СПОСОБ И ГОРЕЛКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТА КЮРИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ РЕАГЕНТОВ ДЛЯ РАБОТЫ В РЕЖИМАХ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ НАГРЕВАНИЕМ И БЕЗ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО НАГРЕВАНИЯ
METHOD AND BURNER USING THE CURIE EFFECT FOR CONTROLLING THE REAGENT SPEED FOR WORKING IN MODES WITH AND WITHOUT PREHEATING

Область техники, к которой относится изобретение
Варианты осуществления, описанные в настоящем документе, относятся, в общем, к управлению скоростью газа, протекающего в камеру сгорания.
Описание известного уровня техники
Во многих промышленных операциях используются печи, в которых сжигаются топливо и окислитель, чтобы тепло сгорания могло нагревать материал, находящийся в печи. Примеры включают печи, нагревающие твердый материал, чтобы расплавить его, такие как плавильные печи, и печи, нагревающие предметы, такие как стальные слябы, для повышения температуры материала (не доводя до плавления), чтобы облегчить формование или иную обработку материала или предмета. Требуемая высокая температура обычно достигается путем сжигания углеводородного топлива, такого как природный газ. При сгорании образуются газообразные продукты сгорания, известные также как дымовой газ. Особенно в стекловаренных печах, которые достигают относительно высокой эффективности передачи тепла сгорания твердым материалам, которые необходимо расплавить, высвобождаемые дымовые газы обычно достигают температур свыше 1300 градусов Цельсия (°С) и, таким образом, представляют значительные потери энергии, генерируемой при высокотемпературных операциях, если эту тепловую энергию из продуктов сгорания нельзя по меньшей мере частично рекуперировать.
Одним механизмом рекуперации этой теряемой энергии является предварительное нагревание одного или нескольких реагентов сгорания (топлива или окислителя) с использованием дымовых газов. Реагенты сгорания могут быть нагреты до требуемой температуры, таким образом, увеличивая тепло, подаваемое в печь в процессе сгорания. Однако в связи с предварительным нагреванием реагентов сгорания возникает ряд проблем. Поскольку реагенты сгорания нагреваются в данном пространстве, давление газов повышается, что приводит к повышению скорости струи, выходящей из горелки. Скорость струи – это скорость, с которой газы выходят из горелки. Повышенная скорость струи приводит к более короткому времени пребывания до реакции сгорания, что может уменьшить яркость пламени. Эту проблему может решить бόльшая струя при использовании большего диаметра трубки, но это решение лишь создает новую проблему, если используется более низкая температура реагента. Иными словами, при более низкой температуре скорость реагента снижается по сравнению со скоростью реагента при более высоких температурах реагента.
Еще один путь решения этой проблемы – использование одной трубы для топлива при стандартной температуре и другой трубы для горячего топлива с клапаном, переключающим поток топлива между этими двумя трубами. Однако обычные конструкции клапанов в области сгорания представляют собой сложные устройства, работающие ненадежно, а иногда и вовсе не работающие при повышенных температурах. Кроме того, обычные клапаны требуют ручного управления (т.е. человек управляет клапаном в зависимости от температуры), что потребует изоляции и дополнительного защитного оборудования для оператора. Кроме того, изоляция клапана требует даже большей сложности и расходов для обеспечения возможности работы клапана в регламентном режиме. Следовательно, необходимо, чтобы горелки имели функцию автоматической регулировки для поддерживания надлежащей скорости струи независимо от изменения температуры газа.
Таким образом, в области техники, к которой относится изобретение, существует необходимость в управлении скоростью газа, выходящего из горелки, во время работы горелки, исходя из температуры.
Краткое изложение сущности изобретения
Варианты осуществления, описанные в настоящем документе, относятся, в общем, к устройству, системам и способам управления скоростью газа, выходящего из горелки. В одном варианте осуществления горелочное устройство может содержать чувствительный к изменению температуры магнитный клапан в сообщении по текучей среде с источником газа и одно или несколько первых выпускных отверстий в сообщении с первым путем. Первые выпускные отверстия имеют первую площадь поперечного сечения. Кроме того, горелочное устройство содержит одно или несколько вторых выпускных отверстий в сообщении со вторым путем. Вторые выпускные отверстия имеют вторую площадь поперечного сечения, которая в совокупности больше первой площади поперечного сечения. Чувствительный к изменению температуры магнитный клапан может содержать магнит, ферромагнитный материал в магнитной связи с магнитом и устройство управления потоком, образующее первый путь и второй путь.
В еще одном варианте осуществления горелочная система может содержать чувствительный к изменению температуры магнитный клапан, содержащий магнит и ферромагнитный материал, источник газа, сообщающийся с чувствительным к изменению температуры магнитным клапаном, первое выпускное отверстие горелки, сообщающееся с чувствительным к изменению температуры магнитным клапаном и имеющее размер, позволяющий газу при первой температуре выходить из первого выпускного отверстия горелки с первой скоростью, и второе выпускное отверстие горелки, сообщающееся с чувствительным к изменению температуры магнитным клапаном и имеющее размер, позволяющий газу при второй температуре выходить из второго выпускного отверстия горелки с первой скоростью, причем первое выпускное отверстие горелки и второе выпускное отверстие горелки имеют разные площади поперечного сечения, причем ферромагнитный материал блокирует первое выпускное отверстие горелки, будучи магнитно-связанным с магнитом, и разблокирует первое выпускное отверстие горелки при разрыве магнитной связи с магнитом.
В еще одном варианте осуществления способ управления горением включает подачу газа при первой температуре в чувствительный к изменению температуры клапан, причем чувствительный к изменению температуры клапан содержит магнитный материал, ферромагнитный материал, первый путь и второй путь, причем газ обменивается теплом с ферромагнитным материалом, вследствие чего ферромагнитный материал достигает первой температуры и располагается в первом положении относительно магнитного материала. Кроме того, способ включает обеспечение потока газа по первому пути, сообщающемуся с чувствительным к изменению температуры клапаном, и подачу газа при второй температуре в чувствительный к изменению температуры клапан, причем газ обменивается теплом с ферромагнитным материалом, вследствие чего ферромагнитный материал достигает второй температуры. Кроме того, способ включает перемещение ферромагнитного материала во второе положение относительно магнитного материала, отличное от первого положения, и обеспечение потока газа по второму пути, сообщающемуся с чувствительным к изменению температуры клапаном.
Любой один или несколько вариантов осуществления могут включать один или несколько из следующих аспектов.
Устройство управления потоком имеет несколько первых отверстий, и ферромагнитный материал находится в сообщении по текучей среде с устройством управления потоком с несколькими вторыми отверстиями, выполненными в нем.
Ферромагнитный материал содержит никельсодержащий материал.
Первый путь и второй путь содержат одну или несколько общих труб.
Имеется камера, содержащая несколько впускных отверстий и ферромагнитный материал, дополнительно содержащий отверстие, причем отверстие обеспечивает существенный поток из нескольких впускных отверстий в камеру.
Первый путь и второй путь представляют собой конструкцию «труба в трубе».
Устройство управления потоком соединено с ферромагнитным материалом, причем устройство управления потоком и ферромагнитный материал поворачиваются на оси.
Кроме того, чувствительный к изменению температуры магнитный клапан содержит устройство управления потоком, выполненное с возможностью создания одного или нескольких барьеров для потока вместе с ферромагнитным материалом.
