Диффузионно-вихревая газовая горелка
DIFFUSION VORTEX GAS BURNER

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для сжигания углеводородного топлива (газообразного, пылевидного, жидкого или их комбинации) в промышленных печах и в других тепловых агрегатах.
Известны горелки типа «ГВ» для сжигания газообразного топлива, содержащие диффузор, газовый коллектор, регистр, корпус, воздушный завихритель, шибер и воздуховод. В этих горелках топливный газ через отверстия газового коллектора поступает в центральный поток воздуха закрученный после завихрителя и переферийные прямоточные воздушные потоки в которых происходит смешение и далее вся газовоздушная смесь воспламеняясь сгорает в амбразуре [Ентус Н.Р., Шарихин В.В. Трубчатые печи в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности - М.: «Химия», 1987 г., стр. 50, рис. 11-6].
Недостатками известных горелок являются: повышенная тепловая нагрузка фронтовой стены топки, что ведет к разрушению амбразур и самих горелок; повышенное аэродинамическое сопротивление (больше чем в прямоточных газогорелочных устройствах), и соответственно повышенный расход энергии на собственные нужды; малые пределы регулирования тепловой мощности горелки, так как на всех режимах требуется повышенное давление воздуха из-за большого аэродинамического сопротивления завихрителя. Кроме того, вихревые горелки не обеспечивают полного сгорания топлива при пониженных нагрузках.
Известны прямоточные газогорелочные устройства. Например, в щелевой прямоточной горелке для сжигания природного газа, воздух через короб в котором установлены направляющие листы поступает в амбразуру выполненную в виде вертикальной щели, из вертикальных коллекторов для подвода газа через два ряда сопл газ мелкими струями вытекает в воздушный поток [Хзмалян Д.М., Каган Я.А. Теория горения и топочные устройства - М.: «Энергия», 1976 г., стр 203, рис. 11-9].
Известное газогорелочное устройство имеет следующие недостатки. Неравномерное распределение температур по поверхности нагрева из-за увеличенной длины факела, недостаточно полное сгорание газа из-за неравномерного распределения газа в потоке воздуха и их смешения, а также трудности в стабилизации факела, которая осуществляется за счет больших объемов зоны рециркуляции в топочном пространстве, а это связано с трудностью запуска огневого агрегата.
Наиболее близким аналогом (НБА) является ГАЗОГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО [3:Басалыгин М.Я., Крыжановский В.Н., Подгорецкий Е.В.. Патент России RU №2315909 опубл. 27.01.2008 Бюл. №3.] включающее прямоугольный короб с расположенными в нем горизонтальными разделительными перегородками, образующими щелевые воздушные каналы, и коллекторами для подводами газа, разделительные перегородки выполнены полыми в виде обтекаемого тела в поперечном сечении, одна из торцовых сторон которого расположена под углом 90° к горизонтальной стенке перегородки, при этом полости горизонтальных разделительных перегородок соединены с коллекторами для подачи газа, а в горизонтальных стенках разделительных перегородок выполнены газораздаточные отверстия.
Известное газогорелочное устройство (НБА) имеет следующие недостатки.
Увеличение мощности НБА связано с увеличением его линейных размеров т.к. имеются ограничения по мощности связанные с вводом газа через газораздаточные отверстия в горизонтальных стенках разделительных перегородок, связанные с взаимодействием встречных струй газа из расположенных друг напротив друга в разделительных перегородках газораздаточных отверстий. Попытки решить эту проблему путем установки плоской пластины-ограничителя дальнобойности топливных струй поперек струи газа [М.З. Абдулин, А.А. Серый «Исследование устойчивости горения в струйно-нишевой системе при ограничении дальнобойности топливных струй», ISSN 1813-5420 (Print). Енергетика: економiка,  екологiя. 2014. №3.] не дали удовлетворительных результатов. Из-за этого в некоторых областях техники применение НБА является затруднительным.
Настоящее изобретение содержит средства подвода и впрыска для сжигания попутных струй топлива в потоке воздуха, сформированного профилированной поверхностью полых разделительных перегородок, профилированные щелевые воздушные каналы с параллельными ребрами, специальный аэродинамический выступ по середине торцов разделительных перегородок для стабилизации горения диффузионного факела вихрями по обе стороны от выступа.
