РАДИАЦИОННАЯ ГОРЕЛКА
RADIATIVE BURNER

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к радиационным горелкам, и может применяться для бытовых и промышленных нужд в различных теплоэнергетических установках, в камерах сгорания газотурбинных установок, обогревателях, сушилках, печах.
x
2
Известна промышленная горелка (патент США №5174744, 29.12.92) с низкими выбросами CO и NO в атмосферу, которая состоит из узла смешения топлива и окислителя, перфорированной керамической плиты (насадки), над которой происходит сжигание газа, и легкого сетчатого экрана, который, нагреваясь пламенем горелки, увеличивает температуру излучающей поверхности насадки и способствует окислению CO в CO, уменьшая выбросы CO в атмосферу, при этом экран устанавливается над горелочной плитой на расстоянии, зависящем от длины пламени.
Недостатком такой горелки является недостаточное снижение выброса окиси углерода, слабая механическая прочность легкого сетчатого экрана и его покрытия в виде специальной керамической пены, а также существенное усложнение изготовления горелки.
Известна радиационная горелка (Авторское свид. СССР №2084762, F23D 14/12, 1994), содержащая корпус с примыкающим к нему рефлектором, инжектор в виде газового сопла и размещенной во входном участке корпуса смесительной трубки, отражатель, выполненный напротив выходного среза последней, и размещенные в выходном участке корпуса с образованием камеры горения керамическую излучающую насадку с плоской входной и излучающей поверхностями и сетку-экран.
Недостатком данной горелки является наличие крышки-экрана, который увеличивает гидравлическое сопротивление, ухудшает устойчивость горения при низких давлениях топлива и не обеспечивает снижения содержания окиси углерода в продуктах сгорания ниже 0,008%.
Известна промышленная горелка повышенной тепловой мощности с температурой излучателя 1473-1723K (А.К.Родин. Газовое лучистое отопление. Л.: Недра, 1987, с.21-23, рис.2.4) с керамической насадкой, имеющей ряд прямоугольных щелей, выполненных по типу плоского внезапного расширения.
Недостатками такой щелевой горелки являются возникновение проскока пламени при снижении удельной тепловой нагрузки из-за чрезмерной ширины каналов и возникновение в пространстве между перегородками при высокой тепловой нагрузке факельного режима горения с повышенной температурой в зоне горения, приводящей к увеличению окислов азота в продуктах сгорания. Другими недостатками являются слабая механическая прочность длинных тонких перегородок между каналами, а также (из-за их прогрева) широкая диаграмма направленности излучения.
Наиболее близким техническим решением по технической сущности и достигаемому результату является радиационная горелка, содержащая корпус, инжектор в виде газового сопла со смесительной трубкой и керамическую перфорированную излучающую насадку, в которой керамическая перфорированная излучающая насадка выполнена с возможностью исполнения дополнительно функций экрана и рефлектора, для чего она выполнена в объемной конфигурации в виде полостей с поперечным размером и глубиной не менее 10 мм, причем перфорированными являются только дно полостей или только стенки, или стенки и дно (RU 2151957, F23D 14/12, 27.06.2000).
1
1
0
0
2
2
Сгорание топливно-воздушной смеси в этой горелке происходит в приповерхностной зоне внутри полостей. Горелка обладает хорошими экологическими параметрами и повышенной удельной мощностью W, отнесенной к единице площади выходного сечения горелки. Однако применение керамической перфорированной излучающей насадки не позволяет увеличить удельную мощность горелки свыше W=500-1000 кВт/м и создать компактное и легкое горелочное устройство, так как для обеспечения стабильного горения необходимо использовать толстостенную керамическую перфорированную излучающую насадку (толщиной 12-15 мм). При этом предельная удельная поверхностная мощность горения W, отнесенная к суммарной площади керамической излучающей насадки, ограничена величиной W=150-180 кВт/м.
Задачей изобретения является создание высокоэффективной радиационной горелки, обладающей повышенными энергетическими и эксплуатационными характеристиками, которая обеспечит резкое увеличение удельной мощности горелки, позволит сделать горелочное устройство легким и компактным и позволит, кроме того, расширить область его применения.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в радиационной горелке, содержащей корпус, инжектор в виде газового сопла со смесительной трубкой и излучающую насадку в объемной конфигурации, излучающая насадка выполнена из элементов в виде множества цилиндров или прямоугольных призм, расположенных внутри корпуса горелки и выполненных из жаростойкого тонкостенного проницаемого материала, при этом зазор X между излучающими поверхностями элементов составляет X=H/a, где H - высота элементов; a=2-20.