Кроме того, чувствительный к изменению температуры магнитный клапан содержит ограничивающее устройство, выполненное с возможностью изменения положения с ферромагнитным материалом и перенаправления газа в зависимости от положения ферромагнитного материала вместе с устройством управления потоком.
Имеется первое устройство управления потоком, соединенное с ферромагнитным материалом, причем первое устройство управления потоком выполнено с возможностью ограничения потока в зависимости от температуры ферромагнитного материала, причем устройство управления потоком и ферромагнитный материал поворачиваются на оси.
Имеется второе устройство управления потоком с несколькими отверстиями, причем второе устройство управления потоком находится в сообщении по текучей среде с первым устройством управления потоком.
Имеется камера, содержащая устройство управления потоком, расположенное между несколькими магнитами, причем устройство управления потоком соединено с ферромагнитным материалом.
Имеется защитная крышка, выполненная с возможностью изоляции ферромагнитного материала или магнита от газа и передачи тепла по меньшей мере ферромагнитному материалу.
Имеется первое устройство управления потоком, соединенное с ферромагнитным материалом, причем первое устройство управления потоком выполнено с возможностью ограничения потока в зависимости от температуры ферромагнитного материала, причем устройство управления потоком и ферромагнитный материал поворачиваются на оси.
Газ представляет собой окислитель или топливо.
Ферромагнитный материал содержит никель.
Первый путь дополнительно содержит одно или несколько первых выпускных отверстий.
Второй путь имеет одно или несколько вторых выпускных отверстий, имеющих совокупную площадь поперечного сечения, которая больше площади поперечного сечения первого пути.
При сбое чувствительного к изменению температуры клапана магнит помещают в положении, достаточном, чтобы вызвать перемещение ферромагнитного материала либо в первое положение, либо во второе положение.
Первой температурой является преобладающая окружающая температура, а второй температурой – предварительно определенная температура, до которой предварительно нагревается газ до указанного этапа подачи газа при второй температуре.
Газ представляет собой топливо.
Газ представляет собой природный газ.
Газ предварительно нагревают до второй температуры посредством теплообмена с горячим воздухом, предварительно нагретым посредством теплообмена с газообразными продуктами сгорания, полученными в результате сгорания газа, инжектированного горелкой.
Краткое описание графических материалов
Для более глубокого понимания вышеупомянутых признаков настоящего изобретения ниже приводится более подробное описание изобретения, вкратце подытоженного выше, на примерах вариантов осуществления, некоторые из которых показаны на прилагаемых графических материалах.
Следует, однако, отметь, что прилагаемые графические материалы иллюстрирует лишь типичные варианты осуществления настоящего изобретения и, следовательно, не должны быт рассмотрены как ограничивающие его объем, поскольку настоящее изобретение может допускать другие в равной степени эффективные варианты осуществления.
Фиг. 1A-1F представляют собой схематические виды горелочного устройства, содержащего чувствительный к изменению температуры магнитный клапан, в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления.
Фиг. 2A-2F представляют собой схематические виды горелочного устройства, содержащего чувствительный к изменению температуры магнитный клапан, в соответствии с дополнительными вариантами осуществления.
Фиг. 3A-3B представляют собой изображения чувствительного к изменению температуры магнитного клапана в соответствии с еще одним вариантом осуществления.
Фиг. 4A-4B представляют собой изображения чувствительного к изменению температуры магнитного клапана в соответствии с еще одним вариантом осуществления.
Фиг. 5A-5B представляют собой изображения чувствительного к изменению температуры магнитного клапана в соответствии с еще одним вариантом осуществления.
Фиг. 6A-6B представляют собой изображения чувствительного к изменению температуры магнитного клапана в соответствии с еще одним вариантом осуществления.
Фиг. 7A-7B представляют собой изображения чувствительного к изменению температуры магнитного клапана в соответствии с еще одним вариантом осуществления.
Фиг. 8A-8B представляют собой изображения чувствительного к изменению температуры магнитного клапана в соответствии с еще одним вариантом осуществления.
Фиг. 9 представляет собой блок-схему способа поддержания по существу постоянной скорости газа, выходящего из горелки, в соответствии с одним вариантом осуществления.
Для облегчения понимания при обозначении идентичных элементов, общих для разных фигур, используются идентичные позиции. Предполагается, что элементы, раскрытые в одном варианте осуществления, могут с выгодой быть использованы в других вариантах осуществления без конкретного указания.
Подробное описание
В настоящем документе раскрыты горелки, устройства, системы и способы управления скоростью газа, выходящего через выпускное отверстие в горелке. В процессе сгорания теряется значительное количество энергии, особенно из-за тепла, уходящего в атмосферу в дымовых газах. Например, в кислородно-топливной стекловаренной печи, в которой все топливо сгорает с чистым кислородом, и для которой температура дымового газа на выпуске печи составляет порядка 1350°С, обычно 30-40% энергии, высвобожденной горением топлива, теряются в дымовом газе. В вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, газ, такой как газообразное топливо или окислитель, перед подачей в камеру сгорания через выпускное отверстие в горелке может предварительно быть нагрет. Поток газа, будь то предварительно нагретого или при стандартной температуре, может быть перенаправлен с помощью чувствительного к изменению температуры магнитного клапана по одному или нескольким путям. Затем газ может быть подан по одному из путей в камеру сгорания посредством выхода через одно или несколько выпускных отверстий. Выпускные отверстия, либо отдельно, либо в качестве группы, могут иметь площадь поперечного сечения, обеспечивающую по существу постоянную скорость газа, выходящего из выпускных отверстий горелки, для работы с вовлечением двух предварительно определенных диапазонов температуры для газа. Варианты осуществления, раскрытые в настоящем документе, яснее описаны ниже со ссылками на фигуры.
Как уже отмечалось, чувствительный к изменению температуры магнитный клапан действует для обеспечения того, что скорость газа, выходящего из горелки, остается по существу неизменной независимо от того, нагрет ли газ до предварительно выбранного диапазона температуры или нет. В целях простоты изложения для объяснения того, как поддерживается по существу постоянная скорость, будет использоваться закон идеального газа. Как хорошо известно, закон идеального газа гласит, что произведение давления газа и объема газа равно произведению молей газа, температуры газа и универсальной газовой постоянной (т.е. PV=nRT). При изменении температуры (например, газа, подаваемого в клапан), объем газа увеличивается, если давление поддерживается постоянным. Таким образом, газ, проходящий через одно и то же выпускное отверстие при разных температурах, будет иметь скорость, обусловленную этим отличным объемом. Для обеспечения выхода газов с разными температурами из горелки с одинаковой скоростью необходимо учитывать увеличение объема (обусловленное повышением температуры). Чтобы учитывать увеличение объема, газ при более высокой температуре может быть направлен в другое выпускное отверстие, размер которого позволяет газу выходить через это другое выпускное отверстие по существу с той же скоростью, что и газ при более низкой температуре, выходящий через первоначальное выпускное отверстие. Поскольку скорость струи газа остается одинаковой, будь то газ при первой температуре или при второй температуре, пламя от горения струи газа (с другим реагентом сгорания) будет иметь одинаковые размер и форму. Это решает проблему, связанную с изменениями размера и формы пламени, которые возникают у обычных горелок, используемых в режимах с нагретым газом или не нагретым газом.
