ЗАДНИЙ КОЖУХ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОТОКА ВОЗДУХА
REAR CASING FOR AIR FLOW CONTROL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Согласно настоящей заявке испрашивается приоритет по предварительной заявкой США №61/099,200, поданной 22 сентября 2008.
[0002] Настоящее изобретение относится к кожухам для использования в горелках и, в частности, к кожухам для использования в горелках, где смешивается воздух или кислород с газообразным или испаренным топливом.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] Горелки, в которых используется газообразное топливо или жидкое топливо, применяются во многих устройствах, в том числе в котлах, путевых подогревателях, печах, прочем газовом оборудовании и во многом другом. По существу, эти горелки вводят газообразное топливо или жидкое топливо внутрь потока воздуха или кислорода. Если используется жидкое топливо, его следует предварительно испарить или распылить. Полученный в результате поток из топлива и воздуха или кислорода воспламеняется и выходит из форсунки горелки либо в виде видимого пламени, либо в виде потока чрезвычайно горячей газообразной смеси.
[0004] В попытках усовершенствовать узлы, известные из уровня техники, в различных устройствах, таких как котлы, путевые подогреватели, печи и другое газовое оборудование, было проведено глубокое исследование с целью определения качественных и количественных характеристик уровня техники в каждой из этих областей. Исследование показало, что усовершенствования могут быть сделаны в каждой из этих областей без исключения, в частности, в отношении снижения эксплуатационных издержек и сокращения или устранения выбросов. На современных мировых рынках проблемы эксплуатационных издержек и защиты окружающей среды, такие как сокращение или устранение выбросов, - это обычно две из наиболее важных проблем, а, возможно, и самые важные проблемы, с которыми сталкивается большинство предприятий.
[0005] Примечательно, что из уровня техники, очевидно усовершенствования, которые могут быть внесены в эти различные типы устройств, использующих горелки для выработки тепла, не приведут к значительно улучшенному конечному результату. Также очевидно, что фундаментальной проблемой для всех этих различных устройств без исключения является низкий КПД горелки. Большинство горелок, известных из уровня техники имеют КПД только приблизительно 60%-70%. Горение топлива с низким КПД является основной проблемой, присущей всем этим устройствам. Более того, эта проблема низкого КПД горения является главной причиной двух вышеназванных проблем предприятия, а именно эксплуатационных издержек и загрязнения окружающей среды.
[0006] Таким образом, были сделаны выводы о необходимости внесения существенных и принципиальных улучшений в конструкцию горелок с целью фундаментального усовершенствования таких устройств, как котлы, путевые подогреватели, печи и другое газовое оборудование. А именно, для максимального улучшения характеристик котлов, путевых подогревателей, печей и другого газового оборудования, относящихся к издержкам, КПД и т.д., необходимо фундаментально изменить конструкцию горелок, которые снабжают их энергией. Усовершенствование котла, путевого подогревателя, печи и т.п.не имеет смысла, если КПД используемых в них горелок чрезвычайно низкий.
[0007] Примечательно, что попытки таких усовершенствований различных типов горелок предпринимались на протяжении многих лет в различных областях без существенного успеха. В связи с этим обычно применяются другие виды усовершенствований горелочных систем и устройств, которые используют горелки.
[0008] Наиболее распространенным усовершенствованием конструкции, используемым для решения проблемы защиты окружающей среды от выбросов, является повторное использование выхлопных газов. Выяснили, что обычно повторное использование выхлопных газов может быть успешно применено для снижения суммарных выбросов горелочной системы. Однако существуют проблемы, связанные с повторным использованием выхлопных газов. Наиболее серьезной проблемой является то, что повторное использование выхлопных газов требует много дополнительной энергии для пропускания потока смеси, состоящей из воздуха для горения и добавляемого выхлопного газа, через систему. Например, увеличение на 10% количества выхлопного газа, возвращаемого в горелку, обычно приводит к приблизительно 40%-45%-му росту требуемой мощности вентилятора, который нагнетает воздух внутрь горелочной системы. Очевидно, эта попытка решения неприемлема с точки зрения КПД, а, следовательно, и издержек. Ситуация усугубляется, если учесть, что большая часть выхлопных газов проходит через горелочную систему несколько раз.
[0009] Кроме того, существуют горелочные системы, которые используют энергию от высокоскоростных форсунок, подающих воздух для горения, с целью содействия рециркуляции внутри горелочной системы. Эффективность этого технического приема зависит от множества факторов, и обычно возвращение большой части продуктов сгорания в горелку затруднено в случае применения этого технологического приема, таким образом, осложняется его применение во многих ситуациях.
