ЖИДКОТОПЛИВНАЯ ГОРЕЛКА ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к области теплотехники, а именно к технике подготовки и сжигания жидкого топлива, превращенного в пар, в горелках инфракрасного излучения и может быть использована в водогрейных и отопительных котлах, в системах отопления и сушки помещений (в строительстве), древесины, лакокрасочных покрытий.
Известно, что для сжигания жидкого топлива в отопительных котлах широко используются факельные горелки в которых жидкое топливо подается в форсунку под давлением 0,3...0,6 МПа, создаваемым шестеренным насосом, для получения мелкодисперсного гидравлического распыливания, с целью увеличения полноты сгорания топлива при температурах 1200-1500°С, с одновременной подачей в камеру сгорания первичного воздуха из воздухоподающего устройства. [Россия, свидетельство на полезную модель №00180 U1 МКИ 5 F 23 D 11/04, 20.05.2001 г., Горелка для сжигания жидкого топлива].
Основным недостатком гидравлического способа распыливания жидкого топлива в факельных горелках является то, что он обеспечивает минимальный диаметр частиц топлива 50-100 мкм, при котором, даже при тщательном перемешивании топливно-воздушной смеси, из-за достаточно большой скорости выноса частиц происходит не полное сгорание топлива и образование сажистых соединений.
Кроме того, системам с факельным сжиганием как жидкого топлива, так и газа присущи общие недостатки, главными из которых являются:
- большой выброс в атмосферу токсичных продуктов сгорания (оксидов азота и серы, монооксида углерода, бензопиренов), превышающий санитарные нормы;
- низкий коэффициент теплоотдачи от горячих дымовых газов к теплообменным поверхностям;
- взрывопожароопасность систем;
- высокие требования к конструкционным материалам, которые должны быть жаростойкими и долговечными.
Известна горелка инфракрасного излучения, принятая за прототип [Россия, патент на полезную модель №31634 с приоритетом от 09.04.2003 г. «Жидкотопливная горелка инфракрасного излучения», МПК 6 F 23 D 11/04, 14/12, 14/14, 14/16, F 27 D 1/00], работающая
на жидком топливе (бензин, керосин, зимнее дизельное топливо), имеющая гораздо лучшие экологические показатели по сравнению с факельными жидкотопливными горелками.
Хорошие экологические показатели в горелке - прототипе достигаются за счет применения современных технологий ультразвукового распыливания жидкого топлива и изменения его агрегатного состояния - превращения в мелкодисперсный аэрозоль (туман) с диаметром частиц топлива 0,5-5 мкм.
Жидкотопливная горелка инфракрасного излучения, принятая за прототип, содержит топливный бак с топливным шлангом, установленную в верхнем отсеке распределительной камеры пористую керамическую панель с размещенной над ней металлической сеткой, а также аэрозольный смеситель прикрепленный по центру распределительной камеры, в распределительной камере между выходом аэрозольного смесителя и керамической панелью установлен рассекатель аэрозоля с отбойной полкой, закрепленной на боковой стенке по периметру распределительной камеры, огнепреградитель установлен в аэрозольном смесителе у верхнего конца, нижний конец которого введен соосно через корпус генератора аэрозоля топлива с герметичной крышкой с сальником в стакан с акустическим преобразователем, подключенным к генератору ультразвуковых колебаний, корпус генератора аэрозоля топлива с герметичной крышкой с сальником, имеющий больший объем, чем установленный в нем стакан с акустическим преобразователем, выполнен с двумя отверстиями в боковой стенке, в первом из которых закреплен вентилятор продувки, а через второе отверстие стакан с акустическим преобразователем соединен с топливным баком через топливные шланги и поплавковую камеру, регулировочный винт уровня топлива которой устанавливает уровень топлива в стакане с акустическим преобразователем и в поплавковой камере, при этом на металлическую сетку нанесено каталитическое покрытие.
Однако, жидкотопливная горелка инфракрасного излучения - прототип имеет следующие недостатки:
- невозможность работы горелки на летнем дизельном топливе, содержащем парафин;
- время розжига горелки составляет 20-25 секунд, что затрудняет ее эксплуатацию.
Целью создания полезной модели является дальнейшее улучшение экологических показателей жидкотопливной горелки, расширение номенклатуры сжигаемых типов жидкого топлива при одновременном сокращении времени ее розжига.
Технический результат от использования предлагаемой полезной модели заключается в отсутствии в продуктах сгорания жидкого топлива сажистых соединений, в полном сгорании жидкого топлива, в том числе летнего дизельного топлива, в практически мгновенном розжиге горелки от свечи накаливания при поступлении паров аэрозоля топлива, увеличение производительности генератора аэрозоля топлива.
