Скоростная горелка
HIGH-SPEED BURNER

Изобретение относится к теплотехнике, в частности, к устройствам для сжигания газообразного топлива и может быть использовано в системах отопления сушильных, нагревательных, термических печей и других нагревательных устройств.
Известна скоростная горелка, содержащая перфорированную цилиндрическую камеру сгорания с установленными в центре торцевой стенки газоподводящим узлом с расходящимися под углом сопловыми отверстиями, оси которых пересекаются на оси горелки в одной точке, и стабилизатор горения, который выполнен с полусферической поверхностью, центр которой расположен в точке пересечения осей сопел (см. а.с. СССР №559069, М. кл. F23D 13/00 от 25.05.1977) [1].
Данная скоростная горелка позволяет получить скорость истечения продуктов сгорания газового топлива из огнеупорного сопла до 200 м/с, что способствует активизации движения греющей газовой среды и ее рециркуляции в рабочей камере нагревательного устройства. Недостатком устройства [1] является высокая температура поверхностей стенок камеры сгорания и огнеупорного сопла, соприкасающихся с продуктами сгорания газового топлива и, как следствие, его малая надежность и долговечность.
3
Такой же недостаток имеет и известная скоростная газовая горелка (см. патент РФ №2378573, М. кл. F23D 14/00 от 10.01.2010) [2], которая позволяет получать скорость истечения продуктов сгорания из огнеупорного сопла до 160 м/с. Общим недостатком известных устройств [1, 2] является и то, что они могут работать лишь при относительно малых расходах сжигаемого топлива. Так, номинальный расход топливного газа для скоростной газовой горелки [2] составляет 15 м/ч, что ограничивает ее тепловую мощность.
Отмеченные недостатки известных устройств [1, 2] обусловлены тем, что горение топлива осуществляется внутри горелки, так как камера сгорания размещена в корпусе горелки. Данные особенности и недостатки присущи и другим известным высокоскоростным горелкам с полным предварительным смешением топливного газа и воздуха (см. Высокотемпературные теплотехнологические процессы и установки, И.И. Перелетов, Л.А. Бровкин, Ю.И. Розенгард и др.; Под ред. А.Д. Ключникова. М.: Энергоатомиздат, 1989. с. 272, рис. 10.6) [3].
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности является горелка для природного газа, содержащая цилиндрический корпус с входным воздушным патрубком, примыкающий к цилиндрическому корпусу цилиндро-конический насадок из жаростойкого материала, расположенный внутри цилиндрического корпуса газовый канал, соединенный одной своей стороной с входным газовым патрубком, а на противоположной стороне газового канала, обращенной к цилиндро-коническому насадку, его торцевая стенка имеет сопловые отверстия для выхода топливного газа, причем цилиндрический корпус, цилиндро-конический насадок и газовый канал имеют одну общую ось (см. Иванов Ю.В. Газогорелочные устройства, 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1972. с. 97, рис. 2.43,6) [4] - прототип.
В известном устройстве [4] осуществляется подготовка топливно-воздушной смеси, а горение топлива осуществляется за срезом цилиндро-конического насадка в объеме рабочей камеры нагревательного устройства. Так как горение топлива вынесено за пределы внутреннего объема горелки, то температура ее элементов не высока, что положительно сказывается на надежности и долговечности горелки. Недостатком устройства [4] является низкая единичная тепловая мощность горелки, обусловленная малым номинальным расходом топливного газа, а также невозможность перемещать факел горения топлива в пространстве рабочей камеры нагревательного устройства. Перемещение факела горения топлива особенно важно для организации в той или иной мере внутренней рециркуляции продуктов сгорания топлива в рабочих камерах нагревательных устройств и регулирования распределения тепловой нагрузки по площади поверхности нагрева.
Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в повышении единичной тепловой мощности скоростной горелки и в обеспечении возможности перемещения факела горения топлива в рабочей камере нагревательного устройства.
Сущность изобретения заключается в том, что скоростная горелка, содержащая цилиндрический корпус с входным воздушным патрубком, примыкающий к цилиндрическому корпусу цилиндро-конический насадок из жаростойкого материала, расположенный внутри цилиндрического корпуса газовый канал, соединенный одной своей стороной с входным газовым патрубком, а на противоположной стороне газового канала, обращенной к цилиндро-коническому насадку, его торцевая стенка имеет сопловые отверстия для выхода топливного газа, причем цилиндрический корпус, цилиндро-конический насадок и газовый канал имеют одну общую ось, газовый канал выполнен кольцевым, на его стороне, обращенной к цилиндро-коническому насадку, имеются трубчатые радиальные отводы, соединенные с кольцевым трубчатым коллектором, на трубчатых радиальных отводах и кольцевом трубчатом коллекторе имеются сопловые отверстия для выхода топливного газа, цилиндро-конический насадок своей цилиндрической частью одет на цилиндрический корпус с возможностью относительного перемещения и имеет радиальные проставки, соединяющие его со ступицей, закрепленной с помощью фиксатора на конце трубчатой консоли, расположенной внутри кольцевого газового канала соосно с ним, внутри трубчатой консоли размещены электроды розжига и контроля пламени, на внутренней стенке газового кольцевого канала закреплены упоры, ограничивающие радиальные перемещения трубчатой консоли, со стороны расположения входных газового и воздушного патрубков установлены сальниковые уплотнения зазоров между внутренней стенкой кольцевого газового канала и трубчатой консолью, а также между трубчатой консолью и электродами розжига и контроля пламени.
