УСТРОЙСТВО И СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ ДАВЛЕНИЯ И СКОРОСТИ ПОТОКА ГАЗОВОЙ СМЕСИ, ПОДАВАЕМОЙ В БЕСПЛАМЕННУЮ ЦИЛИНДРИЧЕСКУЮ ГОРЕЛКУ
DEVICE AND METHOD TO STABILISE PRESSURE AND SPEED OF GAS MIXTURE FLOW SUPPLIED TO RADIANT CYLINDRICAL BURNER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к подаче горючей газовой смеси, например смеси воздух/природный газ, воздух/пропан, воздух/бутан, воздух/биогаз или воздух/пары топлива, в беспламенную цилиндрическую горелку.
В более конкретной формулировке задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в разработке устройства, стабилизирующего давление и скорость потока для газовой горелки такого типа, а также в разработке газовой горелки, оборудованной указанным стабилизирующим устройством, и способа стабилизации давления и скорости потока газовой смеси, поданной в горелку.
Уровень техники
Цилиндрическая газовая горелка с беспламенным горением содержит цилиндрическую перфорированную стенку, пронизанную множеством маленьких отверстий, торцевую стенку в форме диска и входное отверстие, через которое посредством, например, вентилятора или турбины во внутренний объем горелки вводится предварительно сформированная (заранее смешанная) горючая газовая смесь.
Обычно цилиндрическая стенка представляет собой перфорированный лист из нержавеющей стали с отверстиями в виде круглых сквозных каналов и/или щелей с очень маленьким сечением.
Однако изобретение применимо также к стенкам в виде решетки или слоя пористого вещества, выдерживающего высокие температуры (такой слой формируют, например, внедряя древесные волокна в огнеупорный материал).
Горючий газ распределяется во внутреннем объеме горелки и с высокой скоростью выходит через отверстия цилиндрической стенки. При поджигании горелки наружная поверхность стенки выполняет функцию поверхности горения, а каждое отверстие в зависимости от площади своего сечения и скорости потока газа генерирует в радиальном направлении пламя, достигающее большей или меньшей высоты.
Горелка такого типа в особой степени пригодна для оборудования бойлера, предназначенного для домашнего или промышленного применения и снабженного одной или более трубами (с круглым или каким-то другим сечением), огибающими поверхность горения.
В указанной трубе (в указанных трубах), расположенной (расположенных) в зоне воздействия горящих газов, исходящих из поверхности горения, протекают одна или более текучих сред, подлежащих нагреву.
Возможны различные схемы, в частности, содержащие слой прямолинейных труб, параллельных генератрисам горелки (см., например, документ FR А 2476808), или один или более пучков труб, образующих обвивающую спираль (см., например, документы WO 94/16272, фиг.18, или ЕР А 1813882).
2
Более конкретно, изобретение относится к стабилизации давления и скорости потока газовой смеси во внутреннем объеме горелки с целью получения полного и равномерно распределенного горения с одинаковой высотой пламени по всей цилиндрической поверхности горения, причем такое горение должно обеспечить возможность получить оптимальный выход процесса и в то же время уменьшение эмиссионных выбросов монооксида углерода (CO) и диоксида углерода (CO).
Качество и гигиенические свойства беспламенного горения для горелки этого типа зависят от нескольких параметров, в частности от размера (сечения канала) отверстий, выполненных в цилиндрической стенке, а также от их расположения одно относительно другого (т.е. от коэффициента перфорации перфорированной стенки).
Обеспечить одинаковую скорость потока газа по всей длине горелки затруднительно из-за зависимости указанной скорости от длины и диаметра цилиндрического элемента.
2
Постоянство скорости потока газа по всей поверхности горения предопределяет высоту и однородность пламени на всей указанной поверхности, а от этого зависит эмиссия CO и CO.
