ИНЖЕКЦИОННАЯ ГОРЕЛКА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
INJECTOR LOW-PRESSURE BURNER

Изобретение относится к инжекционным горелкам для сжигания газообразного топлива в бытовых котлах малой мощности, газовых проточных нагревателях и других аппаратах.
1
Известна инжекционная газовая горелка, имеющая общий смеситель с поперечными распределительными трубками (Рагозин А.С. Бытовая аппаратура на газовом, жидком и твердом топливе. - Л.: Недра, 1982, с. 101, рис. 43). Газ низкого давления через сопло подводится к конфузору с шибером. Эта горелка имеет относительно малый коэффициент инжекции α=0,4÷0,5. Недостатком инжекционной газовой горелки является усложнение конструкции за счет наличия шибера и двухстороннего расположения трубок. В связи с малым коэффициентом инжекции такая горелка не может использоваться для сжигания сжиженного газа.
Известна многофакельная инжекционная газовая горелка, обеспечивающая оптимальное сгорание газов низкого давления из одного семейства газов (патент РФ №2129236, МПК F23D14/04, опубл. 20.04.1999). Способ управления воздухом обеспечен средствами для обнаружения по крайней мере одной температуры установки горелочного устройства и средствами для управления потоком первичного воздуха в соответствии с обнаруженной температурой, которую измеряют на поверхности рассеивателя горелки и управляют потоком первичного воздуха, чтобы поддерживать температуру ниже критической величины, а пламя стабильным. Горелка имеет насадки для истечения газа, всасывающие смесительные каналы, соосные с насадками, и рассеиватели, связанные с каналами для подачи смеси газа и первичного воздуха в камеру сгорания. Установка также состоит из конструкции коробчатого типа, присоединенной к камере сгорания и покрывающей всасывающие и смесительные каналы. У этой конструкции есть стенка, расположенная поперек между насадками и каналами, и для каждого насадка впускной проход, через который всасывается первичный воздух в канал, и впускные проходы для вторичного воздуха рядом с впускным проходом для первичного воздуха. Недостатком многофакельной инжекционной газовой горелки является сложность конструкции, большие габаритные размеры, вследствие чего ограничена возможность широкого применения в топках различных котлоагрегатов.
Известна оригинальная инжекционная газовая горелка, широко применяемая в проточных водонагревателях (Стаскевич Н.Л., Северинец Г.Н., Вигдорчик Д.Я. Справочник по газоснабжению и использованию газа. - Л.: Недра, 1990, с. 532, рис. 12.22). Особенность ее - наличие двух смесителей, присоединенных к общему распределительному коллектору. Газ низкого давления в каждый смеситель подают через три сопла, что обеспечивает образование однородной газовоздушной смеси на коротком пути. Распределитель отливают из алюминиевого сплава СИЛ-2; он имеет тринадцать трубок с щелевыми отверстиями вдоль оси каждой трубки в два ряда. Щели для выхода газовоздушной смеси образованы за счет вырезов в стальных штампованных пластинах, вставляемых в верхнюю часть литых трубок. Стальная поверхность распределительных трубок обеспечивает необходимую термостойкость горелки, работающей в условиях высокого теплового напряжения топочного объема водонагревателя. Недостатками известной инжекционной газовой горелки являются применение нетермостойких материалов, сложность изготовления, высокая неравномерность выхода газа из щелевых отверстий.
Известна многофакельная инжекционная газовая горелка для сжигания газообразного топлива низкого давления в бытовых котлах, аппаратах и других аппаратах (патент РФ №2157485, МПК F23D 14/04, опубл. 10.10.2000). Горелка содержит трубчатый насадок, подключенный через газораспределитель, терморегулятор и газовый клапан к газовой магистрали. Насадок снабжен щелевыми отверстиями, выполненными шириной меньше критического размера (1,6 мм для природного газа) и расположенными поперек оси трубчатого насадка в шахматном порядке под углом друг к другу. Недостатками многофакельной инжекционной газовой горелки являются значительная неравномерность выхода газовоздушной смеси из щелевых отверстий, сложность изготовления, высокая стоимость КИП.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является многофакельная инжекционная газовая горелка низкого давления, предназначенная для оборудования духовых шкафов, бытовых газовых плит, проточных водонагревателей и других теплотехнических агрегатов (патент РФ №2038536, МПК F23D 14/04, опубл. 27.06.1995). Горелка содержит огневой насадок, соединенный со смесительной камерой, огневые отверстия, имеющие форму сегмента и расположенные напротив друг друга в торцах каналов, которые размещены на насадке. Недостатком прототипа являются сложность конструкции огневых отверстий (наличие сегмента), повышенная турбулентность горения, сравнительно высокая неравномерность распределения газовоздушной смеси по длине огневой части насадка.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение равномерности тепловой нагрузки по длине топки, повышение эффективности и качества сжигания природного газа низкого давления, увеличение коэффициента полезного действия (КПД) теплогенерирующей установки, улучшение процесса смесеобразования, повышение надежности работы газогорелочного устройства, простота монтажа горелок, универсальность конструкции, возможность разработки широкой линейки типоразмеров.
