возможностью управления потоком газа в соответствии с потоком воздуха с помощью дроссельного клапана. Газоснабжение можно отключить с помощью отсечного клапана, чтобы обеспечить требуемое соотношение при смешивании воздуха и газа. Недостатком является сложность системы регулирования подачи газа на горение, сложность обеспечения равномерного горения вдоль поверхности дымовой трубы.
Известна горелка газовая с цилиндрической трубой горелки по международной заявке на изобретение WO2017194394. В цилиндрической трубе горелки находится смесительная камера. Впускное отверстие содержит металлическую сетку в форме купола, через которую в  смесительную камеру поступает газ. Сгорание газа происходит на поверхности цилиндрической трубы после выхода его из смесительной камеры. Поверхность трубы горелки состоит из перфорированного металлического листа. На части трубы выполнена глухая зона, с отсутствием перфорации. Выходное отверстие трубы закрыто торцевой крышкой. Горелка снабжена электродом зажигания и зондом, измеряющим пламя. Колоша горелки выполнена из металлических волокон. При работе горелки на поверхности калоши стабилизируется пламя. Недостатком является сложность обеспечения равномерного горения по длине цилиндрической трубы, образование вредных веществ в процессе горения.
В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбрана газовая горелка по патенту США на изобретение № 295207, F23D 14/02, 2012, содержащая трубу с покрывающим её элементом, снабженным множеством отверстий. Горелка содержит средство для крепления трубы к камере сгорания, средство подачи газа-окислителя. Внутри трубы расположено устройство для возможности подачи  минимального количества газа. Устройство содержит вогнутый элемент с боковыми стенками и дном, наконечник канала подачи газа с множеством отверстий, искровой электрод и зонд. Недостатком является сложность обеспечения равномерного горения вдоль поверхности трубы, приводящая к не полному сгоранию топлива на определенных участках и повышенному выделению вредных веществ.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в снижении количества вредных веществ, выделяемых при горении топлива.
Технический результат достигается за счет того, что в газовой горелке предварительного смешивания, содержащей смеситель с входным отверстием для подачи газа, вентилятор, перфорированную пламенную трубу, вокруг которой с зазором установлен сетчатый насадок, согласно изобретению, внутри пламенной трубы соосно с ней установлен конус, вершина конуса направлена к входному отверстию пламенной трубы, конус расположен вдоль всей перфорированной части трубы, сетчатый насадок выполнен из жаропрочных волокон сплава FeCrAl.
Технический результат обеспечивается за счет установки конуса внутри пламенной трубы. Расположение конуса вершиной в сторону входного отверстия трубы, вдоль всей её перфорированной части, позволяет равномерно уменьшить площадь её поперечного  сечения вдоль всего участка выхода газо-воздушной смеси. При выходе требуемое количество газо-воздушной смеси к концу трубы уменьшается, т.к., часть газо-воздушной смеси уже вышла через выходные отверстия в начале трубы. За счет уменьшения площади сечения трубы вдоль конуса обеспечивается равномерный расход газо-воздушной смеси через отверстия на поверхности пламенной трубы. Это обеспечивает равномерный выход смеси и равномерное сгорание топлива по всей длине трубы, предотвращает неполное сгорание топлива на отдельных  участках поверхности трубы. Выполнение сетчатого насадка из жаропрочных волокон сплава FeCrAl позволяет обеспечить процесс каталитического сжигания топлива с низким количеством выделения вредных веществ. Данный материал обладает свойствами катализатора преобразования газо-воздушной смеси в продукты сгорания с выделением тепла и уменьшенным образованием окиси углерода и оксидов азота. Именно совокупность отличительных признаков позволяет обеспечить  равные объемы выхода газо-воздушной смеси вдоль трубы и обеспечить равные условия для  протекания химических реакций горения вдоль пламенной трубы. Это в свою очередь приводит к минимальным  выбросам вредных веществ.
На фигуре 1 представлено аксонометрическое изображение горелки предварительного смешивания с сетчатым насадком пламенной трубы.
На фигуре 2 представлено аксонометрическое изображение горелки предварительного смешивания с конусом, установленным внутри пламенной трубы.