С целью повышения такой однородности ранее предлагалось установить внутри цилиндрической стенки горелки кожух (вторую стенку). Кожух также имеет цилиндрическую форму и перфорацию, но диаметр его несколько меньше, чем диаметр стенки, выполняющей функцию поверхности горения, причем обе стенки соосны. Указанная схема требует увеличения уровня давления, необходимого для истечения газовой смеси, которой, чтобы заполнить кольцевое пространство, сформированное между обеими стенками, сначала приходится проходить через отверстия внутреннего кожуха и только после этого - через отверстия наружной стенки, выполняющей функцию поверхности горения. В результате по всей поверхности наружной стенки в отверстия горения газ подается под относительно постоянным давлением.
Такое техническое решение не является вполне удовлетворительным, поскольку полученная однородность не является полной, а добавление внутреннего кожуха существенно увеличивает массу и стоимость горелки. Кроме того, наличие внутреннего кожуха приводит к существенной потере давления в потоке газа, циркулирующего в горелке.
Как будет показано со ссылками на фиг.1-3, надлежащее распределение заранее приготовленной газовой смеси во внутреннем объеме горелки в значительной степени зависит от характеристик потока газа непосредственно перед попаданием в горелку.
На указанных чертежах проиллюстрирована беспламенная газовая горелка 1 традиционного типа. Горелка содержит цилиндрическую перфорированную стенку 2, ось Х-Х' которой расположена, например, горизонтально и в которой выполнено множество небольших сквозных отверстий 20. Кроме того, в горелке имеется герметично прикрепленная торцевая стенка (дно) 3 в форме диска и круглое входное отверстие 10, через которое горючая газовая смесь попадает во внутренний объем горелки 1.
Указанную смесь приготавливают заранее из топлива с окислителем, в основном из сжиженного нефтяного газа, природного газа, биогаза (продукта ферментации) или даже из паров нефтяного топлива, смешивая эти продукты с воздухом или кислородом в адекватной пропорции, гарантирующей надлежащее и полное горение.
Поток этой предварительно сформированной горючей смеси (обозначенный на чертежах, как G) подается в горелку известным способом посредством вентилятора V.
Поверхность горения образуется наружной стороной стенки 2, на которой формируются языки пламени F.
Обычно горение инициируют зажигателем (не показан), помещенным поблизости от указанной поверхности.
Для улучшения распределения давления во внутреннем объеме горелки 1 и соответственно качества горения между выходом вентилятора V и входным отверстием 10 горелки может быть введена втулка.
В схеме, проиллюстрированной на фиг.1, выходная горловина вентилятора представляет собой круг с диаметром, равным диаметру входного отверстия 10 горелки. Использованная втулка М, имеющая цилиндрическую форму с таким же диаметром, установлена соосно вдоль оси Х-Х'.
В результате поток газа, обозначенный стрелками f, имеет равномерный характер, а горелка 1 снабжается топливом однородным образом, за счет чего в ней можно получить хорошее распределение давлений и скоростей потока, что проявляется в относительно постоянной высоте h пламени по всей поверхности горения.
Во многих вариантах бойлера поместить вентилятор на оси горелки невозможно. Главным образом это связано с габаритными ограничениями.
Такая ситуация имеет место для проиллюстрированной на фиг.2 схемы, в которой ось вентилятора смещена относительно оси горелки. В данном случае концевые участки соединительной втулки М' отогнуты под прямыми углами, в результате чего проникающий в горелку поток G газа, отклоняясь по искаженной траектории, генерирует пламя F' неравномерной высоты.
В схеме, проиллюстрированной на фиг.3, соединительная втулка М" снабжена предохранительным клапаном в виде заслонки А, прикрепленной шарниром в ее верхней части. Функция указанной заслонки заключается в предотвращении затягивания отработанных газов из горелки обратно, в сторону остановившегося вентилятора. Такой клапан особенно полезен при подключении нескольких устройств к одной трубе.
0
Клапан закрыт, когда заслонка под воздействием собственной массы находится в вертикальном положении А, показанном на чертеже пунктиром.
Зависимость угла раскрыва клапана от рабочих условий реализуется автоматически. Конкретно, поток газа, созданный вентилятором, противодействует массе заслонки А более или менее интенсивно в зависимости от скорости потока.
