ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к устройствам для сжигания газообразного топлива и может быть использована, например в черной и цветной металлургии, машиностроении для отопления нагревательных и термических печей.
Известна газовая горелка (см. а.с. СССР 1599620, МПК 5 F23D 14/70, 1990) сжигающая газообразное топливо для отопления термических и нагревательных печей в черной и цветной металлургии, содержащая воздухоподающий корпус, установленную по оси корпуса и заглушенную с выходного торца газовую трубку с выпускными отверстиями на ее боковой поверхности, наклоненными к оси корпуса, и соосно размещенная вокруг газовой трубы насадка, в полости которой выполнена камера предварительного смешения, образованная сопряженными коническим и цилиндрическим участками. Насадка на входе снабжена конической обечайкой, сопряженной своим большим внутренним диаметром с большим диаметром конического участка камеры. Между воздухоподающим корпусом и насадкой имеется кольцевой зазор, причем соотношение наружного и внутреннего диаметров кольцевого зазора равно 1,08-1,12.
Описанная горелка обладает недостатками. Наличие зазора между воздухоподающим корпусом и насадкой ухудшает качество сжигания газа по следующим причинам. При колебаниях давлений газа и воздуха, подаваемых в горелку, соотношение количеств первичного воздуха, проходящего в отверстия камеры смешения, и вторичного воздуха, проходящего через кольцевой зазор, ввиду небольшого гидравлического сопротивления кольцевого зазора будет нарушаться, что ухудшит нормальные режимы горения и стабилизации. Увеличение подачи вторичного воздуха в зону горения ведет к ее охлаждению и, вследствие этого, к химическому недожогу и ухудшению стабилизационных характеристик, что приводит к ограничению диапазона регулирования, снижению экономичности и эксплуатационной надежности горелочного устройства.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является горелочное устройство (газовый топливный реактор) (патент US №4708637, МПК F23D 14/00, F23C 3/00; F23C 6/00; F23C 6/04; F23C 7/00, F23L 1/00, опубл. 24.11.1987 г.), содержащее воздухоподающий корпус, установленную по оси корпуса и заглушенную с выходного торца газовую трубку с выпускными наклонными отверстиями, а внутри газовой трубки врезана перпендикулярно оси воздушная трубка меньшего диаметра с соосным отводом и открытым торцем, вокруг газовой трубки соосно размещена насадка, в полости которой выполнена совмещенная камера смешения и каскадного сжигания топлива, образованная установленной на входе в насадке крышкой с отверстиями и сопряженными цилиндрическим участком с наклонными отверстиями и коническим участком с отверстиями насадки, а к насадке на выходе жестко прикреплено цилиндрическое сопло с кольцевыми, рядными отверстиями на части сопла ограниченной задней крышкой воздухоподающего корпуса, коаксиально конической части насадки и соплу установлена обечайка, на цилиндрической части которой имеются отверстия, при этом на цилиндрической части насадки и стенке воздухоподающего корпуса выполнены отверстия связывающие через пламенную трубку внутреннюю полость цилиндрической части насадки с открытым пламенем факела пилотной горелки с каскадным сжиганием газа при ударном противотоке газовых и воздушных струй способствующих эффективному смешиванию газовоздушной смеси. Наличие подачи части продуктов сгорания (рециркулята) в зону каскадного горения способствует стабилизации процесса горения и экономичности устройства.
Однако поскольку устройство по прототипу снабжено помимо перечисленных элементов дополнительным цилиндрическим кожухом размещенным коаксиально насадке, а обечайка своей конической частью соединена с цилиндрическим кожухом, оно представляет собой довольно сложную конструкцию, поэтому является недостаточно надежным в эксплуатации, кроме того при наличии большого количества полостных каналов (воздушных и газовых), образованных дополнительными цилиндрическими кожухами значительно затрудняется настройка газодинамических параметров, что кроме того приводит к возникновению непрогнозируемых режимов при переходных процессах работы горелочного устройства.
Недостатком устройства по прототипу является также отсутствие обратной связи по регулированию объема подаваемого рециркулята в зону каскадного горения, приводящее к нестабильности процесса горения при переходных режимах работы реактора. Ударный противоток газовых и воздушных струй недостаточно эффективен.
Техническим результатом предлагаемого горелочного устройства является обеспечение обратной связи по регулированию объема подаваемого рециркулята в зону каскадного горения, увеличение площади контактных столкновений молекул газа и воздуха, повышение интенсивности смешивания газовоздушной смеси, и, как следствие, повышение стабильности процесса горения, упрощение конструкции горелочного устройства вследствие чего повысится его надежность при эксплуатации, облегчится настройка газодинамических параметров, исключится возможность появления непрогнозируемых режимов при переходных процессах работы горелочного устройства.