В вариантах осуществления, рассмотренных в настоящем документе, газы могут быть поданы в диапазоне температур от приблизительно 25 градусов Цельсия до приблизительно 800 градусов Цельсия. Кроме того, в вариантах осуществления, рассмотренных в настоящем документе, ферромагнитный материал может быть выбран так, чтобы он имел температуру Кюри от приблизительно 240 градусов Цельсия до приблизительно 600 градусов Цельсия. Как правило, выбор совокупных площадей поперечного сечения для первого и второго путей потока и выбор конкретного температурно-избирательного магнита обусловлены требуемой температурой, до которой газ предварительно нагревается, типичной температурой газа без предварительного нагревания и требуемой скоростью струи (газа, выходящего из выпускного отверстия).
При рассмотрении, например, первого пути потока для предварительно не нагретого газа и второго пути потока для предварительно нагретого газа, где типичная температура предварительно не нагретого газа представляет собой окружающую температуру (25°C или 298°K), требуемая скорость струи – 100 м/с, и требуемая температура предварительно нагретого газа равна 480°C (753°K). В этом случае температура повысилась приблизительно на 53%, так что площадь поперечного сечения для второго пути потока должна быть приблизительно на 53% больше площади поперечного сечения первого пути потока, плюс материал для температурно-избирательного магнита выбран проявляющим эффект Кюри при температуре ниже 480°C. Это поможет обеспечить то, что скорость струи будет по существу одинаковой, причем неважно, равна ли температура газа окружающей температуре или равна 480°C. Специалисту в области техники, к которой относится изобретение, ясно, что выбор первой и второй температур газа ограничивается лишь доступностью материалов, проявляющих эффект Кюри при температурах между первой и второй температурами газа. Кроме того, специалисту ясно, что первая и вторая температуры газа, как правило, обусловлены технологическими требованиями.
Хотя раскрыты два пути потока и две рабочие температуры, в пределах объема изобретения возможно использование трех или более путей потока, соответствующих трем или более рабочим температурам. Предельное число путей потока ограничивается лишь компромиссом между расходами и сложностью такого устройства и целесообразностью иметь по существу постоянную скорость струи при каждой из разных рабочих температур.
Хотя настоящее изобретение может быть использовано в любом из самых разнообразных процессов сгорания, одним типичным примером процесса является стекловаренная печь, в которой или окислитель (такой как воздух, обогащенный кислородом воздух или кислород) и/или топливо предварительно нагревается в теплообменнике либо теплом из газообразных продуктов сгорания из печи, либо теплом из воздуха, который сам предварительно нагревается от тепла из газообразных продуктов сгорания. Первая температура соответствует первому режиму работы, в котором окислитель и/или топливо предварительно не нагревается в теплообменнике. Вторая температура соответствует второму режиму работы, в котором окислитель и/или топливо предварительно нагревается в теплообменнике.
Фиг. 1A-1F представляют собой схематические виды горелочной системы, содержащей чувствительный к изменению температуры магнитный клапан в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления. Фиг. 1A и 1B иллюстрируют горелочную систему 100 в соответствии с одним вариантом осуществления. Горелочная система 100 содержит впускное отверстие 102, чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 104, первый путь, показанный в данном случае как первая труба 106, второй путь, показанный в данном случае как вторая труба 108, и горелочный блок 110. Первый газ 103 или второй газ 105 подаются через впускное отверстие 102 в чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 104.
Первым газом 103, показанным на фиг. 1A, может быть газ, используемый в процессе сгорания, такой как топливный газ или окисляющий газ. Первый газ 103 может дополнительно включать инертные газы, такие как азот или благородный газ. Когда первый газ 103 доходит до чувствительного к изменению температуры магнитного клапана 104, первый газ 103 далее уравновешивает температуру с чувствительным к изменению температуры магнитным клапаном 104. Части горелок могут содержать тугоплавкие оксиды, такие как кремнезем, глинозем, алюмо-циркониево-силикатный огнеупор, диоксид циркония и т.п. Альтернативно, могут быть использованы определенные металлические сплавы, не горящие в предварительно нагретом кислороде.
Чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 104 может иметь несколько состояний. Чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 104 имеет первое состояние и второе состояние, в следствие чего в первом состоянии газ протекает по первой трубе 106, а во втором состоянии газ протекает по второй трубе 108. Чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 104 содержит по меньшей мере магнит и ферромагнитный материал. В первом состоянии ферромагнитный материал находится в магнитной связи с магнитом. При повышении температуры ферромагнитного материала ферромагнитный материал утрачивает свои магнитные свойства и, следовательно, магнитная связь с магнитом теряется. Потеря магнитной связи происходит из-за того, что ферромагнитный материал достигает температуры Кюри и утрачивает притяжение к магниту. После того как ферромагнитный материал достигает температуры Кюри, ферромагнитный материал отходит от магнита, и, таким образом, клапан переключается во второе состояние. В первом состоянии (показанном на фиг. 1A) чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 104 предотвращает прохождение потока газа 103 по второй трубе 108, допуская при этом поток по первой трубе 106. Чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 104 будет описан подробнее со ссылками на фиг. 3A-8B. Первая труба 106 ведет через горелочный блок 100 к первому выпускному отверстию 112. Первое выпускное отверстие 112 имеет такую площадь поперечного сечения, что выходящий газ 116 проходит через первое выпускное отверстие с первой скоростью в камеру сгорания.
Как уже отмечалось, затем ферромагнитный материал достигает температуры Кюри для конкретного ферромагнитного материала, ферромагнитный материал утрачивает магнитную связь с магнитом и, таким образом, физически отходит от магнита. За счет этого перемещения ферромагнитного материала клапан 104 действует для изменения пути потока газа, проходящего через клапан. Как показано на фиг. 1B, второй газ 105 подается через впускное отверстие 102. Чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 104 направляет второй газ 105 по второй трубе 108. Повышение температуры ферромагнитного материала, вызванное повышением температуры от второго газа 105, вызывает переключение чувствительного к изменению температуры магнитного клапана 104 из первого состояния во второе состояние при достижении пороговой температуры или температуры Кюри.
Когда чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 104 переключается из первого состояния во второе состояние, поток газа переключается из первой трубы 106 (первый путь) во вторую трубу 108 (второй путь). Вторая труба 108 ведет через горелочный блок 110 ко второму выпускному отверстию 114. Второе выпускное отверстие 112 имеет площадь поперечного сечения, отличающуюся от площади поперечного сечения первого выпускного отверстия 112. Поскольку площадь поперечного сечения первого выпускного отверстия надлежащим образом выбрана так, чтобы соответствовать преобладающей температуре первого состояния (такой как преобладающая окружающая температура), а площадь поперечного сечения второго выпускного отверстия надлежащим образом выбрана так, чтобы соответствовать преобладающей температуре второго состояния (такой как 480°C), выходящий газ 118 выходит из второго выпускного отверстия 114 с такой же скоростью, как и газ, выходящий из первого выпускного отверстия 112. Хотя на фиг. 1A и 1B они показаны как первая труба 106 и вторая труба 108, первый путь и второй путь могут представлять собой любую комбинацию одной или нескольких труб или соединений, используемых для подачи газа через горелку в камеру сгорания. Кроме того, первый путь и второй путь могут иметь одно или несколько соединений, которые перекрываются, как показано в вариантах осуществления, описанных в настоящем документе.