Поток f'', проходящий под заслонкой и далее в горелку, в данном случае также отклоняется (проходит под углом) и искажается, генерируя пламя F'' неравномерной высоты.
Во многих схемах и рабочих режимах бойлеров получить равномерное распределение высоты пламени на поверхности горения затруднительно. В особенности это относится к рабочим условиям с переменной скоростью потока, позволяющей регулировать энергию.
Указанное затруднение дополнительно увеличивается в случае смещенного положения вентилятора относительно горелки (см. фиг.2) или при наличии заслонки на входе горелки (см. фиг.3).
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в разрешении перечисленных проблем с помощью предлагаемого устройства с несложной конструкцией, предназначенного для стабилизации давления и скорости потока и не имеющего каких-либо подвижных деталей. Кроме того, устройство имеет небольшую массу, стоит не очень дорого, практически не создает потери давления и выполнено с возможностью размещения у входа горелки. Устройство заметно улучшает распределение газовой смеси во внутреннем объеме горелки и тем самым обеспечивает равномерное питание всех отверстий поверхности горения, в результате чего по всей указанной поверхности генерируется пламя с постоянной высотой.
Как уже упоминалось, такое устройство, стабилизирующее давление и скорость потока, предназначено для установки в газовую горелку, содержащую перфорированную цилиндрическую стенку, выполняющую функцию поверхности горения, торцевую стенку и входное отверстие, через которое горючая газовая смесь вводится во внутренний объем горелки.
Согласно изобретению устройство представляет собой решетку, выполненную с возможностью ее установки внутри входного отверстия и состоящую из набора отклоняющих лопастей, окружающих центральное кольцо. Указанная решетка выполнена с возможностью обеспечения свободного прохождения центральной части потока газовой смеси, поступающей в горелку через центральное кольцо, а отклоняющие лопасти создают вихревое движение периферийной части потока, поступающей в горелку вне периметра центрального кольца.
Таким образом, горелка одновременно питается двумя потоками газа, имеющими различные конфигурации, а именно наружным циклоническим завихренным потоком, распространяющимся в сторону торцевой стенки горелки по приблизительно спиральной траектории, и невозмущенным или только слегка возмущенным центральным потоком, который также перемещается в сторону торцевой части горелки, одновременно распространяясь внутрь циклонического потока.
Неожиданно было обнаружено, что такая конструкция обеспечивает постоянное давление по всей поверхности горелки как по ее периметру, так и по ее длине.
В патентном документе EP 1538395 ставится задача, заключающаяся в разработке цилиндрической газовой горелки, внутренний объем которой оборудован устройством, предназначенным для ослабления акустического резонанса и соответственно шумов горелки.
Указанное устройство содержит параллельные или крестообразные перегородки, предотвращающие любое вихревое перемещение газовой смеси, питающей горелку, которое, затрудняя решение поставленной задачи, препятствует гомогенизации и должному распределению такой смеси.
В немецком патенте на полезную модель DE 9013114 U описан диск, предназначенный для использования в нефтяной или газовой горелке. У диска имеется центральное отверстие, через которое проходят горючий материал (топливо) и первая часть воздуха (окислителя). Кроме того, в диске выполнен набор радиальных щелей, через которые проходит другая часть воздуха, требуемого для осуществления горения. Указанный документ не уточняет, с горелкой какой формы используется этот диск, и тем более не утверждает, что диск установлен внутри входного отверстия данной горелки.
Функция диска заключается не в улучшении распределения уже сформированной (т.е. предварительно смешанной) газовой смеси во внутреннем объеме горелки, а в повышении эффективности такого предварительного смешивания двух потоков, имеющих различную природу, т.е. центрального потока, сформированного из топлива и воздуха, и периферийного потока, состоящего только из воздуха.
Не исключено, что указанная смесь подается в горелку через дважды изогнутую втулку, такую как вышеупомянутая втулка М' на фиг.2, или через втулку, оборудованную предохранительным клапаном, такую как вышеупомянутая втулка М'' на фиг.3, каждая из которых имеет рассмотренные выше недостатки.