[00010] Понятно, что повторное использование выхлопных газов для сокращения выбросов не является целесообразным решением для усовершенствования конструкции горелочных систем. Сжигание топлива с максимально возможным КПД за один проход через горелочную систему является единственным разумным решением, однако горелок с достаточно высоким КПД не существует.
[00011] Лишь фундаментальное изменение конструкции и принципа работы горелки позволит создать горелку, имеющую высокий КПД и производящую мало выбросов. Основной принцип работы горелок по существу не изменился за несколько последних десятилетий. При исследовании уровня техники обнаружено два примера горелок, которые являются относительно эффективными в отношении КПД и количества выбросов, но не достаточно эффективны в сравнении с описанным ниже настоящим изобретением.
x
[00012] В патенте US 7,484,956, выданном 3 февраля 2009, авторами которого являются Кобаяши (Kobayashi) и др., раскрыто горение с низким выделением оксидов азота (NO) с использованием сгенерированных потоков кислорода и азота. Горение углеводородного топлива с меньшим образованием оксидов азота достигается путем подачи топлива в атмосферу, незначительно обогащенную кислородом, и разделения воздуха на обогащенный кислородом и обогащенный азотом потоки, которые подаются отдельно внутрь камеры сгорания.
[00013] В патенте US 7,429,173, выданном 30 сентября 2008, авторами которого являются Ланари (Lanary) и др., раскрыта газовая горелка для использования в печи и способ сжигания газа в печи, в частности, но не единственно, технологической печи, используемой в процессе крекинга или очистки нефти. Газовая горелка содержит два канала с находящимися рядом выпускными отверстиями. Первый канал сообщается с источником сжатого топливного газа и имеет отверстие, через которое повторно используемый выхлопной газ может входить в первый канал, а второй канал сообщается с источником воздуха. В процессе работы топливный газ нагнетается внутрь первого канала, и повторно используемый выхлопной газ таким образом втягивается внутрь первого канала, так что он смешивается с топливным газом. Топливный газ частично сгорает, а смесь частично сгоревшего топливного газа и повторно используемого выхлопного газа течет вверх по первому каналу, входит в контакт с воздухом из второго канала и сгорает. Использование повторно используемого выхлопного газа удерживает низкий уровень выбросов оксидов азота, а поскольку повторно используемый выхлопной газ втягивается внутрь первого канала потоком сжатого топливного газа, нет необходимости в сложных насосных механизмах.
[00014] В патенте US 7,422,427, выданном 9 сентября 2008, автором которого является Лифшиц (Lifshits), раскрыта имеющая высокий КПД и низкое выделение оксидов азота горелка и способ ее эксплуатации. Горелка предназначена для установки в печь, включающую смесительную камеру, ограниченную по меньшей мере передней стенкой печи, двумя боковыми стенками, верхней стенкой и нижней стенкой; а также теплопроводящие трубы, через которые течет теплопроводная среда, и которые расположены на по меньшей мере одной из следующих стенок: верхняя стенка, нижняя стенка и боковые стенки. Горелка в сборе установлена на передней стенке печи и имеет трубчатый элемент с открытым дальним концом, который расположен внутри смесительной камеры. Другой конец трубчатого элемента присоединен к передней стенке печи. Несколько отверстий для воздуха для горения проходят внутрь трубчатого элемента от его другого, ближнего, конца и соединены с источником воздуха для горения. Несколько форсунок, впрыскивающих топливный газ, также проходят внутрь трубчатого элемента от его другого конца и соединены с источником топлива. Отверстия для печного газа, сформированные в трубчатом элементе, находятся на некотором расстоянии от дальнего конца, расположены вдоль периферии трубчатого элемента и размещены относительно смешивающей камеры таким образом, что печные газы циркулируют мимо некоторых из теплопроводящих труб, прежде чем они достигают отверстий для печного газа с образованием в результате смеси из воздуха для горения, топливного газа и печного газа. Обтекатель на дальнем конце трубчатого элемента создает зону повторного использования для смеси ниже по течению обтекателя и трубчатого элемента.