Инжекционная горелка низкого давления, содержащая насадок с огневыми отверстиями в виде скрепленных между собой распределительных трубок, состоящих из конфузора, горловины, диффузора, последовательно соединенных между собой со стороны входа газовоздушной смеси, и коллектора с рядом огневых отверстий, выполненного в виде усеченного конуса, в отличие от прототипа, дополнительно снабжена калачом, соединенным с одной стороны с диффузором, выполненным в виде усеченного конуса, а с другой стороны с коллектором, внутренняя поверхность которого выполнена с участком сужения, расположенным со стороны выхода коллектора на расстоянии одной трети от длины коллектора, а ширина участка сужения в 2-2,5 раза меньше ширины выхода коллектора, при этом коллектор содержит от 1 до 5 рядов огневых отверстий, расположенных с одинаковым шагом, диаметром от 2 до 3 мм.
Огневые отверстия коллектора могут быть расположены в шахматном порядке параллельно его оси, при этом каждый ряд огневых отверстий повернут под углом 45° по отношению к другому ряду.
Предлагаемая конструкция горелки улучшает доступ вторичного воздуха к основанию факела огневой струи, повышает эффективность сжигания газового топлива, снижает длину факела, уменьшает количество вредных выбросов, чем улучшает энерго-экологические показатели и коэффициент полезного действия (КПД) котельного агрегата.
Использование огневых отверстий разного диаметра от 2 мм до 3 мм, расположенных в шахматном порядке с одинаковым шагом, позволяет повысить равномерность поля скоростей на выходе газовоздушной смеси из отверстий (незначительный процент неравномерности выхода газовоздушной смеси из отверстий до 10%), за счет чего достигается улучшение процесса смесеобразования, уменьшение высоты факела, полное сжигание газовоздушной смеси.
Выполнение диффузора в виде усеченного конуса и соединенного со стороны большего диаметра с калачом приводит к выравниванию поля скоростей газовоздушной смеси по всей длине огневого насадка за счет закручивания потока газовоздушной смеси при прохождении через калач, благодаря чему дополнительно увеличивается интенсификация процесса смешения первичного воздуха и газа для образования газовоздушной смеси. Увеличение интенсификации процесса образования газовоздушной смеси в свою очередь приводит к увеличению полноты процесса сгорания газа, исключая проскок и отрыв пламени, что также достигается размером и формой огневых отверстий в рабочем диапазоне нагрузки.
Применение коллектора со сложным профилем внутренней поверхности позволяет получить равномерное поле скоростей выхода газовоздушной смеси из огневых отверстий по всей длине коллектора при изменяющемся расходе смеси внутри коллектора (т.к. при движении по длине коллектора часть газовоздушной смеси выходит из огневых отверстий и расход уменьшается), что в свою очередь позволяет улучшить смесеобразование и повысить качество сжигания газа, увеличить КПД котлоагрегата.
Размер и количество огневых отверстий были подобраны экспериментально.
Заявляемое конструктивное исполнение огневого насадка и взаимное расположение огневых отверстий позволяет увеличить площадь теплоотдачи, что совместно с достигнутой равномерностью распределения потока газовоздушной смеси приводит к снижению высоты факела и сокращению зазора между горелкой и теплообменником.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематически изображен вид огневого насадка инжекционной газовой горелки низкого давления.