Это достигается тем, что в горелочном устройстве, содержащем воздухоподающий корпус, установленную по оси корпуса и заглушенную с выходного торца газовую трубку с выпускными наклонными отверстиями, внутри которой врезана перпендикулярно оси воздушная трубка меньшего диаметра с соосным отводом и открытым торцем, вокруг газовой трубки соосно размещена насадка, в полости которой выполнена совмещенная камера смешения и каскадного сжигания топлива, образованная установленной на входе в насадку крышкой с отверстиями и сопряженными цилиндрическим участком с наклонными отверстиями и коническим участком с отверстиями насадки, а к насадке на выходе жестко прикреплено цилиндрическое сопло с кольцевыми, рядными отверстиями, на части сопла ограниченной задней крышкой воздухоподающего корпуса, коаксиально конической части насадки и соплу установлена обечайка, на цилиндрической части которой имеются отверстия, при этом на цилиндрической части насадки и стенке воздухоподающего корпуса выполнены отверстия связывающие через пламенную трубку внутреннюю полость цилиндрической части насадки с открытым пламенем факела пилотной горелки, согласно полезной модели на конической части насадки в отверстия встроены клапаны с биметаллическим приводом кинематически связанным с конической частью насадки; при этом при лучших вариантах реализации предлагаемого горелочного устройства наклонные отверстия цилиндрической части насадки и газовой трубки выполнены со спиральной накаткой при оппозитном их размещении; оси упомянутых отверстий, размещенных на конической части насадки смещены в сторону меньшего основания конуса на расстояние 0,5-0,7 длины образующей конуса.
За счет регулирования при помощи клапана с биметаллическим приводом объема поступающего рециркулята, обеспечивающего тепло-газодинамический режим горения, интенсификации процесса смешения в оппозитных вращающихся струях газа и воздуха, снижения содержания оксида углерода в продуктах сгорания, а также вследствие существенного упрощения устройства обеспечивается улучшение стабилизационных характеристик процесса горения, его надежность и экономичность, облегчится настройка газодинамических параметров, исключится возможность появления непрогнозируемых режимов при переходных процессах работы горелочного устройства. Как показали проведенные нами эксперименты, вследствие того, что оси отверстий, размещенных на конической части насадки смещены в сторону меньшего основания конуса на расстояние 0,5-0,7 длины образующей конуса обеспечиваются оптимальные условия для регулирования объема подаваемого рециркулята в зону каскадного горения для поддержания газодинамического равновесия.
На чертеже представлено горелочное устройство, содержащее воздухоподающий корпус 1, установленную по оси корпуса 1 и заглушенную с выходного торца газовую трубку 2 с выпускными наклонными отверстиями 3 со спиральной накаткой, внутри газовой трубки 2 врезана перпендикулярно оси воздушная трубка 4 с соосным отводом 5, соосно размещена насадка 6.В полости насадки 6 выполнена камера смешения и каскадного сжигания топлива, образованная плоской круглой крышкой 7 с отверстиями 8 и сопряженным цилиндрическим участком 9 с наклонными отверстиями со спиральной накаткой 10 оппозитными к наклонным отверстиям 3 со спиральной накаткой газовой трубки 2 и коническим участком 11 с отверстиями 12, в которые встроены клапаны 13 с биметаллическим приводом 14. Насадка 6 на выходе снабжена цилиндрическим соплом 15 с кольцевыми рядными отверстиями 16 на части сопла 15 ограниченной задней крышкой 17 воздухоподающего корпуса 1. Во внутренней полости воздухоподающего корпуса 1 сооосно вокруг сопла 15 с зазором установлена обечайка 18 образованная сопряженными коническим участком 19 без отверстий и цилиндрическим участком 20 с отверстиями 21. На цилиндрической 9 части насадки 6 и стенке воздухоподающего корпуса 1 выполнены отверстия 22, 23, связывающие через пламенную трубку 24 внутреннюю полость цилиндрического участка 9 насадки 6 с открытым пламенем факела пилотной горелки (не показана).
Горелочное устройство работает следующим образом.
Газ, поступающий по газовой трубке 2, через наклонные отверстия 3 со спиральной накаткой разбивается на мелкие вращающиеся с высокой кинетической энергией струи и поступает во внутреннюю полость насадки 6, куда через оппозитно размещенные наклонные отверстия 10 также со спиральной накаткой в противоходе к газовым струям поступает воздух, разделенный на мелкие вращающиеся с высокой кинетической энергией струи, подаваемый через воздухоподающий корпус 1 и отверстия 21 обечайки 18. Часть воздуха через воздушную трубку 4-5, отверстия 8 поступает дополнительно в зону каскадного сгорания газа насадки 6, во внутренней полости которой образуется газовоздушная смесь, поджигаемая открытым пламенем факела пилотной горелки (не показана) через пламенную трубку 24.
Продукты каскадного сгорания газа поступают в конический участок 11 насадки 6 и далее через сопло 15, в котором происходит дожигание продуктов сгорания за счет поступания воздуха через отверстия 16 сопла 15 и дальше в топочное пространство печи. Часть продуктов сгорания поступает через отверстия 12 конического участка 11 насадки 6 и их количество регулируется клапанами 13 с биметаллическими приводами 14, причем с повышением температуры продуктов сгорания клапаны 13 прикрываются, с понижением температуры открываются. Таким образом наличие клапанов 13, управляемых биметаллическим приводом 14, с которым они связаны посредством соединения друг с другом, повышает стабильность горения газа в горелочном устройстве.