[00015] В патент US 6,485,289, выданном 26 ноября 2002, авторами являются Келли (Kelly) и др., раскрывает горелочную систему и процесс горения со значительно сниженным выделением оксидов азота. Газы из зоны реактора модификации и обогащения топлива сводятся с продуктами из зоны реактора обеднения топлива в зоне реактора низкотемпературного выгорания и сниженного образования оксидов азота. Реактор модификации и обогащения топлива стабилизирует горение за счет повторного использования горячих газов к реагентам. Реакции распада азотсодержащих продуктов в зоне обогащения топлива сдерживают выработку оксидов азота. Азотсодержащие продукты из зоны обогащения топлива и оксиды азота из зоны обеднения топлива затем реагируют в зоне выгорания при оптимальной температуре, и азотсодержащие продукты примешиваются, если количество оксидов азота снижается до минимума. Температура во всех зонах и, в частности, в зоне выгорания может регулироваться путем вовлечению печного газа, инициируемого повторного использования дымовых газов и активного охлаждения с помощью излучательной и/или конвективной теплопередачи. Выделение оксидов азота может быть еще более снижено путем введения аммиака или подобных аминсодержащих продуктов внутрь зоны низкотемпературного выгорания. Путем балансировки реакций, сдерживающих горение и образование выбросов, в нескольких зонах может быть обеспечено малое количество выбросов при хороших характеристиках стабильности пламени, отказоустойчивости, теплопередачи и уровня шума.
[00016] Задачей настоящего изобретения является создание заднего кожуха для регулирования потока воздуха, предназначенного для использования в горелке и обуславливающего очень высокий КПД сжигания топлива в горелке.
[00017] Еще одной задачей настоящего изобретения является создание заднего кожуха для регулирования потока воздуха, предназначенного для использования в горелке и обуславливающего минимальное производство горелкой нежелательных выбросов.
[00018] Еще одной задачей настоящего изобретения является создание заднего кожуха для регулирования потока воздуха, предназначенного для использования в горелке, причем этот задний кожух для регулирования потока воздуха и горелка могут быть использованы с различными типами газообразного и жидкого топлива.
[00019] Еще одной задачей настоящего изобретения является создание заднего кожуха для регулирования потока воздуха, предназначенного для использования в горелке, причем этот задний кожух для регулирования потока воздуха и горелка являются экономически эффективными.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[00020] Согласно одному аспекту настоящего изобретения, предлагается новый задний кожух, преобразующий поток кислорода, для использования в горелке. Задний кожух, регулирующий поток кислорода, содержит корпус, имеющий передний конец и задний конец и продольную ось, проходящую между передним концом и задним концом;
выполненное в корпусе первое впускное отверстие для впуска кислорода;
по существу кольцевую сборную камеру для сбора кислорода, расположенную в корпусе и сообщающуюся с первым впускным отверстием;
по существу кольцевую смесительную камеру для смешивания потока кислорода, расположенную в корпусе;
по существу кольцевую стенку, в целом разделяющую сборную камеру и смесительную камеру для потока кислорода;
первый канал для потока кислорода, проходящий между сборной камерой и смесительной камерой и имеющий первую высоту, которая является частью высоты по существу кольцевой стенки; и
второй канал для потока кислорода, проходящий между сборной камерой и смесительной камерой и имеющий вторую высоту, которая является частью высоты по существу кольцевой стенки.
Высота первого канала для потока кислорода больше, чем высота второго канала для потока кислорода.