Горелка предварительного смешивания содержит пламенную трубу 1, смеситель 2 с патрубком для подачи газа 3, присоединенным к системе подачи газа 4. Смеситель 2 соединен с вентилятором 5. Между вентилятором 5 и пламенной трубой 1 установлен переходник 6 и фланцы 7, 8 для установки горелки в камеру сгорания, например, теплообменного блока воздухонагревательного устройства. На фланце 7 установлен патрубок визуального контроля горения 9. Пламенная труба 1 имеет перфорированную часть 10 и гладкую часть 11. Перфорированная часть 10 содержит множество отверстий 12, равномерно нанесенных на поверхность пламенной трубы 1. На гладкой части пламенной трубы 1 расположены датчик контроля пламени 13 и запальный трубопровод 14. Торец пламенной трубы 1 со стороны выходного конца закрыт заглушкой 15. Снаружи пламенной трубы 1 установлен сетчатый насадок 16. Внутри пламенной трубы 1, вдоль её перфорированной части 10, соосно с ней установлен конус 17.
Газовая горелка предварительного смешивания работает следующим образом.
4
2
2
2
2
X
X
В смеситель 2 поступает воздух через входное отверстие и природный газ - через патрубок для подачи газа 3. Смеситель 2 выполнен в виде трубы Вентури, и представляет собой металлическую трубу переменного сечения с входным и выходным отверстием. Патрубок для подачи газа 3 расположен перпендикулярно оси смесителя 2. Из смесителя 2 воздух и газ попадают в центробежный вентилятор 5 с корпусом в виде улитки. Вентилятор 5 обеспечивает образование газо-воздушной смеси  и подачу требуемого количества воздуха для процесса сжигания топлива. Далее газо-воздушная смесь проходит по переходнику 6. Выходное сечение вентилятора 5, как правило, прямоугольное. Переходник 6 обеспечивает переход с прямоугольного сечения на круглое с сохранением площади сечения и обеспечением равномерного расхода газо-воздушной смеси по длине устройства. Газо-воздушная смесь выходит через отверстия 12 цилиндрической поверхности пламенной трубы 1. Воспламенение газо-воздушной смеси происходит с помощью запального трубопровода 14, подсоединенного к системе подачи газа 4.Площадь входного отверстия трубы равна сумме площадей  всех выходных отверстий на поверхности пламенной трубы 1 для того, чтобы количество газо-воздушной смеси прошло через горелку без изменения скорости движения потока.  Сечение выходных отверстий 12 на поверхности пламенной трубы 1 выбирают таким образом, что скорость прохождения через них газо-воздушной смеси выше, чем скорость распространения пламени для данной смеси. За счет этого пламя при горении находится на поверхности пламенной трубы 1, и не проникает внутрь неё. При этом весь поток газо-воздушной смеси выходит через отверстия 12пламенной трубы 1, т.к. её выходной конец закрыт заглушкой 15. С помощью конуса 17 уменьшают площадь проходного сечения пламенной трубы 1. Требуемое количество газо-воздушной смеси по длине трубы 1 уменьшается, т.к. часть газо-воздушной смеси  уже вышло через выходные отверстия 12. Конусом 17 обеспечивают равномерный расход газо-воздушной смеси через отверстия 12 пламенной трубы 1 путем создания сопротивления потоку газо-воздушной смеси за счет уменьшения проходного сечения пламенной трубы. Конус 17 крепят сваркой. Для обеспечения соосности конуса 17 и пламенной трубы могут дополнительно устанавливать центровочное кольцо. Расположение вершины конуса 17 соответствует началу расположения отверстий 12, а основание конуса 17 расположено в конце расположения отверстий 12 на поверхности пламенной трубы 1.Сетчатый насадок 16 изготавливают из металлических нитей жаропрочных волокон сплава FeCrAl, который имеет название «металло-фибро-ткань». Данный материал обладает свойствами катализатора преобразования газо-воздушной смеси в продукты сгорания с выделением тепла. При нагревании этого материала и попадания на него смеси природного газа с воздухом происходит процесс горения без пламени, при котором газо-воздушная смесь (СН+О+N) превращается в продукты сгорания (СО, СО, НО, NO) с выделением тепла. При данном процессе количество выделяемых вредных веществ (СО и NO)   значительно ниже, чем при обычном горении природного газа.  После воспламенения смеси на первом этапе происходит обычное пламенное горение. При достижении металло-фибро-тканью сетчатого насадка 16 температуры начала каталитического горения, пламя исчезает, и весь процесс происходит на ткани, без открытого горения. За счет установки конуса 17 и сетчатого насадка 16 исключают образование разных объемов пламени по длине трубы 1, приводящее к различному протеканию химических процессов вдоль трубы 1, и как следствие, к неполному сгоранию топлива и переводят пламенное горение в каталитическое горение. Все процессы при этом происходят на поверхности нитей сетчатого насадка 16, температура которых постоянна, все химические реакции происходят в равных условиях при минимальном выбросе вредных веществ.
Таким образом, заявляемая полезная модель, позволяет снизить количество вредных веществ, выделяемых при горении топлива.