Поставленная цель и технический результат достигается за счет того, что в известную жидкотопливную горелку инфракрасного излучения, содержащую топливный бак, установленную в верхнем отсеке распределительной камеры пористую керамическую панель с размещенной над ней металлической сеткой с каталитическим покрытием, аэрозольный смеситель, прикрепленный по центру распределительной камеры, в которой между выходом аэрозольного смесителя и керамической панелью установлен рассекатель топливо-воздушной смеси с отбойной полкой, закрепленной на боковой стенке по периметру распределительной камеры, огнепреградитель, установленный в аэрозольном смесителе у верхнего конца, нижний конец которого введен соосно через корпус генератора аэрозоля топлива с герметичной крышкой с сальником в стакан с акустическим преобразователем, подключенным к генератору ультразвуковых колебаний, корпус генератора аэрозоля топлива с герметичной крышкой с сальником, имеющий больший объем, чем установленный в нем стакан с акустическим преобразователем, выполнен с отверстиями, в одном из которых закреплен вентилятор продувки, а через другое отверстие стакан с акустическим преобразователем соединен с топливным баком через топливные шланги и поплавковую камеру, регулировочный винт уровня топлива которой устанавливает уровень топлива в стакане с акустическим преобразователем и в поплавковой камере, дополнительно в аэрозольный смеситель введен испаритель аэрозоля, подключенный к источнику питания испарителя аэрозоля, а также у нижнего конца - второй огнепреградитель, в стакан с акустическим преобразователем установлен подогреватель топлива соединенный с источником питания подогревателя топлива.
Способность образования аэрозоля топлива сильно зависит от его физических свойств - в частности от вязкости. Так, например, вязкость бензина в 3-3,5 раз ниже вязкости керосина, а вязкость керосина в 6-7 раз ниже вязкости летнего дизельного топлива [«Краткий справочник химика» под редакцией Б.В.Некрасова, Государственное научно-техническое издательство химической литературы, Москва, 1955 г.] Повышенная вязкость летнего дизельного топлива объясняется наличием в нем парафина. Однако, вязкость его значительно уменьшается и приближается к вязкости керосина при нагревании летнего дизельного топлива до температуры, превышающей температуру плавления парафина 65-70°С.
В связи с тем, что в момент распыливания жидкого топлива, нагретого до 65-70°С, происходит охлаждение частиц аэрозоля топлива, затрудняется поджиг аэрозоля топлива в горелке. До момента возгорания требуется длительный контакт аэрозоля топлива со свечой накаливания - примерно 20-25 секунд и местный разогрев аэрозоля топлива до образования паров аэрозоля топлива, которые вспыхивают от свечи накаливания и поджигают горелку.
Предлагаемая полезная модель не имеет вышеперечисленных недостатков за счет введения дополнительных устройств подогревателя топлива в стакан с акустическим преобразователем и испарителя аэрозоля в аэрозольный смеситель, превращающего аэрозоль топлива в пар аэрозоля топлива, подключенные соответственно к источникам питания подогревателя топлива и испарителя аэрозоля, а в нижний конец аэрозольного смесителя - второй огнепреградитель.
Предлагаемая жидкотопливная горелка инфракрасного излучения (Фиг.) содержит: топливный бак 1, топливные шланги 2, поплавковую камеру 3, стакан с акустическим преобразователем 4 и с подогревателем топлива 17, регулировочный винт уровня топлива 5, генератор ультразвуковых колебаний 6, аэрозольный смеситель 7, с огнепреградителями 10 и испарителем аэрозоля 18. вентилятор продувки 8, корпус генератора аэрозоли топлива с герметичной крышкой с сальником 9, рассекатель аэрозоля с отбойной полкой 11, распределительную камеру с крышкой 12, пористую керамическую панель 13, металлическую сетку 14 с каталитическим покрытием 15, генератор аэрозоля топлива 16, источник питания подогревателя топлива 19, источник питания испарителя аэрозоля 20.
Топливный бак 1 соединен топливным шлангом 2 с поплавковой камерой 3, которая через второй топливный шланг 2 подсоединена через отверстие в боковой стенке корпуса генератора аэрозоля топлива с герметичной крышкой с сальником 9 к стакану с акустическим преобразователем 4 и подогревателем топлива 17.
