ИНФРАКРАСНАЯ ГАЗОВАЯ ГОРЕЛКА

Полезная модель относится к газовым горелкам для нагревательных устройств различного назначения, применяемых в различных областях техники и промышленности и использующих тепло сжигаемого газообразного углеводородного топлива.
Известен инфракрасный генератор, который имеет пористую волокнистую огнеупорную панель, установленную своими краями на опоре, образуя камеру сгорания газовой смеси, из которой смесь проходит через панель на ее внешнюю поверхность. Трубопровод для негорючего газа (воздуха) проходит вдоль края панели и выпускает этот негорючий газ  (воздух) через панель по всему ее краю, чтобы смесь для сжигания не выходила через края панели, где горение может повредить панель. Дополнительная герметизация панели осуществляется сжатием ее по краям примерно на 10%. Один или несколько краев прямоугольной панели могут быть расположены в виде зависимого фланца с его монтажом, по меньшей мере, частично утопленным, так что две или более панелей могут быть соединены, чтобы сформировать эффективно непрерывную излучающую поверхность относительно большого размера (по патенту US 4373904, кл. F23D 13/12, опубл. 15.02.1983).
В инфракрасном генераторе используется пористая волокнистая огнеупорная панель, однако не указана ее конструкция, состав, материал и способ изготовления.
Известна газовая инфракрасная горелка с панелями из пористого керамического волокна. Горючая смесь протекает через панель и сгорает на ее поверхности. Горелка имеет конструкцию, позволяющую устанавливать несколько горелок близко друг к другу, и имеет различные устройства для снижения температуры горловины горелки, в которой установлены панели. Также показано автономное электрическое зажигание и дополнительное излучение от добавляемых панелей, нагреваемых горячими газами сгорания (по патенту US 4416618, кл. F23D 13/12, опубл. 22.11.1983).
Недостатком данного технического решения является то, что панель, изготавливаемая из керамических волокон, не обладает эффективным тепловым инфракрасным излучением, не имеет достаточной прочности и упругости, что требует установки дополнительного каркаса.
Известна радиационная газовая горелка, которая содержит газовое сопло, смеситель, горелочный насадок и защитную крышку. Горелочный насадок выполнен из металловойлочного пористого тела, изготовленного из жаропрочного и жаростойкого сплава с полностью открытой, переменной по толщине объемной пористостью в интервале 90-98%, с переменным по толщине горелочного насадка средним размером пор в диапазоне 50-1000 мкм, уменьшающимся в направлении к защитной крышке с дискретными волокнами, выступающими над внешней поверхностью и расположенными под углом к последней, при этом металловойлочное пористое тело установлено в несущей обойме из жаропрочного материала (по патенту RU 2094703, кл. F23D 14/12, опубл. 27.10.1997).
Недостатком данного решения является то, что металловойлочное пористое тело изготавливается из дискретных волокон нитевой проволоки жаропрочного и жаростойкого сплава. Это не обеспечивает достаточное переплетение волокон между собой, что снижает способность пористого тела к перемешиванию потока газовоздушной смеси и снижает эффективность горения.
В качестве прототипа взята радиационная горелка для поверхностного горения, содержащая раму из непроницаемого материала, поддерживающую пористый элемент, проницаемый для газа, и трубопровод для подачи горючей газовой смеси в газораспределительное пространство, заключенное в раму и пористый элемент. Причем пористый элемент образован из металлических частиц сплава, содержащего железо, хром и алюминий и обладающий свойством образования слоя оксида алюминия при нагревании в присутствии кислорода.
Недостатком прототипа, также как одного из аналогов, является недостаточная способность пористого элемента к перемешиванию потока газовоздушной смеси, обусловленного тем, что пористый элемент изготавливается из проволочных волокон.
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в повышении эффективности горения и экологичности инфракрасной газовой горелки за счет применения в ее конструкции матрицы из проволочно-проницаемого материала (ППМ).
Указанный технический результат достигается тем, что инфракрасная газовая горелка состоит из полого корпуса с подводом для газожидкостной смеси, с одной стороны которого установлена объемная проницаемая матрица, и отличается тем, что матрица состоит из слоя проволочно-проницаемого материала, обладающего канальчатой пористостью и представляющего собой ориентированное сплетение металлических проволочных спиралей, спрессованных между собой.
Кроме того, объемная проницаемая матрица может иметь один и более дополнительных слоев из проволочно-проницаемого материала различной пористости.
Предпочтительно проволочно-проницаемый материал изготавливается из антикоррозионной жаропрочной стали, фехралевого сплава,  меди, вольфрама.
Проволочно-проницаемый материал изготавливается из проволоки диаметром от 0,02 до 1,0 мм.
Предпочтительно проволочно-проницаемый материал имеет пористость в диапазоне от 10 до 90%.
Кроме того, внутри корпуса может быть установлена газораспределительная пластина.
Кроме того, над объемной проницаемой матрицей может быть установлена рекуперационная решетка, поддерживающая объемно-поверхностное горение в матрице и над матрицей.
Предлагаемая полезная модель поясняется следующими чертежами, на которых изображен частный случай ее реализации:
фиг. 1 - инфракрасная газовая горелка;
фиг. 2 - инфракрасная газовая горелка, продольный разрез.