Фиг. 1C и 1D иллюстрируют горелочную систему 120 в соответствии с еще одним вариантом осуществления. Горелочная система 120, описываемая в данном случае, содержит впускное отверстие 122, чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 124, первую трубу 126 и вторую трубу 128, показанные в данном случае как конструкция «труба в трубе», и горелочный блок 130. Первый газ 123 или второй газ 125 подается через впускное отверстие 122 в чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 124, где газ направляется протекать либо по первой трубе 126, в которой газ выходит из первого выпускного отверстия 132, либо по второй трубе 128, в которой газ выходит из второго выпускного отверстия 134. Как показано на фиг. 1D, газ может быть направлен для прохождения по обеим трубам – по первой трубе 126 и по второй трубе 128. В любом пути потока газ, выходящий из первого выпускного отверстия 132, имеет по существу ту же скорость, что и газ, выходящий из второго выпускного отверстия 134, поскольку площади поперечного сечения для первого и второго выпускных отверстий 132, 134 выбраны соответствующими преобладающим температурам, связанным с первым и вторым состояниями.
Фиг. 1E и 1F иллюстрируют горелочную систему 140 в соответствии с еще одним вариантом осуществления. Горелочная система 140, описываемая в данном случае, содержит впускное отверстие 142, чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 144, первый путь, показанный в данном случае как первая труба 146, второй путь, показанный в данном случае как вторая труба 148, и горелочный блок 150. Первый газ 143 или второй газ 145 подается через впускное отверстие 142 в чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 144, где газ направляется протекать либо по первой трубе 146, в которой газ выходит из горелки 150 через первое выпускное отверстие 152, либо как по первой трубе 146, так и по второй трубе 148, в которой газ выходит из горелки 150 через второе выпускное отверстие 154. В любом пути потока газ, выходящий из первого выпускного отверстия 152, имеет по существу ту же скорость, что и газ, выходящий из второго выпускного отверстия 154, поскольку площади поперечного сечения для первого и второго выпускных отверстий 152, 154 выбраны соответствующими преобладающим температурам, связанным с первым и вторым состояниями.
Следовательно, если площадь поперечного сечения выпускного отверстия, связанного со вторым путем потока, имеет такой размер, чтобы добиться конкретной скорости струи при второй требуемой температуре газа, а площадь поперечного сечения выпускного отверстия, связанного с первым путем потока, имеет такой размер, чтобы добиться такой же скорости струи при первой требуемой температуре газа, за счет использования чувствительного к изменению температуры магнитного клапана, скорость струи газа, выходящего из горелки, является неизменной независимо от того, при какой температуре находится газ – при первой или второй.
Фиг. 2A-2F представляют собой схематические виды горелочного устройства, содержащего чувствительный к изменению температуры магнитный клапан, в соответствии с дополнительными вариантами осуществления. Фиг. 2A и 2B представляют собой виды сбоку и спереди горелочного устройства 200 в соответствии с одним вариантом осуществления. Показанное на фиг. 2A горелочное устройство 200 содержит впускное отверстие 202 в сообщении по текучей среде с чувствительным к изменению температуры магнитным клапаном 204. Чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 204 сообщает по текучей среде впускное отверстие 202 с первой трубой 206 и второй трубой 208. Первая труба 206 и вторая труба 208 выполнены с возможностью подачи выходящего первого газа 216 или выходящего второго газа 218 через горелочный блок 210 и через первое выпускное отверстие 212 и второе выпускное отверстие 214. Как описано выше, площадь поперечного сечения второго выпускного отверстия 214 больше площади поперечного сечения первого выпускного отверстия 212, вследствие чего скорость газа 216, выходящего из первого выпускного отверстия 212, и газа 218, выходящего из второго выпускного отверстия 214, являются по существу одинаковыми, поскольку площади поперечного сечения первого и второго выпускных отверстий 212, 214 соответственно подобраны.
Как показано на фиг. 2B, как первое выпускное отверстие 212, так и второе выпускное отверстие 214 показаны имеющими круглую форму. Однако, периметр первого выпускного отверстия 212 или второго выпускного отверстия 214 может быть образован любой формой или сочетанием форм. Форма первого выпускного отверстия 212 не обязательно должна быть такой же, как форма второго выпускного отверстия 214: требуется лишь, чтобы форма площади поперечного сечения первого выпускного отверстия 212 и второго выпускного отверстия 214 обеспечивала поток газов, выходящих из этих выпускных отверстий, по существу с одинаковой скоростью, даже если газы имеют разные температуры. Следовательно, первое выпускное отверстие 212 и второе выпускное отверстие 214 могут иметь самые разные формы, конструкции или дополнительные компоненты, которые могут быть включены в одну или несколько форсунок для использования в горелке.
Фиг. 2C и 2D представляют собой виды сбоку и спереди горелочного устройства 220 в соответствии с еще одним вариантом осуществления. Фиг. 2C представляет собой вид сбоку горелочного устройства 220, содержащего впускное отверстие 222, чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 224, первую трубу 226 и вторую трубу 228. Впускное отверстие 222, чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 224, первая труба 226 и вторая труба 228 могут быть по существу аналогичными описанным со ссылками на фиг. 2A. Первая труба 226 и вторая труба 228 выполнены с возможностью подачи первого газа 236 или второго газа 238 через первое выпускное отверстие 232 и вторые выпускные отверстия 234, выполненные в связи с горелочным блоком 230. В этой конструкции вторые выпускные отверстия 234 имеют увеличенную совокупную площадь поперечного сечения для второго газа 238 за счет использования нескольких труб в отличие от использования большей трубы.
Фиг. 2E и 2F представляют собой виды сбоку и спереди горелочного устройства 240 в соответствии с еще одним вариантом осуществления. Фиг. 2E представляет собой вид сбоку горелочного устройства 240, содержащего впускное отверстие 242, чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 244, первую трубу 246 и вторую трубу 248. Впускное отверстие 242, чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 244, первая труба 246 и вторая труба 248 могут быть по существу аналогичными описанным со ссылками на фиг. 2A. Первая труба 246 и вторая труба 248 выполнены с возможностью подачи выходящего первого газа 256 или второго газа 258 через первое выпускное отверстие 252 и второе выпускное отверстие 254, выполненные в связи с горелочным блоком 250. Первое выпускное отверстие 252 и второе выпускное отверстие 254 имеют конструкцию «труба в трубе», в которой первая труба 246 подает первый газ 256 через расположенное по центру первое выпускное отверстие 252. Первое выпускное отверстие 252 окружено вторым выпускным отверстием 254, через которое второй газ 258 подается в камеру сгорания по существу с такой же скоростью, что и первый газ 256. Хотя в данном случае показано, что второй газ 258 подается через другое выпускное отверстие, чем первый газ 256, второй газ 258 может быть подан как через первое выпускное отверстие 252, так и через второе выпускное отверстие 254, будучи направленным чувствительным к изменению температуры магнитным клапаном 244.
Хотя в данном случае показано как перестановки варианта осуществления с двойной трубой, для управления скоростью газов, подаваемых через выпускные отверстия, могут быть использованы различные конструкции. В общем, конструкции как для клапанов, так и для труб ограничены лишь желанием поддерживать одну и ту же скорость газа при подаче либо нагретых газов, либо газов при стандартной температуре через выпускное отверстие в горелке.