Согласно другим возможным предпочтительным, но не имеющим ограничительного характера особенностям изобретения:
- центральное кольцо является круглым и расположено соосно перфорированной цилиндрической стенке (когда устройство установлено на горелку);
- относительно оси перфорированной цилиндрической стенки лопасти устройства расположены радиально (когда устройство установлено на горелку) с регулярным угловым распределением;
- количество лопастей составляет от 6 до 30, предпочтительно от 11 до 25;
- лопасти представляют собой плоские тонкие пластинки, идентичные одна другой и имеющие постоянную ширину и наклон в продольном направлении, при этом их плоскости образуют острый угол с осью перфорированной цилиндрической стенки;
- указанный угол составляет от 15° до 45°, предпочтительно около 30°;
- лопасти составляют единое целое с центральным кольцом;
- решетка содержит наружное круглое кольцо, с которым лопасти составляют единое целое, при этом кольцо выполнено с возможностью установки и фиксации во входном отверстии горелки;
- центральное кольцо представляет собой втулку, длина которой, по существу, равна осевому размеру лопастей (это техническое решение применимо к горелке небольшой или средней длины);
- центральное кольцо представляет собой втулку, длина которой больше осевого размера лопастей (это техническое решение применимо к длинной горелке).
Кроме того, задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке беспламенной цилиндрической горелки, которая оборудована описанным выше устройством, стабилизирующим давление.
Наконец, задачей изобретения является разработка способа стабилизации давления и скорости потока горючей газовой смеси, питающей беспламенную газовую горелку, содержащую входное отверстие, перфорированную цилиндрическую стенку, выполняющую функцию поверхности горения, и торцевую стенку. Способ по изобретению включает разделение газовой смеси, поступающую в горелку, на два раздельных потока: на центральный поток, представляющий собой невозмущенный или не сильно возмущенный поток, по существу, ламинарного характера, способный достигать, постепенно расширяясь, указанной торцевой стенки, и на вихревой поток с приблизительно спиральной траекторией, огибающей центральный поток.
Краткое описание чертежей
Остальные признаки и преимущества изобретения будут ясны из последующего описания предпочтительных вариантов его осуществления, причем указанное описание составлено со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.4 в перспективном изображении представлен первый возможный вариант стабилизирующего устройства по изобретению.
На фиг.5 устройство по фиг.4 представлено на виде спереди и в увеличенном масштабе.
На фиг.6 это же устройство представлено на виде сбоку и в сечении плоскостью, обозначенной на фиг.5, как VI-VI.
Фиг.7 и 8 иллюстрируют второй возможный вариант стабилизирующего устройства по изобретению на видах, аналогичных приведенным соответственно на фиг.4 и 6 для первого варианта изобретения.
Фиг.9 иллюстрирует третий возможный вариант стабилизирующего устройства по изобретению на виде, аналогичном приведенному на фиг.4 для первого варианта изобретения.
На фиг.10 в осевом сечении представлена горелка, оборудованная стабилизирующим устройством согласно первому варианту изобретения.
На фиг.11 проиллюстрирована работа устройства по фиг.10 с показом распределения потоков газа во внутреннем объеме горелки.
На фиг.12 устройство и процессы, проиллюстрированные на фиг.11, иллюстрируются в перспективном изображении, в разрезе.
На фиг.13 представлены те же процессы, что и на фиг.11, но для более длинной горелки, оборудованной стабилизирующим устройством согласно второму варианту изобретения.
Осуществление изобретения
Устройство, проиллюстрированное на фиг.4-6, представляет собой решетку, изготовленную, например, из тонкого листа из нержавеющей стали.
Указанная решетка 4а состоит из набора лопастей 6 и пары концентричных колец (центрального кольца 5а и наружного кольца 7) в виде коротких цилиндрических втулок с общей осью Х-Х'.
По отношению к оси Х-Х' лопасти расположены радиально, с равномерным угловым распределением.
В проиллюстрированном примере решетка содержит 12 лопастей, смещенных вокруг центрального кольца на 30° одна относительно другой.