[00021] Другие преимущества, признаки и особенности настоящего изобретения, принципы работы и функции соответствующих элементов конструкции, а также соединение деталей и экономия при производстве более понятны из нижеследующего подробного описания, прилагаемых формулы изобретения и чертежей. Краткое описание чертежей приведено ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[00022] Новизна заднего кожуха для регулирования потока кислорода согласно настоящему изобретению, относящаяся к его конструкции, организации, эксплуатации, принципу работы, а также другие его задачи и преимущества, поняты из следующих чертежей, на которых изображен предпочтительный вариант реализации, приведенный в качестве примера. Следует понимать, однако, что чертежи приведены только в целях пояснения и описания и не ограничивают изобретение. На прилагаемых чертежах:
[00023] на фиг.1 изображен вид сбоку в вертикальном разрезе предпочтительного варианта реализации заднего кожуха для регулирования потока воздуха, согласно настоящему изобретению, установленного в горелке;
[00024] на фиг.2 изображен вид в перспективе предпочтительного варианта реализации заднего кожуха для регулирования потока воздуха согласно фиг.1, установленного в горелке;
[00025] на фиг.3 изображен вертикальный вид сбоку заднего кожуха для регулирования потока воздуха согласно фиг.2;
[00026] на фиг.4 изображен вертикальный вид спереди заднего кожуха для регулирования потока воздуха согласно фиг.2;
[00027] на фиг.5 изображен вертикальный вид сзади заднего кожуха для регулирования потока воздуха согласно фиг.2;
[00028] на фиг.6 изображено сечение по линии 6-6 на фиг.4 заднего кожуха для регулирования потока воздуха согласно фиг.2;
[00029] на фиг.7 изображено сечение по линии 7-7 на фиг.4 заднего кожуха для регулирования потока воздуха согласно фиг.1; и
[00030] на фиг.8 изображено сечение по линии 8-8 на фиг.3 заднего кожуха для регулирования потока воздуха согласно фиг.1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА РЕАЛИЗАЦИИ
[00031] На фиг.1-8 проиллюстрирован предпочтительный вариант реализации заднего кожуха для регулирования потока воздуха согласно настоящему изобретению, обозначенного позицией 30. Следует понимать, несмотря на то, что для некоторых форм горелок определение переднего конца и заднего конца может быть довольно условным, передним концом обычно считается тот, где производится пламя, а задним концом считается та область, где находятся впускные отверстия для впуска воздуха и топлива и где начинается смешивание воздуха и топлива.
[00032] Рассмотрим фиг.1-8, которые показывают предпочтительный вариант реализации заднего кожуха 30 для регулирования потока воздуха согласно настоящему изобретению. Необходимо понимать, что, хотя для некоторых форм горелок определение переднего конца и заднего конца может быть довольно условным, передним концом обычно считается тот, где производится пламя, а задним концом считается та область, где находятся впускные отверстия для впуска воздуха и топлива и где начинается смешивание воздуха и топлива.
[00033] Кроме того, следует понимать, что для удобства термин «воздух» используется для описания воздуха, получаемого от источника нагнетаемого или сжатого воздуха, а также кислорода от источника нагнетаемого или сжатого кислорода. Если используется источник воздуха, то кислород, присутствующий в воздухе, реагирует с топливом, таким как пропан, природный газ и т.п. Азот, присутствующий в воздухе, просто отделяется от кислорода при горении. Возможно использование водород вместе с кислородом.
[00034] Кожух 30 содержит корпус 32, имеющий передний конец 33 и задний конец 34. Продольная ось L проходит между концом 33 и концом 34. Предпочтительно, корпус 32 выполнен из металла, но может быть выполнен и из любого другого подходящего материала.
[00035] Кожух 30 также содержит в корпусе 32 канал 36 для размещения форсунки. Канал 36 в целом расположен в корпусе 32 по центру и ориентирован вдоль оси L. Кожух 30 также содержит кольцевую коническую часть 37, проходящую вперед от корпуса 32. Канал 36 проходит через часть 37.
[00036] В корпусе 32 имеется по меньшей мере одно впускное отверстие для впуска воздуха, а в предпочтительном варианте реализации изобретения, как изображено на чертежах, в корпусе 32 имеется первое впускное отверстие 38 для впуска воздуха и второе впускное отверстие 39 для впуска воздуха, в частности в кожухе 32. Первое впускное отверстие 38 и второе впускное отверстие 39 разнесены на 180° с целью эффективного максимизирования последующего смешивания воздушного потока. Каждое из отверстий 38 и 39 ориентировано в целом вдоль оси L, как изображено на чертежах, но в других вариантах реализации изобретения может быть ориентировано под другим углом. В указанном корпусе 32 возможны дополнительные впускные отверстия для впуска воздуха для обеспечения введения дополнительного воздуха при необходимости.
[00037] Кроме того, следует отметить, что согласно альтернативному варианту реализации изобретения могут существовать дополнительные впускные отверстия для введения вторичного топлива, такого как водород, и даже введения несгоревших выбросов от горелок других типов и т.п.
[00038] Кожух 30 для регулирования потока воздуха содержит в корпусе 32 по существу кольцевую сборную камеру 29 для сбора воздуха. Камера 29 сообщается с отверстием 38 и отверстием 39. Камера 29 имеет по существу круглую форму.
[00039] Кроме того, в корпусе 32 имеется по существу кольцевая смесительная камера 100 для смешивания потока воздуха. Смесительная камера 100 также имеет по существу круглую форму.