Более обобщено, настоящее изобретение позволяет повысить удельную мощность, стабильность и качество процесса горения в широком интервале мощностей горения при низком и среднем давлении газа и небольшом аэродинамическом сопротивлении устройства.
Автор настоящего изобретения обнаружил, что для повышения удельной мощности и улучшения качества горения углеводородного топлива его можно сжигать впрыскивая попутными струями в поток воздуха профилированных щелевых воздушных каналов, сформированных профилированной поверхностью параллельными ребрами полых разделительных перегородок таким образом, что образовавшиеся струи топливо-воздушной смеси будут прижаты основным воздушным потоком к торцам разделительных перегородок и далее топливо-воздушная смесь сгорает в диффузионном факеле, горение которого стабилизируется вихрями образующимися с двух сторон от центрального аэродинамического выступа, сформированного на торце разделительной перегородки.
Технический результат достигается тем, что диффузионно-вихревая газовая горелка, содержит коллекторы для подвода газа, короб с расположенными в нем горизонтальными или вертикальными разделительными перегородками, образующими щелевые воздушные каналы, разделительные перегородки выполнены полыми в виде обтекаемого тела в поперечном сечении, торцевая сторона обтекаемого тела на выходе горелки расположена под углом 90° к стенке перегородки, при этом полости разделительных перегородок соединены с коллекторами для подачи газа, профилированные поверхности стенок разделительных перегородок сделаны ребристыми таким образом, что ребрами сформированы каналы для обдува воздухом газораздаточных отверстий расположенных в выходных торцах этих ребер, газораздаточные отверстия выпускают газ спутными струями, причем на середине выходного торца обтекаемого тела сформирован аэродинамический выступ для формирования вихрей по обе стороны от выступа. В горелку в зависимости от потребностей при подаче газа для модифицирования его состава дополнительно ставятся форсунки для впрыска воды или водяного пара, а также дополнительно ставятся форсунки для впрыска твердого или жидкого топлива.
Техническим результатом устройства является повышение полноты сгорания газа во всем диапазоне нагрузок горелочного устройства, повышение надежности работы оборудования и соответственно улучшение технико-экономических показателей эффективности сжигания топлива в потоке воздуха, сформированного в профилированных щелевых воздушных каналах.
Возможность осуществления устройства, охарактеризованной приведенной выше совокупностью признаков, а также возможность реализации изобретения может быть подтверждена описанием варианта конструкции устройства, выполненного в соответствии с изобретением, сущность которого поясняется графическими материалами.
На Фиг. 1 и Фиг. 2 показан вид диффузионно-вихревой газовой горелки в 2-х плоскостях.
Обозначение позиций на чертежах:
1 - короб горелки;
2 - коллекторы для подвода газа;
3 - полые разделительные перегородки выполненные в виде обтекаемого тела;
4 - профилированная поверхность стенки разделительных перегородок (ребра);
5 - попутные струи газа;
6 - торцевые стороны разделительных перегородок;
7 - аэродинамический выступ для формирования вихрей;
8 - форсунка;
9 - воздуховод.
Изобретение, охарактеризованное приведенной выше совокупностью признаков, осуществляется следующим образом. В коллекторы для подвода газа (2) поступает горючий газ низкого или среднего давления, одновременно через воздуховод (9) подают воздух в диффузионно-вихревую горелку. Горючий газ через отверстия в ребрах профилированной поверхности (4) стенок разделительных перегородок (3) попутными струями (5) вводится в воздушный поток для диффузионного смешивания, после инициирования горения газо-воздушной смеси с помощью внешнего поджига ее сгорание происходит за выходными торцевыми сторонами (6) разделительных перегородок, причем за счет применения аэродинамического выступа для формирования вихрей (7) по обе его (7) стороны образуются устойчивые вихри из раскаленных продуктов горения газа которые стабилизируют горение газовой горелки в широком диапазоне мощностей горелки. Для модифицирования состава газа или другого углеводородного топлива дополнительно ставятся форсунки (8) для впрыска воды или водяного пара, также для снижения затрат на топливо через форсунки может распыляться порошкообразное твердое или жидкое топливо.
При использовании диффузионно-вихревой газовой горелки аэродинамически стабилизированный вихрями диффузионный факел горения газа диффузионно-вихревой газовой горелки обеспечивает широкий диапазон автоматического управления процессом сжигания с сохранением высоких технико-экономических и экологических показателей во всем объеме регулирования.