Лопасти у своих концов прикреплены к каждой из втулок 5а и 7, например, посредством сварки.
Как можно видеть из фиг.6, лопасти и обе втулки имеют небольшую толщину, а их осевой размер Е одинаков.
Наружный диаметр кольца 7 выбран таким образом, чтобы он соответствовал внутреннему диаметру цилиндрической стенки горелки, оснащаемой устройством, т.е. чтобы решетку можно было вставить и установить во входное отверстие горелки соосно с ним без какого-либо люфта (зазора).
Все лопасти 6 идентичны и представляют собой плоские тонкие пластинки, не изменяющиеся по ширине.
В продольном направлении они имеют наклон, образуя относительно оси Х-Х' острый угол α (см. фиг.6). Как уже отмечалось, угол α составляет около 30°.
Центральное кольцо 5а формирует цилиндрический канал 8 с осью Х-Х', обеспечивающий свободное прохождение газов.
Пустые пространства между лопастями 6 образуют кольцевой периферийный проход 9 для газов.
Устройство по второму варианту осуществления, проиллюстрированное на фиг.7 и 8, представляет собой решетку 4b, которая отличается от уже описанной решетки 4а только тем, что длина i ее центральной втулки 5b существенно больше осевого размера е, общего для лопастей 6 и наружного кольца 7. Как будет показано далее со ссылкой на фиг.13, участок втулки 5b, выступающий из основной плоскости решетки, предназначен для ввода во внутренний объем горелки.
Устройство по третьему варианту осуществления, проиллюстрированное на фиг.9, представляет собой решетку 4с, которая отличается от решетки 4а отсутствием наружного кольца.
Лопасти 6 предназначены для позиционирования в непосредственном контакте с цилиндрической внутренней поверхностью входного отверстия горелки. Поэтому длина лопастей выбрана таким образом, чтобы их наружная кромка вписывалась в цилиндрический виртуальный контур, диаметр которого отвечает диаметру указанной внутренней поверхности.
Кроме того, следует отметить, что по сравнению с предыдущими вариантами количество лопастей удвоено, т.е. равно 24. Таким образом, они распределены с угловыми интервалами 15°.
Горелка 1а, проиллюстрированная на фиг.10, относится к такому же типу, что и горелка, описанная выше со ссылками на фиг.1-3.
Стабилизирующее устройство с решеткой 4а по описанному выше первому варианту осуществления вставлено по оси во входное отверстие 10 горелки и удерживается в этом положении, например, за счет обычного трения, возникающего вследствие определенного натяга между наружной поверхностью кольца 7 и внутренней поверхностью горловины цилиндрической стенки 2.
Желательно снабдить кольцо 7 фланцем 70, образующим стопорный упор. Такой фланец предотвращает проваливание указанного кольца во внутренний объем корпуса горелки.
Фиг.11 и 12 иллюстрируют принцип действия устройства.
Поток G газа, нагнетаемый вентилятором и поступающий на вход горелки 1а, вынужден проходить через стабилизирующую решетку 4а.
Затем он разделяется на две раздельные части: на центральную часть, которая проходит через канал 8, образованный центральным кольцом 5а, и на внешнюю часть, проходящую через проход 9, локализованный между лопастями 6.
На фиг.11 пунктирной линией показан виртуальный контур Еа, разделяющий указанные части потока.
Центральный поток, обозначенный стрелками X, имеет регулярный или даже ламинарный характер с траекторией, в основном, направленной по оси Х-Х' в сторону торцевой стенки 3. Однако газовая масса проявляет тенденцию к расширению наружу в виде конуса и, таким образом, воспроизводит форму раструба, как это показывают границы контура Еа.
Наружный поток, обозначенный стрелками Y, с высокой скоростью огибает по спиральной вихревой траектории центральный поток, причем указанная траектория скомбинирована из поступательного (осевого) и вращательного перемещений, придаваемых потоку за счет наклона отклоняющих лопастей 6.
Наружный поток огибает центральный поток фактически по всей его длине (со стороны, находящейся выше по течению).