[00040] По существу кольцевая стенка 110 в целом разделяет сборую камеру 29 и смесительную камеру 100. По существу кольцевая стенка 110 имеет по существу круглую форму.
[00041] Камера 29 в целом окружает камеру 100. Высота камеры 29 и высота камеры 100 равны друг другу. Кроме того, камера 29 и камера 100 по существу продольно выровнены друг с другом вдоль продольной оси L.
[00042] Первое впускное отверстие 38 и второе впускное отверстие 39 расположены позади камеры 29 с целью обеспечения поступательного потока воздуха, надлежащим образом направленного в камеру 29. Таким образом, крепежные приспособления, посредством которых воздушные трубопроводы присоединены к первому впускному отверстию 38 и второму впускному отверстию 39, не выступают наружу в боковом направлении, что могло бы оказаться ненадежным.
[00043] Первое отверстие 101 для потока воздуха проходит между камерой 29 и камерой 100. Первое отверстие 101 имеет первую высоту, которая является частью высоты кольцевой стенки 110. Имеется также второе отверстие 102 для потока воздуха, которое проходит между камерой 29 и камерой 100. Отверстие 102 имеет вторую высоту, которая является частью высоты кольцевой стенки 110. Высота первого отверстия 101 для потока воздуха больше, чем высота второго отверстия 102 для потока воздуха.
[00044] Горелка 20 также содержит третье отверстие 103 для потока воздуха, проходящее между камерой 29 и камерой 100. Третье отверстие 103 имеет третью высоту, которая является частью высоты кольцевой стенки 110. Высота первого отверстия 101 для потока воздуха больше, чем высота третьего отверстия 103 для потока воздуха, и высота второго отверстия 102 для потока воздуха больше, чем высота третьего отверстия 103 для потока воздуха.
[00045] Горелка 20 также содержит четвертое отверстие 104 для потока воздуха, проходящее между камерой 29 и камерой 100. Четвертое отверстие 104 имеет четвертую высоту, которая является частью высоты кольцевой стенки 110. Высота первого отверстия 101 для потока воздуха больше, чем высота четвертого отверстия 104 для потока воздуха. Высота второго отверстия 102 для потока воздуха больше, чем высота четвертого отверстия 104 для потока воздуха. Высота третьего отверстия 103 для потока воздуха больше, чем высота четвертого отверстия 104 для потока воздуха.
[00046] Обнаружено, что разность высот первого отверстия 101, второго отверстия 102, третьего отверстия 103 и четвертого отверстия 104 обеспечивает эффективное динамическое смешивание потока воздуха, входящего в камеру 100.
[00047] В альтернативном варианте реализации настоящего изобретения возможна такая ориентация под некоторым углом первого, второго, третьего и четвертого отверстия для потока воздуха, что воздух, текущий через них, входит в камеру 100 под углом, благодаря чему в этой камере 100 создаются кольцеобразно закрученные потоки.
[00048] Во время работы воздух входит в кожух 30 через первое впускное отверстие 38 и второе впускное отверстие 39 и первоначально накапливается в камере 29. Воздух проходит из камеры 29 в камеру 100 через первое отверстие 101, второе отверстие 102, третье отверстие 103 и четвертое отверстие 104. Разностью высот первого отверстия 101, второго отверстия 102, третьего отверстия 103 и четвертого отверстия 104 обусловлено поступление воздуха в камеру 100 на четырех четко выраженных и отличных друг от друга «уровнях» (относительно оси L), в результате чего обеспечивается неламинарный поток воздуха. Благодаря этому воздух является максимально турбулентным, что способствует полному смешиванию воздуха ниже по течению с топливом из распылителя 60 топливной форсунки.
[00049] Вышеприведенное описание и прилагаемые чертежы позволяют понять, что, согласно настоящему изобретению, предлагается задний кожух для регулирования потока воздуха, предназначенный для использования в горелке, имеющей очень высокий КПД при сжигании топлива, производящей минимум нежелательных выбросов, выполненной с возможностью использования с разными типами газообразного и жидкого топлива, которая является экономически эффективной, и не раскрытой в уровне техники во всей совокупности своих признаков.
[00050] Другие изменения описанных выше принципов очевидны для специалиста, обладающего знаниями в области техники, к которой относится настоящее изобретение, и эти изменения следует считать входящими в рамки настоящего изобретения. Кроме того, другие модификации и изменения возможны для выполнения в конструкции и при производстве топливной форсунки согласно настоящему изобретению без отступления от сущности прилагаемой формулы изобретения.