Аэрозольный смеситель 7 соединен с генератором аэрозоля топлива 16 через сальник в герметичной крышке корпуса генератора аэрозоля топлива 9 так, что нижний край аэрозольного смесителя 7 находится над поверхностью топлива в стакане с акустическим преобразователем 4 и подогревателем топлива 17 на расстоянии 10-12 мм., которое устанавливается изменением уровня топлива в стакане с акустическим преобразователем 4 и подогревателем топлива 17 и в поплавковой камере 3 с помощью регулировочного винта уровня топлива 5 поплавковой камеры 3.
Выход вентилятора продувки 8, через отверстие для подачи воздуха в боковой стенке, соединен с корпусом генератора аэрозоля топлива с герметичной крышкой с
сальником 9, имеющий объем несколько больший, чем устанавливаемый в него стакан с акустическим преобразователем 4 и подогревателем топлива 17. Стакан с акустическим преобразователем 4 и подогревателем топлива 17 и аэрозольный смеситель 7 размещены на одной оси.
На случай проскока пламени, в аэрозольном смесителе 7 у его нижнего края установлен огнепреградитель 10, над которым закреплен испаритель аэрозоля 18, на выходе которого установлен еще один огнепреградитель 10 над которым закреплен рассекатель аэрозоля с отбойной полкой 11, находящийся внутри распределительной камеры с крышкой 12 для равномерного распределения топливо - воздушной смеси по ее объему.
Равномерность распределения топливо - воздушной смеси под пористой керамической панелью 13 обеспечивает так же отбойная полка, расположенная перпендикулярно боковой стенке по периметру распределительной камеры с крышкой 12.
Над пористой керамической панелью 13 установлена металлическая сетка 14 из жаропрочной стали, на которую нанесено каталитическое покрытие 15 на основе оксида марганца, обеспечивая полную конверсию топлива в продукты глубокого окисления и предотвращая образование оксидов азота [Г.К.Боресков, Е.А.Левицкий, З.Р.Исмагилов, Журнал всесоюзного химического общества им. Д.И.Менделеева. 29 (1984).]
Предлагаемая жидкотопливная горелка инфракрасного излучения работает следующим образом.
Топливо из топливного бака 1 поступает по топливному шлангу 2 на вход поплавковой камеры 3, с выхода которой через другой топливный шланг 2 поступает в стакан с акустическим преобразователем 4 и подогревателем топлива 17. Уровень топлива в стакане с акустическим преобразователем 4 и подогревателем топлива 17 устанавливается регулировочным винтом уровня топлива 5 путем подъема или опускания поплавковой камеры 3.
Ref
В стакане с акустическим преобразователем 4 и подогревателем топлива 17 установлен акустический пьезокерамический преобразователь фокусирующего типа, а в качестве подогревателя топлива 17 для подготовки топлива используются термисторы типа РТС с характеристической температурой 65-70°С (полупроводниковые резисторы с положительным температурным коэффициентом резко увеличивают свое сопротивление когда превышена характеристическая температура Т). обеспечивающие постоянство температуры топлива в стакане [ЧИП и ДИП. Каталог «Электронные компоненты для разработки, производства, ремонта», 2000 г.].
Подогреватель топлива 17 в акустическом стакане представляет собой полый
металлический тонкостенный тор, внутри которого по кругу размещены нагревательные элементы - дисковые РТС термисторы тина А53 (А59053), соединенные электрически параллельно и герметично закрытые верхней крышкой тора, проклеенной клеем ВК-9 с добавлением 60 весовых частей нитрата бора для лучшего отвода тепла.
Поверхность жидкости (топлива) должна находиться несколько выше или ниже фокусной акустической точки акустического преобразователя, расположенной на фокусной оси. На электрические контакты акустического преобразователя от генератора ультразвуковых колебаний 6 подается синусоидальное напряжение с частотой равной резонансной частоте акустического преобразователя. При включении генератора ультразвуковых колебаний 6 под воздействием переменного напряжения в акустическом преобразователе возникают механические колебания в топливе, которые образуют гидравлические колебания в жидкости (топливе), под действием которых над поверхностью топлива образуется столб топлива (фонтан), по которому распространяется акустическое давление, приводящее к образованию аэрозоля [В.А.Носов. Ультразвук в химической промышленности. Техническая литература УССР. Киев 1963].
Одновременно с включением генератора ультразвуковых колебаний 6 и подогревателя топлива 17 включается вентилятор продувки 8, нагнетающий в корпус генератора аэрозоля топлива с герметичной крышкой с сальником 9 воздух, который, проходя через верхний край стакана с акустическим преобразователем 4 и зазор между уровнем топлива и нижним краем аэрозольного смесителя 7. попадает в аэрозольный смеситель 7, где смешивается с аэрозолем топлива в нужном соотношении и, пройдя первый огнепреградитель 10 попадает в испаритель аэрозоля 18, где нагревается до температуры 100-120°С и превращается в пар.