Неожиданно было обнаружено, что комбинация обоих указанных потоков обеспечивает равномерное распределение скорости потока и давления газа во внутреннем объеме горелки по всей ее длине и по всей ее периферии (с охватом 360°).
При практическом применении оказалось, что на отверстия 20 горения, расположенные на участке горелки, который лежит выше по течению потока (т.е. со стороны входного отверстия 10), в основном, подается газ, обеспечиваемый наружным вихревым потоком, в то время как на отверстия горения, расположенные на концевом участке горелки, который лежит ниже по течению потока (т.е. рядом с торцевой стенкой 3), напротив, подается преимущественно газ, обеспечиваемый невозмущенным центральным потоком.
При перемещении по направлению течения потока количество газа, поступающего из наружного потока, постепенно уменьшается, а количество газа, поступающего из центрального потока, постепенно увеличивается, причем сумма обоих количеств остается, по существу, постоянной. Желательному распределению скорости потока и давления способствует циклоническое перемещение газа внутри горелки, так что в результате по всей поверхности горения формируется пламя F с постоянной высотой h.
Такой прекрасный результат достигается даже в том случае, когда поступающий в горелку поток газа отклоняется и/или наклоняется, например, из-за наличия выше по течению потока изогнутой втулки или клапана, проиллюстрированных соответственно на фиг.2 и 3, или клапана, регулирующего скорость потока, поступающего к горелке.
Потеря давления, возникающая из-за наличия устройства на входе горелки, пренебрежимо мала.
Естественно, размеры стабилизирующего устройства следует согласовать с конструкцией и размерами горелки.
Как уже отмечалось, описанная горелка 1а имеет перфорированную стенку 2, изготовленную из листа из нержавеющей стали толщиной 0,3 мм.
Перфорационный коэффициент стенки (отношение площади перфорационных отверстий к общей площади перфорированной стенки) составляет порядка 30%.
Длина и внутренний диаметр стенки, обозначенные на фиг.10, как La и Da, равны соответственно 160 мм и 70 мм.
Из тонкого листа нержавеющей стали можно изготовить также и стабилизирующее устройство 4а.
Диаметр наружного кольца 7 составляет 70 мм с функциональным допуском, позволяющим установить указанное кольцо во входное отверстие горелки без какого-либо зазора или даже с некоторым натягом.
Диаметр центрального кольца 5а равен 24 мм.
Осевой размер е устройства равен 10 мм.
Проиллюстрированная на фиг.13 горелка 1b подобна горелке 1а и отличается только большей длиной Lb.
В возможном варианте Lb=240 мм.
Диаметр Db горелки составляет 70 мм.
Как уже упоминалось, стабилизирующее устройство 4b само по себе идентично устройству 4а за исключением втулки, формирующей центральное кольцо 5b, длина i которой существенно больше размера е.
В возможном варианте i=25 мм (при е=10 мм).
Как видно из фиг.13, указанная втулка 5b оказывает направляющее воздействие на центральный поток таким образом, при котором он расширяется медленнее, чем центральный поток в первом варианте осуществления. В результате этот поток получает возможность дойти до торцевой стенки 3, по сравнению с предыдущим вариантом находящейся дальше от входного отверстия.
Во внутреннем объеме горелки 1b контур Еb, отделяющий центральный поток от наружного циклонического потока, ниже по течению потока расширяется наружу медленнее, чем контур Еа во внутреннем объеме горелки 1а.
Тем не менее, оба стабилизатора имеют сходные рабочие режимы и создают равномерное распределение скорости потока газа и давления газа, приводящее в результате к равномерной высоте пламени и оптимальной гигиене сгорания.
В описанных выше вариантах осуществления изобретения входное отверстие 10 горелки круглое, а его диаметр равен диаметру цилиндрической перфорированной стенки.
Однако указанные признаки не являются обязательными.
Далее, вместо установки во внутренний объем горелки стабилизирующее устройство можно насадить на входную горловину горелки, т.е. установить его снаружи горелки.