В отличие от известного устройства [4], выполнение газового канала кольцевым, наличие на его стороне, обращенной к цилиндро-коническому насадку, трубчатых радиальных отводов, соединенных с кольцевым трубчатым коллектором, имеющиеся на трубчатых радиальных отводах и кольцевом трубчатом коллекторе сопловые отверстия для выхода топливного газа, а также то, что цилиндро-конический насадок своей цилиндрической частью одет на цилиндрический корпус с возможностью относительного перемещения и имеет радиальные проставки, соединяющие его со ступицей, закрепленной с помощью фиксатора на конце трубчатой консоли, расположенной внутри кольцевого газового канала соосно с ним, позволяют повысить единичную тепловую мощность скоростной горелки и обеспечить возможность перемещения факела горения топлива в рабочей камере нагревательного устройства. Повышение единичной тепловой мощности скоростной горелки обусловлено большим количеством сопловых отверстий для выхода топливного газа, расположенных на торцевой стенке кольцевого газового канала, на трубчатых радиальных отводах и кольцевом трубчатом коллекторе, что дает возможность подавать в горелку большие расходы топливного газа. Рассредоточенность сопловых отверстий по всему поперечному сечению цилиндрического корпуса способствует интенсификации процесса смешения топливного газа с подаваемым на горение потоком воздуха. Активизирует смесеобразование при работе скоростной горелки и наличие вихревых зон с обратными токами и высокой турбулентностью, образующихся в потоке воздуха за плохообтекаемыми трубчатыми радиальными отводами и кольцевым трубчатым коллектором. В сечении выхода из конфузорной части цилиндро-конического насадка газовоздушный поток полностью подготовлен для зажигания. Перемещение факела горения топлива в рабочей камере нагревательного устройства обеспечивается путем изменения положения цилиндро-конического насадка, связанного через радиальные проставки и ступицу, снабженную фиксатором, с трубчатой консолью. Перемещая в осевом направлении трубчатую консоль, можно соответственно регулировать вылет цилиндро-конической насадки, корня истекающей из нее газовоздушной струи и положение факела горения топлива.
Наличие закрепленных на внутренней стенке газового кольцевого канала упоров, ограничивающих радиальные перемещения трубчатой консоли, обеспечивает осевое центрирование трубчатой консоли и цилиндро-конической насадки при различных их положениях в осевом направлении. Размещение электродов розжига и контроля пламени внутри трубчатой консоли позволяет вывести рабочие органы электродов в центр истекающей из цилиндро-конической насадки газовоздушной струи, что повышает надежность их функционирования. Наличие сальниковых уплотнений зазоров между внутренней стенкой кольцевого газового канала и трубчатой консолью, а также между трубчатой консолью и электродами розжига и контроля пламени обеспечивает газоплотность скоростной горелки, исключает как подсосы воздуха в рабочую камеру нагревательного устройства, так и выбивание из рабочей камеры продуктов сгорания топлива. При этом сохраняется возможность относительного и независимого осевого перемещения трубчатой консоли с цилиндро-коническим насадком и электродов розжига и контроля пламени, что важно для регулировки и наладки рабочего режима скоростной горелки и нагревательного устройства, на котором она установлена.
Кроме того, наличие сальниковых уплотнений, а также съемной ступицы с фиксатором на конце трубчатой консоли упрощает технологии сборки и разборки скоростной горелки в процессах ее изготовления и ремонта.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом [4] показывает, что заявляемое решение соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
Известные технические решения [1, 2, 3] с камерой сгорания, расположенной внутри цилиндрического корпуса горелки, могут работать лишь при малых расходах топливного газа. Стенки камеры сгорания подвержены риску прогара. Отсутствует возможность перемещения в осевом направлении цилиндро-конического насадка, из конфузорной части которого вытекает расширяющаяся газовоздушная струя, а, следовательно, и возможность регулирования положения струи газов в рабочей камере нагревательного устройства.
На фиг. 1 приведен осевой разрез предлагаемой скоростной горелки; на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1.