Инфракрасная газовая горелка (фиг. 1) состоит из полого корпуса 1 с подводом 2 для газовоздушной смеси (ГВС). На корпусе 1 установлена объемная проницаемая матрица 3 из слоя 4 проволочно-проницаемого материала (ППМ).
Объемная проницаемая матрица может иметь дополнительный слой из ППМ 5 (фиг. 2), который располагается под слоем 4. Слой 5 может устанавливаться как с зазором относительно слоя 4, так и без него. Внутри корпуса 1 под объемной проницаемой матрицей устанавливается газораспределительная пластина 6. А над матрицей устанавливается рекуперационная решетка 7.
Для контроля процесса горения внутри корпуса устанавливается датчик температуры, например, термопара 8, данные с которой позволяют управлять процессом горения, изменяя подачу ГВС, и, тем самым, поддерживать заданную температуру горения.
Для облегчения зажигания горелки внутри корпуса устанавливается средство розжига 9, например, пьезоэлектрического типа.
Применение.
Инфракрасные газовые горелки по настоящей полезной модели могут использоваться в различных отраслях техники в качестве замены факельных горелок и в быту в качестве замены газовых горелок с «открытым пламенем». Инфракрасные газовые горелки могут иметь различную конфигурацию, форму и размеры.
Газовоздушная смесь (фиг. 1) через подвод 2 поступает внутрь корпуса 1 и далее на объемную проницаемую матрицу 3 из ППМ. Структура ППМ представляет собой сплетение определенно ориентированных проволочных спиралей, которые в результате последовательного холодного прессования в специальных пресс-формах образуют проницаемую во всех направлениях открыто-пористую систему канальчатого типа, обеспечивающую требуемые механические, физические, гидродинамические и другие параметры.
Матрица из ППМ обладает упругостью, высокой термической и химической стойкостью, не чувствительна к ударам, не имеет склонности к растрескиванию при попадании на нагретую поверхность холодного продукта. Форма канала представляет собой щель переменного сечения между соседними проволочными витками. Матрица из ППМ, при прохождении через нее газовоздушной смеси, оказывает потоку минимальное гидравлическое сопротивление и одновременно способствует интенсивному перемешиванию сред и максимальной гомогенизации газовоздушной смеси (ГВС),  а за счет теплопроводности металла обеспечивает предварительный подогрев входящей в ГВС и, соответственно, эффективное горение.
Кроме того, объемная трехмерная структура ППМ отличается весьма значительной протяженностью поровых каналов, что увеличивает путь и время прохождения ГВС через объем матрицы, следовательно, и время предпламенных реакций, обеспечивая тем самым лучшую полноту сгорания газовоздушной смеси и значительное снижение выбросов окиси углерода.
Предповерхностное внутриканальное горение вызывает равномерный разогрев поверхности матрицы, до 50% энергии горения переходит в радиационное излучение металла проволоки, что существенно увеличивает КПД газового нагревателя.
Интенсивный теплоотвод от фронта пламени внутрь объемной проволочной матрицы (эффект теплового фитиля) снижает температуру горения и тем самым существенно уменьшает выбросы окислов азота в атмосферу. По результатам испытаний в ГНУ ГОСНИТИ выявлено резкое сокращение токсичности отходящих газов (до 10 раз и более) при применении горелок с объемной трехмерной матрицей в сравнении с традиционными горелками «открытого пламени».
Известно, что малотоксичное горение свидетельствует о высоком качестве предпламенных реакций и высокой эффективности процесса горения в целом. Испытания в ГНУ ГОСНИТИ показали, что объемные трехмерные матрицы горелочных устройств экономят до 50% газа в сравнении с традиционными горелками «открытого пламени» и плоскими горелками ИК-горения микрофакельного типа, например, с керамическими пластинами.
Эластичность матрицы из ППМ позволяет компенсировать возникающие температурные деформации и тем самым снимает термические напряжения, увеличивая срок службы горелки.
Дополнительный слой ППМ, который может быть расположен относительно излучающей матрицы с зазором и контактирующий с ней по периметру, служит для подогрева ГВС перед ее поступлением в зону горения с целью ускорения предпламенных реакций для повышения эффективности горения, а также для предотвращения «проскока пламени» в ГВС.
Газораспределительная пластина обеспечивает оптимальное направление и равномерную подачу газовоздушной смеси на матрицу.
Рекуперационная решетка извлекает из продуктов сгорания и передает к поверхности и в тело матрицы дополнительный тепловой поток за счет теплопроводности, а также обеспечивает дополнительный радиационный нагрев излучением от поверхностей теплопроводящих элементов, которые расположены в области продуктов сгорания.
ППМ для горелок должен быть выполнен из жаропрочных, коррозионностойких материалов с высокой теплопроводностью. Предпочтительными материалами являются: антикоррозионные стали, медь, вольфрам, фехралевые сплавы.
Таким образом, решения, используемые в полезной модели, повышают эффективность горения и экологичность инфракрасной газовой горелки за счет применения в ее конструкции матрицы из ППМ, и тем самым обеспечивает достижение технического результата.