В качестве нагревательных элементов 18 в испарителе аэрозоля используются термисторы типа РТС с характеристической температурой 100-120°С, обеспечивающие постоянство температуры в объеме испарителя 18.
Испаритель аэрозоля 18 представляет собой металлический лабиринтообразный радиатор, состоящий из двух одинаковых частей на внутренней поверхности которого размещены нагревательные элементы - РТС термисторы плоские типа R102 (А59102), соединенные между собой электрически параллельно.
Подогретая топливо-воздушная смесь - воздуха и пара аэрозоля топлива, пройдя через второй огнепреградитель 10 и рассекатель топливо - воздушной смеси с отбойной полкой 11 поступает в распределительную камеру 12, где поджигается свечой накаливания, и далее, проходя через отверстия в пористой керамической панели 13, сгорает у ее наружной поверхности. Отрыв пламени предотвращается малой скоростью
истечения горючей смеси в каналах пористой керамической панели, а проскок пламени - размерами в ней отверстий, которые меньше критических.
Дополнительно над пористой керамической панелью 13 на расстоянии 8-12 мм расположена металлическая сетка 14 из жаропрочной стали с каталитическим покрытием 15, которая интенсифицирует процесс сжигания топлива, способствует выравниванию температуры поверхности керамики, обеспечивая дополнительную стабилизацию горения, более полное сгорание топлива, и предотвращает образование вредных выбросов в атмосферу.
Раскаленная пористая керамическая панель 13, а также металлическая сетка 14 являются источником инфракрасного излучения.
Технический результат испытаний опытного образца предлагаемой жидкотопливной горелки инфракрасного излучения, заключается в следующем:
- полное сгорание топлива, в том числе летнего дизельного топлива, без образования сажистых соединений за счет того, что пары аэрозоля топлива поступают подогретые до температуры 100°С;
- мгновенный розжиг горелки от свечи накаливания при поступлении паров аэрозоля топлива в распределительную камеру горелки;
- увеличение производительности генератора аэрозоля на 20% за счет подогрева топлива, что обеспечивает нормальную работу горелки инфракрасного излучения тепловой мощностью до 5 КВт.
Предлагаемая жидкотопливная горелка инфракрасного излучения легко реализуется на базе уже имеющихся и выпускаемых отечественной промышленностью элементов, а также могут быть выполнены, с использованием широко известных технических решений, описанных в литературе, так:
- керамические панели - применяются в газовых горелках инфракрасного излучения ГИИВ-3,65, выпускаемых «АО Казанский завод газовой аппаратуры «Веста»» [Руководство по эксплуатации газовой горелки инфракрасного излучения «ГИИВ - 3,65». 6206-000 РЭ];
- каталитические покрытия (модулированные Mn-Al-O-катализаторы с добавками оксидов редкоземельных элементов), разработаны Новосибирским «Институтом катализа им. Борескова СОРАН». [Г.К.Боресков, Е.А.Левицкий, З.Р.Исмагилов, Журнал всесоюзного химического общества им. Д.И.Менделеева. 29 (1984),], стр.379;
- ультразвуковой распылитель жидкости (топлива) - [В.А.Носов. Ультразвук в химической промышленности. Техническая литература УССР. Киев 1963], стр.93;
- огнепреградитель - Н.А.Стаскевич, Г.Н.Северинец, Д.Я.Вигдорчик. Справочник
по газоснабжению и использованию газов. «Недра», Ленинград, 1990 г., стр.320-325;
- акустический преобразователь - пьезокерамический элемент - шайба ЦТБС - 3, изготовитель ООО «Аврора - Элма», г.Волгоград или ПЭСДВ - 46 27.00.00.01 ТУ, изготовитель НИИ радиофизики г.Ростов-на-Дону;
- термисторный нагреватель топлива - "ЧИП и ДИП, Каталог "Электронные компоненты дл разработки, производства, ремонта", Москва, 2000 г., стр.98-99;
- источники питания подогревателя топлива и испарителя аэрозоля могут быть выбраны из выпускаемых промышленностью источников питания различной мощности.
Представленные чертеж и описание жидкотопливной горелки инфракрасного излучения позволяют, используя вышеперечисленную элементную базу, изготовить ее промышленным способом и использовать по своему прямому назначению, что характеризует предлагаемую полезную модель как промышленно применимую.