Варианты осуществления, описанные в настоящем документе, относятся к соответствующим частям типичной горелки, которые могут быть использованы в одном или нескольких вариантах осуществления изобретения. Могут быть и другие компоненты, четко не указанные, которые могут быть включены или исключены в зависимости от выбора конструкции и других параметров. Компоненты, описанные в настоящем документе, могут быть отличными по форме, размеру или расположению от используемых на практике. Кроме того, варианты осуществления, описанные в настоящем документе, служат лишь для примера и не должны быть рассмотрены как ограничивающие объем изобретения, описанного в настоящем документе, если он четко не ограничен в настоящем документе.
Фиг. 3-8 представляют собой изображения чувствительных к изменению температуры магнитных клапанов в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления. Чувствительные к изменению температуры магнитные клапаны, описанные в настоящем документе, могут быть использованы с вариантами осуществления, описанными выше. Кроме того, чувствительные к изменению температуры магнитные клапаны, описанные ниже, могут быть успешно включены в горелку, не раскрытую в настоящем документе. Раскрытые варианты осуществления представляют собой отдельные варианты осуществления, не предназначенные для ограничения объема всех возможных вариантов осуществления.
Фиг. 3A и 3B иллюстрируют часть чувствительного к изменению температуры магнитного клапана 300 в соответствии с одним вариантом осуществления. Чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 300, описанный в настоящем документе, может быть использован для перенаправления газа, проходящего через клапан, по одному или нескольким предварительно предусмотренными путями для обеспечения того, чтобы газ, выходящий из горелки, имел по существу постоянную скорость струи независимо от температуры газа.
В этом варианте осуществления магнит 318, ферромагнитный материал 316, устройство 314 управления потоком и несколько отверстий 315 для ясности показаны без клапанной коробки. Клапанная коробка яснее описана со ссылками на фиг. 4A и 4B. Магнит 318 связан с устройством 314 управления потоком. На первом чертеже магнит 318 прикладывает магнитную силу к ферромагнитному материалу 316, переключающую ферромагнитный материал 316 в первое состояние.
Магнит 318 может быть расположен в непосредственной близости от ферромагнитного материала 316. Магнит 318 может иметь стандартный состав для высокотемпературного магнита, такого как магнит AlNiCo. Хотя в данном случае он показан как соединенный с устройством 314 управления потоком, магнит 318 может быть расположен либо внутри устройства 314 управления потоком, снаружи его, либо как его часть. Кроме того, магнит 318 может представлять собой электромагнит или постоянный магнит. В вариантах осуществления, описанных в данном случае, магнит 318 показан как постоянный магнит.
Ферромагнитный материал 316 представляет собой ферромагнитный материал, который при конкретной температуре, известной как температура Кюри, становится парамагнитным. Температура Кюри вещества зависит от состава вещества. В одном или нескольких вариантах осуществления ферромагнитный материал 316 представляет собой, главным образом, никель, имеющий температуру Кюри 358°С. В одном варианте осуществления ферромагнитный материал 316 представляет собой никелевый сплав, содержащий более 95% никеля, такой как никелевый сплав 200. Ферромагнитный материал 316 может иметь любой состав, имеющий температуру Кюри в требуемом диапазоне.
Ферромагнитный материал 316, будучи расположенным с устройством 314 управления потоком, создает несколько отверстий 315 для потока газа через них, показанных в данном случае как двенадцать (12) открытых отверстий 315 приблизительно равного размера. Хотя в этом варианте осуществления показаны конкретное число и подобный приблизительный размер отверстий 315, специалисту в области техники, к которой относится изобретение, ясно, что число и размер отверстий 315 могут быть изменены. В любом состоянии чувствительного к изменению температуры магнитного клапана 300 размер, число и организация этих отверстий могут быть изменены и отрегулированы, исходя из потребностей или пожеланий пользователя. Отверстия 315 не обязательно должны быть расположены равномерно, равно как не обязательно должны быть одного размера.
При потоке газа через чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 300 ферромагнитный материал 316 уравновешивается до температуры газа, как показано на фиг. 3B. После того как ферромагнитный материал 316 достигает температуры Кюри для данного состава, магнит 318 уже не может притягивать ферромагнитный материал 316, прикладывая магнитную силу. Пружина 312, показанная в данном случае как листовая пружина, прикладывает затем вторую силу к ферромагнитному материалу 316, поднимающую ферромагнитный материал 316 во второе состояние. Как показано в данном случае, четыре (4) отверстия 315 расположены соответственно и, следовательно, открыты между ферромагнитным материалом 316 и устройством 314 управления потоком.
Варианты осуществления, описанные в настоящем документе, основаны, в общем, на одном или нескольких источниках силы для переключения между первым состоянием и вторым состоянием, показанных в данном случае как пружина 312. Когда ферромагнитный материал 316 достигает температуры Кюри, магнит 318, действующий как первый источник силы, перестает удерживать ферромагнитный материал 316 на месте. Второй источник силы в отсутствие первого источника силы перемещает ферромагнитный материал 316 и устройство 314 управления потоком во второе состояние. Примеры второго источника силы могут включать пружины, силу тяжести, давление (например, динамическое или избыточное статическое давления) или даже дополнительные магниты (например, магниты, действующие на другое сечение, другой материал, например, углеродистая сталь, или с другой силой).
Не ограничиваясь никакой конкретной теорией, большинство простых конструкций используют приведение в действие, перемещающее одиночный компонент лишь на несколько миллиметров из-за ограниченных пределов магнитного поля. По этой причине для увеличения пределов перемещения несколько магнитов могут быть расположены «каскадом». Преимущественно, считается, что при использовании расположенных каскадом магнитов исполнительное устройство можно перемещать на намного большее расстояние. Ферромагнитный материал может проходить лишь на определенное расстояние относительно неподвижного магнита. Таким образом, при использовании более одного магнита по меньшей мере с одним промежуточным магнитом, который не неподвижен, общее расстояние перемещения можно увеличить. Кроме того, при использовании конструкции с несколькими магнитами клапан мог бы закрываться постепенно. При надлежащей ориентации или если они состоят из ферромагнитных материалов с индивидуальными температурами Кюри, отдельные ферромагнитные материалы, используемые для приведения в действие, будут достигать пороговой температуры с разной скоростью. Предполагается, что это создаст выдержку времени между моментом, когда предварительно нагретый газ подается, и моментом, когда ферромагнитный материал фактически достаточно нагревается. Эта выдержка времени может быть основана на конвективной теплопередаче, которая, в свою очередь, зависит от свойств материала и динамики/геометрии потока (которые можно изменять среди компонентов для достижения разных выдержек). Специалист в области техники, к которой относится изобретение, поймет, что предусмотрены различные перестановки каскадной конструкции, которые могут быть использованы в пределах объема изобретения, описанного в настоящем документе. Возможные конструкции включают любую конструкцию, поддерживающую одинаковую скорость газа для нагретого газа и газа при стандартной температуре, подаваемых через выпускные отверстия в горелке.
Фиг. 4A и 4B иллюстрируют чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 400 в конструкции в виде трубчатой пружины в соответствии с еще одним вариантом осуществления. В одном варианте осуществления газ может протекать в отверстия 428a и 428b, выполненные в клапанной коробке 424. Клапанная коробка 424 может быть уплотнена при помощи текучей среды, обеспечивая управляемый поток газов. Клапанная коробка 424 может быть выполнена из материала, стойкого по меньшей мере к ожидаемым уровням тепла от подаваемых газов и их химическому составу. В одном варианте осуществления клапанная коробка 424 состоит из керамики или металлов, покрытых керамикой. Хотя клапанная коробка 424 показана как цилиндрическая конструкция, она не предназначена для ограничения возможных вариантов осуществления. Например, клапанная коробка 424 может быть квадратной, прямоугольной, цилиндрической, круглой или представлять собой комбинации этих или других форм.