Конструктивные особенности предлагаемой горелки обеспечивают возникновение сильной радиационной обратной связи от стенок близко расположенных цилиндров или прямоугольных призм и исключают подмешивание холодного окружающего воздуха в зону горения, вследствие чего температура поверхности излучающих элементов насадки повышается, и происходит полное завершение химических реакций, повышается устойчивость горения в широком диапазоне изменения давления топлива. Кроме того, благодаря объемной конструкции насадки из тонкостенных проницаемых элементов возрастает удельная мощность горелки с единицы выходного сечения, при этом снижаются вес и габариты горелки.
Предлагаемое техническое решение отображено на прилагаемом чертеже, на котором представлен продольный разрез горелки с объемной насадкой.
Радиационная горелка состоит из корпуса 1, инжектора в виде газового сопла 2 со смесительной трубкой 3, излучающей насадки из проницаемых элементов 4, выполненных в виде цилиндров или прямоугольных призм.
2
Горелка работает следующим образом. Газ, вытекая из сопла 2 в смесительную трубку 3, инжектирует необходимое количество воздуха, образуя газовоздушную смесь требуемого состава, которая, проникая через проницаемую поверхность элементов насадки, сгорает в пространстве между элементами вблизи их поверхности. Поверхность элементов насадки раскаляется до высокой температуры, являясь источником мощного инфракрасного излучения. Часть излучения запирается в пространстве между элементами, поглощается излучающими поверхностями элементов насадки и увеличивает их температуру до 1000-1200°С, что, в свою очередь, приводит к увеличению радиационного потока с поверхности. Большая глубина насадки затрудняет подмешивание холодного окружающего воздуха в зону химической реакции, а сохранение высокой температуры продуктов, но не превышающей 1200°С, обеспечивает полную завершенность химических реакций, в том числе доокисление CO в CO, и не приводит к образованию заметного количества окислов азота.
0
1
0
0
1
2
2
2
2
Геометрические параметры насадки определяются следующим образом. Высота Н - не менее 10 мм - элементов насадки в виде множества близко расположенных цилиндров или прямоугольных призм, расположенных внутри корпуса горелки, сопоставима с протяженностью зоны догорания CO, что обеспечивает полную завершенность химических реакций в условиях, исключающих их «закалку» из-за устранения проникновения холодного окружающего воздуха в зону химической реакции. Диаметр или характерный поперечный размер элементов насадки d также не менее 10 мм, при этом отношение H/d>1, что обеспечивает равномерное распределение газовой смеси по поверхности элементов. Зазор X между излучающими поверхностями элементов должен составлять X=H/a, где a=2-20, что делает возможным эффективное запирание излучения в пространстве между элементами, при этом излучение поглощается излучающими поверхностями элементов насадки и увеличивает их температуру до 1000-1200°С и повышает устойчивость горения в широком диапазоне расхода топлива. Изготовление проницаемых элементов насадки из жаростойкого тонкостенного проницаемого материала, например нихромовой сетки, спрессованной тонкой жаропрочной проволоки, из металлотканого материала, из жаропрочного плетеного керамического материала позволяет обеспечить устойчивое горение при более высокой удельной мощности горения до W=200-300 кВт/м, при этом удельная мощность горелки, отнесенная к площади выходного сечения диаметром D, составит: W=W·4N·d·H/D, где N - число элементов насадки внутри корпуса горелки. Например, для горелки с цилиндрическими элементами насадки при W=300 кВт/м, N=7, d=20 мм, H=50 мм, D=68 мм величина W=1817 кВт/м. Вес горелки заданной мощности с насадкой из жаростойкого тонкостенного проницаемого материала в 3-5 раз меньше по сравнению с аналогичной конструкцией с применением перфорированной керамики. Соответственно габариты горелочного устройства могут быть уменьшены в 1,5-2 раза.
Конструкция объемной насадки из цилиндров или прямоугольных призм, расположенных внутри корпуса горелки и выполненных из жаростойкого тонкостенного проницаемого материала, обладает дополнительным достоинством, связанным с технологичностью и простотой изготовления, позволяет решить поставленную задачу и достичь указанный технический результат.
1
2
Экспериментальные исследования показали, что даже в упрощенном конструктивном исполнении предлагаемая радиационная горелка с насадкой из 7 цилиндрических элементов, расположенных внутри корпуса горелки и выполненных из жаростойкой нихромовой сетки с поперечным размером ячейки 0,8 мм, высотой ячейки 50 мм и поперечным размером корпуса 80 мм, имеет высокие энергетические параметры. Горелка устойчиво работала в широком диапазоне расхода газа, имела высокую температуру поверхности до 1200°С в штатном режиме работы при радиационном КПД ~30% и рекордно высокую удельную энергию W>1200-1500 кВт/м. Увеличение количества излучающих элементов в насадке приводит к повышению эффективности эксплуатационных параметров горелки.
Таким образом, все конструктивные элементы горелки направлены на решение поставленной задачи и достижение указанного технического результата - повышение эксплуатационных характеристик горелки: резко увеличивается удельная мощность горелки, обеспечивается возможность сделать горелочное устройство легким и компактным, и расширяется область его применения.