Инжекционная газовая горелка низкого давления содержит газовый коллектор 1, подключенный к источнику природного газа и снабженный цилиндрическими соплами 2 круглого сечения постоянного диаметра, направленными в сторону конфузора 3, который соединен со стороны меньшего диаметра с горловиной 4, соединенной с диффузором 5, выполненным в виде усеченного конуса и соединенным со стороны его большего диаметра с калачом 6, коллектор 7, выполненный в виде усеченного конуса и соединенный со стороны большего диаметра с калачом 6. Коллектор 7 содержит от 1 до 5 рядов огневых отверстий 8 диаметром от 2 до 3 мм. Внутренняя поверхность коллектора 7 выполнена с участком сужения, расположенным со стороны выхода коллектора 7 на расстоянии одной трети от длины коллектора, а ширина участка сужения в 2-2,5 раза меньше ширины выхода коллектора 7. В месте соединения калача 6 с коллектором 7 толщина их стенок одинакова.
Инжекционная газовая горелка низкого давления работает следующим образом.
Природный газ низкого давления подают в газовый коллектор 1, который затем выходит через сопловые отверстия 2. При выходе газа из сопловых отверстий 2 происходит подсасывание первичного воздуха, необходимого для процесса смесеобразования. Затем первичный воздух и газ поступают в конфузор 3, после чего - в горловину 4 горелки. При прохождении через конфузор 3 и горловину 4 первичный воздух и газ частично смешиваются. После горловины 4 образовавшаяся газовоздушная смесь поступает в диффузор 5, в котором происходит выравнивание поля скоростей газовоздушной смеси, а при последующем прохождении смеси через калач 6 поток газовоздушной смеси дополнительно закручивается, благодаря чему увеличивается интенсификация процесса смесеобразования, а затем поступает в коллектор 7. Выравнивание скоростей газовоздушной смеси достигается при прохождении диффузора 5, выполненного в виде усеченного конуса, и калача 6 за счет перераспределения давления и изменения направления движения потока газовоздушной смеси по всему их сечению, достигая равномерного распределения давления по потоку.
В коллекторе 7 происходит дополнительное выравнивание поля скоростей за счет выполнения его в виде усеченного конуса и сложного профиля внутренней поверхности. При движении потока газовоздушной смеси по длине коллектора 7 давление и скорость потока достигают максимальных значений, а для предотвращения уменьшения давления и скорости потока выполнен участок сужения внутренней поверхности коллектора 7, расположенный со стороны его выхода на расстоянии одной трети от длины коллектора 7 шириной в 2-2,5 раза меньше ширины выхода коллектора 7.
После прохождения участка сужения внутри коллектора 7 оставшаяся часть газовоздушной смеси, которая не вышла через огневые отверстия 8, отталкивается от внутренних стенок со стороны выхода коллектора 7 и изменяет направление своего движения, накладываясь на поток смеси, выходящий через огневые отверстия 8, расположенные после участка сужения коллектора 7. Благодаря выполнению участка сужения шириной в 2-2,5 раза меньше ширины выхода коллектора 7 скорость выхода потока газовоздушной смеси через огневые отверстия 8, расположенные ближе к выходу коллектора 7, не увеличивается, что способствует увеличению равномерности распределения поля скоростей потока газовоздушной смеси. При выходе через огневые отверстия 8 газовоздушная смесь перемешивается со вторичным воздухом, поступающим из окружающей среды. После завершения процесса полного смесеобразования начинается процесс горения. Горелка зажигается запальником. Пламя мгновенно «пробегает» вдоль всего коллектора 7 и устойчиво горит над всеми отверстиями 8. Огневой насадок, выполненный из жаропрочной стали, раскаляется и обеспечивает надежную стабилизацию факела на всех режимах работы горелки. По всей длине огневого насадка образуется общий факел, который передает внутренним поверхностям нагрева секций теплообменника котлоагрегата часть тепла за счет излучения.
1
Инжекционная газовая горелка обеспечивает равномерность распределения температур по поверхности нагрева теплообменника котлоагрегата, полноту процесса смесеобразования, повышение эффективности и качества сжигания газа (коэффициент избытка воздуха α=0,6, сокращение выбросов продуктов неполного сгорания на 10-12%, что ведет к повышению коэффициента полезного действия котлоагрегата), снижение длины пламени. Инжекционная горелка низкого давления предлагаемой конструкции имеет меньшие габаритные размеры по сравнению с известными аналогами, а также невысокую металлоемкость. Кроме этого, предлагаемая инжекционная горелка проста в изготовлении, монтаже и эксплуатации, обладает высокой взаимозаменяемостью с известными аналогами, в том числе и с зарубежными образцами.