Внутри чувствительного к изменению температуры магнитного клапана 400 расположен ферромагнитный материал 422, имеющий магнитную связь с магнитом 420. В этом варианте осуществления магнит 420 является неподвижным. Ферромагнитный материал 422, показанный на фиг. 4A, находится при температуре ниже температуры Кюри. Таким образом, ферромагнитный материал 422 находится в контакте с магнитом 420 и, таким образом, в первом состоянии. В первом состоянии поток перенаправляется путем предотвращения потока через одно из отверстий 428a, а также предотвращая поток через одно из отверстий 425a.
На фиг. 4B, поскольку газ нагревается в процессе предварительного нагревания, газ передает тепло ферромагнитному материалу 422. Ферромагнитный материал 422 после нагревания до температуры выше температуры Кюри далее отделяется от магнита 420 под действием второй силы, показанной в данном случае прикладываемой пружиной 426 или другими комбинациями, конкретно не раскрытыми в настоящем документе. В зависимости от положения чувствительного к изменению температуры магнитного клапана 400 в этом варианте осуществления, второй силой может быть также сила тяжести в сочетании с пружиной 426. Вторая сила перемещает ферромагнитный материал 422 во второе состояние. Ферромагнитный материал 422 во втором состоянии блокирует как отверстие 428b, так и отверстие 425b, тем самым перенаправляя поток через прежде закрытые отверстие 428a и отверстие 425a. Одним словом, первый газ или газ с более низкой температурой будет подан в горелку (не показанную) через отверстие 425a, а второй газ или газ с более высокой температурой будет подан в горелку через отверстие 425b. В одном варианте осуществления отверстие 425a может сообщаться по пути с выпускным отверстием (не показанным) в горелке, имеющим площадь поперечного сечения, которая больше выпускного отверстия (не показанного), сообщающегося с отверстием 425b.
Фиг. 5A и 5B иллюстрируют чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 500 в конструкции с поворотным запором в соответствии с еще одним вариантом осуществления. В этом варианте осуществления чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 500 содержит клапанную коробку 532, ферромагнитный материал 534a, устройство 534b управления потоком и магнит 536. Как показано на фиг. 5A, при температурах ниже температуры Кюри ферромагнитный материал 534a находится в контакте с магнитом 536. Магнит 536 может представлять собой неподвижный высокотемпературный магнит, такой как магнит AlNiCo. При нахождении в контакте с магнитом 536 ферромагнитный материал 534a и устройство 534b управления потоком могут быть рассмотрены как находящиеся в первом состоянии и могут предотвращать поток газа через отверстие 538a.
Нагретое состояние или второе состояние показано на фиг. 5B. Когда второй газ, имеющий температуру выше температуры Кюри ферромагнитного материала 534a, протекает через отверстие 530 и в клапанную коробку 532, ферромагнитный материал 534a и устройство 534b управления потоком начинают нагреваться. После того как ферромагнитный материал 534a достигает температуры Кюри, ферромагнитный материал 534a больше не притягивается магнитом 536, и вторая сила, показанная в данном случае как сила тяжести, вынуждает ферромагнитный материал 534a и устройство 534b управления потоком повернуться на оси 537 во второе состояние. Ферромагнитный материал 534a и устройство 534b управления потоком во втором состоянии блокируют поток через отверстие 538b и перенаправляют поток через отверстие 538a, как поданный через отверстие 530. Благодаря перенаправлению потока через отверстие 538a предварительно нагретый газ может выходить из горелки по существу с той же скоростью, что и газ при стандартной температуре.
Ферромагнитный материал 534a и устройство 534b управления потоком могут состоять из одного материала или отдельных материалов. Поскольку из чувствительного к изменению температуры вещества должен состоять лишь ферромагнитный материал 534a, состав устройства 534b управления потоком после оси 537 может быть отличным от ферромагнитного материала 534a до оси 537, как измерено от магнита 536. Например, состав устройства 534b управления потоком после воображаемой линии 539 может представлять собой материал, более или менее плотный, чем состав ферромагнитного материала 534a. Воображаемая линия 539 не обязательно должна находиться на оси 537, и разделение между ферромагнитным материалом 534a и устройством 534b управления потоком может быть в любой точке вдоль этого сочетания.
Один или несколько вариантов осуществления могут использовать поворотные компоненты или могут быть адаптированы для использования поворотных компонентов, как показано в иллюстративном варианте осуществления на фиг. 5A и 5B. Поскольку компоненты чувствительного к изменению температуры магнитного клапана 500 разработаны для работы, главным образом, без вмешательства человека и при высоких температурах, трение между компонентами должно быть минимизировано. Для уменьшения проблем, связанных с трением, в одном или нескольких вариантах осуществления могут быть использованы подшипники или высокотемпературные смазочные вещества.
Фиг. 6A и 6B иллюстрируют чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 600 в конструкции поворотная пластина/пружина в соответствии с еще одним вариантом осуществления. В этом варианте осуществления чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 600 содержит клапанную коробку (не показанную), ферромагнитный материал 640, ограничивающее устройство 642, устройство 643 управления потоком и магнит 644. Как уже отмечалось, при температурах ниже температуры Кюри ферромагнитный материал 640 находится в контакте с магнитом 644. Магнит 644 представляет собой неподвижный высокотемпературный магнит, такой как магнит AlNiCo. При нахождении в контакте с магнитом 644, как показано на фиг. 6A, ферромагнитный материал 640 и ограничивающее устройство 642 рассмотрены как находящиеся в первом состоянии и предотвращающие поток газа через одно или несколько отверстий 646. В этом варианте осуществления в первом состоянии открыты два отверстия 646a и 646b при том, что общее доступное количество отверстий равно четырем: 646a, 646b, 646c и 646d, если считать как открытые, так и закрытые отверстия в устройстве 643 управления потоком. Однако, в пределах объема изобретения, описанного в настоящем документе, могут быть использованы больше или меньше отверстий.
Когда в клапанную коробку протекает второй газ с более высокой температурой, может начать нагреваться ферромагнитный материал 640, описанный со ссылкой на фиг. 6B. После того как ферромагнитный материал 640 достигает температуры Кюри, ферромагнитный материал 640 может быть отделен от магнита 644. После этого ограничивающее устройство 642 принудительно перемещается вместе с присоединенным ферромагнитным материалом 640 во второе состояние под действием второй силы, показанной в данном случае как пружина 647. Ферромагнитный материал 640 и ограничивающее устройство 642 поворачиваются на оси 649, пока ферромагнитный материал 640 не доходит до барьера 648, предотвращающего дальнейший поворот. Ограничивающее устройство 642 во втором состоянии блокирует поток через отверстия 646a и 646b и перенаправляет поток газа через отверстия 646c и 646d. Отверстия 646c и 646d подают газ по пути и затем через выпускное отверстие, имеющее форму и размер для поддержания по существу постоянной скорости струи газа, выходящего из горелки, независимо от температуры газа.
Фиг. 7A и 7B иллюстрируют чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 700 с конструкцией с ограничивающим подъем устройством в соответствии с еще одним вариантом осуществления. Чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 700 содержит клапанную коробку 750, магниты 752a и 752b, ферромагнитные материалы 754a и 754b, ограничивающее устройство 756 и устройство 757 управления потоком. При стандартных температурах ферромагнитные материалы 754a и 754b могут находиться в контакте с магнитами 752a и 752b. Газ может быть подан через отверстие 751 и в клапанную коробку 750, как показано на фиг. 7A. Поскольку ферромагнитные материалы 754a и 754b прикреплены к ограничивающему устройству 756, и в первом состоянии газ, подаваемый через отверстие 751, может быть направлен через отверстие 758a, образованное устройством 757 управления потоком. В этом варианте осуществления ограничивающее устройство 756 расположено между магнитами 752a и 752b. Магниты 752a и 752b могут служить как направляющая для чувствительного к изменению температуры приведения в действия ферромагнитных материалов 754a и 754b и ограничивающего устройства 756.
Когда в клапанную коробку 750, показанную на фиг. 7B, протекает газ с более высокой температурой, ферромагнитные материалы 754a и 754b могут начать нагреваться. После того как ферромагнитные материалы 754a и 754b достигают температуры Кюри, ферромагнитные материалы 754a и 754b отделяются от магнитов 752a и 752b. После этого ограничивающее устройство 756 с присоединенными ферромагнитными материалами 754a и 754b под действием второй силы, показанной в данном случае как пружины 759, перемещается во второе состояние. Ферромагнитные материалы 754a и 754b и ограничивающее устройство 756 скользят в новое положение, пока ферромагнитные материалы 754a и 754b и ограничивающее устройство 756 не достигают стенки клапанной коробки 750, предотвращающей дальнейшее перемещение. Ограничивающее устройство 756 во втором состоянии блокирует поток через отверстия 746a и 746b и перенаправляет поток через отверстие 758b.
Как уже отмечалось со ссылками на другие варианты осуществления, ферромагнитные материалы 754a и 754b могут иметь одинаковый состав между собой, одинаковый состав с ограничивающим устройством 756 или разные составы в зависимости от потребностей пользователя. Воображаемые линии 755a и 755b расположены в иллюстративных целях, и в одном или нескольких вариантах осуществления воображаемых линий 755a и 755b между ферромагнитными материалами 754a и 754b и ограничивающим устройством 756 может быть больше или меньше двух, они могут находиться в положениях, отличных от показанных, или могут не существовать.
Фиг. 8A и 8B иллюстрируют чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 800 с конструкцией «труба в трубе» в соответствии с еще одним вариантом осуществления. В этом варианте осуществления чувствительный к изменению температуры магнитный клапан 800 может иметь клапанную коробку 860, отверстие 861, устройство 862a управления потоком, ограничивающее устройство 863, магнит 864, защитную крышку 865, ферромагнитный материал 866, ось 867 и отверстия 868a и 868b. Ферромагнитный материал 866, показанный в форме подковы, может быть соединен с ограничивающим устройством 863, показанным на фиг. 8А как полусфера или полушар. При температурах ниже температуры Кюри ферромагнитный материал 866 находится в контакте с защитной крышкой 865. Магнит 864 расположен в соединении с защитной крышкой 865 и прикладывает магнитную силу через защитную крышку 865 для расположения ферромагнитного материала 866 и ограничивающего устройства 863 в первое состояние. Ограничивающее устройство 863 предотвращает поток через отверстие 868b, не перекрывая при этом отверстие 868a.
Когда предварительно нагретый газ протекает в клапанную коробку 860, описанную со ссылками на фиг. 8B, ферромагнитный материал 866 может начать нагреваться. После того как ферромагнитный материал 866 достигает температуры Кюри, ферромагнитный материал 866 отделяется от защитной крышки 865 и магнита 864. После этого ограничивающее устройство 863 с присоединенным ферромагнитным материалом 866 принудительно перемещается во второе состояние второй силой, например, под действием силы тяжести и давления. Ферромагнитный материал 866 и ограничивающее устройство 863 поворачиваются на оси 867, пока ферромагнитный материал 866 не окажется в положении для блокирования отверстия 868a. Как показано в данном случае, ферромагнитный материал 866 частично опирается на часть устройства 862a управления потоком. Ограничивающее устройство 863 во втором состоянии обеспечивает поток через отверстие 868b.
Защитная крышка 865 расположена для обеспечения прикладывания магнитного поля магнита 864 к ферромагнитному материалу 866, одновременно защищая магнит 864 от газа, подаваемого в клапанную коробку 861. Защитная крышка 865 может быть изготовлена из ферромагнитного материала, не портящегося в рабочей среде, такого как никель или инконель. Кроме того, защитная крышка сама может быть магнитом, например, магнитом, содержащим кобальт. Защитная крышка может обеспечить использование в чувствительном к изменению температуры магнитном клапане 800 более мощных магнитов, не оптимальных для условий трубы, например, магнитов, чувствительных к температурам или газам.
В одном или нескольких вариантах осуществления, описанных выше, может также быть использована изоляция для изоляции магнита 864 от высоких температур или определенных химических составов газов, подаваемых через горелку в камеру сгорания. Например, очень тонкий кожух с вакуумной изоляцией может защищать магнит 864 от избытка тепла. Для поддержания магнита холодным можно использовать пассивное или активное конвективное/кондуктивное охлаждение, основанное на протекании процесса другого охладителя вблизи магнита 864. Следует отметить, что большинство магнитов подходящего размера имеют поле, притягивающее предметы на расстоянии лишь нескольких миллиметров. Поэтому при выборе количества и типа используемой изоляции следует учитывать ограниченный диапазон для этих магнитов. Изоляция, используемая для изоляции магнита 864, может быть менее 10 мм.
Большинство конструкций показано с одним магнитом лишь для упрощения. Другие конструкции могут содержать один или несколько магнитов в одном или нескольких положениях и с одной или несколькими ориентациями в зависимости от потребностей пользователя и конструкции клапана в пределах объема изобретения, описанного в настоящем документе. В одном варианте осуществления для повышения общей напряженности поля можно использовать дополнительные магниты 864, такие как магниты, ориентированные для создания поля в одном направлении, включенные последовательно или параллельно. В еще одном варианте осуществления дополнительные магниты могут быть использованы для достижения более сложного движения приведенных в действие элементов, такие как магниты, выровненные перпендикулярно для обеспечения двухступенчатой последовательности движения ниже температуры Кюри. В еще одном варианте осуществления дополнительные магниты могут быть выполнены “ступенчатыми” таким образом, что они приводятся в действие в слегка отличающиеся моменты времени из-за разных скоростей нагревания. В еще одном варианте осуществления дополнительные магниты и дополнительные ферромагнитные материалы могут быть выполнены ступенчатыми для увеличения проходимого расстояния.
Фиг. 9 представляет собой блок-схему способа 900 обеспечения по существу постоянной скорости газа, выходящего из горелки, независимо от температуры газа, выходящего из горелки, в соответствии с одним вариантом осуществления. В вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, газ, такой как окисляющий газ или топливный газ, может нагреваться в точке до протекания через выпускное отверстие горелки. Между источником газа и выпускным отверстием расположен чувствительный к изменению температуры магнитный клапан. При температуре ниже температуры Кюри для конкретного ферромагнитного материала чувствительный к изменению температуры магнитный клапан находится в первом состоянии и, следовательно, направляет поток газа по первому пути. Первый путь сообщается с выпускным отверстием в горелке, что позволяет газу при первой температуре выходить из горелки с первой скоростью. Поскольку предварительно нагретый газ протекает через клапан, ферромагнитный материал нагревается. После того как ферромагнитный материал нагреется до второй температуры, равной температуре Кюри или выше ее, магнит отпустит ферромагнитный материал. Затем вторая сила переключит ферромагнитный материал во второе состояние для перенаправления потока газа по второму пути. Это переключение потока газа обеспечивает то, что предварительно нагретый газ выходит из горелки по существу с той же скоростью, что и газ, выходящий из горелки по первому пути. Таким образом, газ, выходящий из горелки и протекающий в камеру сгорания, имеет одну и ту же скорость независимо от того, при какой он температуре – первой или второй.
Способ 900 начинается на этапе 902 путем подачи первого газа при первой температуре в чувствительный к изменению температуры клапан, причем чувствительный к изменению температуры клапан содержит магнитный материал, ферромагнитный материал, первый путь и второй путь. Газ обменивается теплом с ферромагнитным материалом, вследствие этого ферромагнитный материал достигает первой температуры, которая может быть ниже температуры Кюри для ферромагнитного материала. При потоке газов в чувствительный к изменению температуры клапан компоненты, находящиеся в тепловом контакте с газом, уравновешиваются на основании первой температуры газа и исходной температуры компонентов чувствительного к изменению температуры клапана. При подаче газов в чувствительный к изменению температуры магнитный клапан температура компонентов чувствительного к изменению температуры магнитного клапана, включая ферромагнитный материал, изменится с исходной температуры на первую температуру. Если ферромагнитный материал будет отнесен от магнита, то при снижении температуры ферромагнитного материала до отметки ниже температуры Кюри для конкретного ферромагнитного материала ферромагнитный материал станет магнитно-связанным с магнитом и переместится в первое положение.
В этом варианте осуществления первый газ обменивается теплом с ферромагнитным материалом, вследствие этого ферромагнитный материал достигает первой температуры и располагается в первом положении относительно магнитного материала. В первом положении источник газа сообщается по текучей среде с первым путем. Как описано выше, ферромагнитный материал, будучи при первой температуре, может быть магнитно-связанным с магнитом. Таким образом, магнит удерживает ферромагнитный материал в первом положении, что обеспечивает поток через клапан и по первому пути. Когда ферромагнитный материал находится в первом положении, доступ ко второму пути через чувствительный к изменению температуры магнитный клапан закрыт.
Термины “первый путь” и “второй путь”, используемые как в данном случае, так и выше, относятся к соединениям для текучих сред (например, труб или трубок), которые открыты, когда чувствительный к изменению температуры магнитный клапан находится в первом состоянии и втором состоянии, соответственно. В одном или нескольких вариантах осуществления первый путь и второй путь имеют одно или несколько общих соединений для текучих сред. В одном варианте осуществления первый путь содержит первую трубу и вторую трубу, а второй путь содержит первую трубу, вторую трубу и третью трубу.
Затем на этапе 904 в чувствительный к изменению температуры клапан подают второй газ при второй температуре. После уравновешивания температуры первого газа и чувствительного к изменению температуры магнитного клапана второй газ могут подавать в чувствительный к изменению температуры магнитный клапан, причем второй газ находится при второй температуре. Вторая температура может быть выше температуры Кюри для конкретного ферромагнитного материала. Затем второй газ обменивается теплом с ферромагнитным материалом, вследствие чего ферромагнитный материал достигает второй температуры.
Затем на этапе 906 ферромагнитный материал перемещают во второе положение относительно магнитного материала, отличное от первого положения. Как описано выше, после пересечения ферромагнитным материалом границы температуры Кюри взаимодействие между магнитом и ферромагнитным материалом изменяется, что вызывает переключение положения. В одном варианте осуществления температура ферромагнитного материала повышается и, таким образом, достигает температуры Кюри и затем превышает ее. При этом магнитная связь ферромагнитного материала с магнитом разрывается, и ферромагнитный материал перемещается во второе состояние. Вторая сила, такая как пружина или сила тяжести, может преодолеть слабое магнитное притяжение между магнитом и ферромагнитным материалом при температуре выше температуры Кюри, переключая при этом чувствительный к изменению температуры магнитный клапан из первого состояния во второе состояние. В еще одном варианте осуществления вторая температура может быть ниже первой температуры, вследствие чего после достижения ферромагнитным материалом второй температуры температура ферромагнитного материала будет ниже температуры Кюри. Таким образом, магнитный материал может затем прикладывать магнитную силу для перемещения ферромагнитного материала во второе положение.
Теплопередача ферромагнитному материалу не обязательно должна быть прямой теплопередачей. В одном или нескольких вариантах осуществления изолированная тепловая труба могла бы отбирать и “передавать” тепло из зоны, где наблюдается температура технологического потока, ферромагнитному материалу, расположенному вблизи газа, но термически изолированному от него, вследствие чего ферромагнитный материал не подвергается непосредственно воздействию тепла или химического состава газа. При изменении температуры ферромагнитный материал утрачивает магнитное притяжение. После этого механическое соединение может передавать действие ферромагнитного материала обратно на ограничивающее устройство и устройство управления потоком для перенаправления технологического потока.
Затем на этапе 908 второй газ может протекать по второму пути, сообщающемуся с чувствительным к изменению температуры клапаном. После того как чувствительный к изменению температуры магнитный клапан переключается из первого положения во второе положение, второй путь открыт. Второй путь может не включать в себя первый путь, либо включать в себя части первого пути или первый путь полностью. Второй газ подается по второму пути и протекает через второе выпускное отверстие в горелке в камеру сгорания, вследствие чего скорость газа, выходящего из первого выпускного отверстия, по существу такая же, что и скорость газа, выходящего из второго выпускного отверстия.
Независимо от того, каким путем чувствительный к изменению температуры магнитный клапан будет направлять газ, газ будет выходить из горелки по существу с одинаковой скоростью струи независимо от температуры газа.
В случае если чувствительный к изменению температуры магнитный клапан выходит из строя, и ферромагнитный материал не может перемещаться к магниту или от него (в зависимости от обстоятельств), перемещение к магниту или от него может быть принудительно обеспечено мощным магнитом, размещенным соответствующим образом для перемещения ферромагнитного материала в нужном направлении. Этот мощный магнит может быть приложен к наружной поверхности клапана (или устройства, содержащего клапан), чтобы оператор мог в ручном режиме обеспечивать запасное решение функционирования в случае отказа предлагаемого клапана.
Заключение
Варианты осуществления, описанные в настоящем документе, относятся к управлению скоростью газа, выходящего из горелки. С ростом стоимости топлива рекуперация теряемой тепловой энергии приобретает все большую важность. Один важный источник теряемой тепловой энергии в стандартных печах – через дымовой газ. Эту теряемую тепловую энергию можно рекуперировать путем нагревания газообразных продуктов сгорания перед процессом сгорания. Однако, нагревание газов может изменять скорость, с которой газы подаются через выпускное отверстие горелки в камеру сгорания. Путем перенаправления потока, основываясь на пороговой температуре газообразные продукты сгорания могут выходить из горелки с постоянной скоростью независимо от температуры газов.
Хотя вышеизложенное относится к вариантам осуществления настоящего изобретения, возможны другие и дополнительные варианты осуществления в пределах базового объема изобретения, а объем настоящего изобретения определен последующей формулой изобретения.