Скоростная горелка содержит цилиндрический корпус 1 с входным воздушным патрубком 2. Внутри цилиндрического корпуса 1 расположен кольцевой газовый канал 3, одной своей стороной соединенный с входным газовым патрубком 4, а с другой стороны имеет трубчатые радиальные отводы 5, которые соединены с кольцевым трубчатым коллектором 6. На торцевой стенке 7 кольцевого газового канала 3, трубчатых радиальных отводах 5 и кольцевом трубчатом коллекторе 6 имеются сопловые отверстия 8 для выхода топливного газа. На цилиндрический корпус 1 одет цилиндро-конический насадок 9, который посредством радиальных проставок 10 соединен со съемной ступицей 11. Ступица 11 с помощью фиксатора 12 закреплена на трубчатой консоли 13, расположенной внутри кольцевого газового канала 3. Внутри трубчатой консоли 13 размещены электроды розжига и контроля пламени 14. На внутренней стенке газового канала 3 закреплены упоры 15, ограничивающие радиальные перемещения трубчатой консоли 13. Со стороны расположения входных газового 4 и воздушного 2 патрубков в зазоре между внутренней стенкой кольцевого газового канала 3 и трубчатой консолью 13 установлено сальниковое уплотнение 16, а в зазоре между трубчатой консолью 13 и электродами розжига и контроля пламени 14 установлено сальниковое уплотнение 17.
Скоростная горелка закрепляется на стене рабочей камеры нагревательного устройства с помощью фланцевой плиты 18.
Скоростная горелка работает следующим образом.
Топливный газ через входной газовый патрубок 4 поступает в кольцевой газовый канал 3 и далее - в трубчатые радиальные отводы 5 и кольцевой трубчатый коллектор 6. Через сопловые отверстия 8 на торцевой стенке 7 кольцевого газового канала 3, на трубчатых радиальных отводах 5 и кольцевом трубчатом коллекторе 6 большим количеством малых струек топливный газ истекает в цилиндро-конический насадок 9. Туда же из входного воздушного патрубка 2 через цилиндрический корпус 1 кольцевым потоком, формируемым стенками корпуса 1 и газового канала 3, поступает воздух. За счет большой площади поверхности контакта множества газовых струек с воздухом, наличия вихревых зон за плохообтекаемыми трубчатыми радиальными отводами 5 и кольцевым трубчатым коллектором 6, высокой турбулентности потока воздуха, топливный газ и воздух в цилиндро-коническом насадке 9 хорошо перемешиваются. Подготовленная к горению газовоздушная смесь через конфузорную часть цилиндро-конического насадка 9 с высокой скоростью, существенно превышающую скорость распространения пламени, вытекает в рабочую камеру нагревательного устройства, где поджигается с помощью электродов розжига 14. Положение вытекающей газовоздушной струи, а, соответственно, и факела в рабочей камере нагревательного устройства устанавливается путем перемещения в осевом направлении трубчатой консоли 13, соединенной через съемную ступицу 11 с фиксатором 12 и радиальные проставки 10 с цилиндро-коническим насадком 9. Перемещение таким образом цилиндро-конического насадка 9 относительно цилиндрического корпуса 1 позволяет при наладке достичь необходимых условий и характеристик тепловой работы нагревательного устройства, на котором установлена скоростная горелка. Трубчатая консоль 13 и упоры 15 имеют минимальные зазоры между собой, достаточные для свободного осевого перемещения трубчатой консоли и исключающие радиальные ее перемещения выше допустимых. Возможность осевого независимого перемещения трубчатой консоли 13 и электродов розжига и контроля пламени 14 при наладке и одновременно герметизация внутреннего пространства скоростной горелки от внешней атмосферной среды обеспечивается наличием сальниковых уплотнений 16 и 17.
Скоростная горелка имеет хорошую доступность к ее элементам при необходимости проведения ремонтных работ. При замене, например, цилиндро-конического насадка 9, скоростная горелка с фланцевой плитой 18 извлекается из проема в стене рабочей камеры нагревательного устройства, фиксатор 12 приводится в положение позволяющее снять ступицу 11 с трубчатой консоли 13. Далее осуществляется операция снятия с трубчатой консоли 13 ступицы 11 вместе с жестко соединенными с ней радиальными проставками 10 и цилиндро-коническим насадком 9. Монтаж заменяющего цилиндро-конического насадка производится при выполнении названных действий в обратном порядке.
Примером предлагаемой скоростной горелки может служить ее исполнение, когда малый диаметр конфузорной части цилиндро-конического насадка равен 0,1 м, а скорость выхода газовоздушной смеси из насадка 110 м/с. Тепловая мощность такой горелки составляет 4 МВт.
Преимуществами предлагаемой скоростной горелки являются:
- широкий диапазон единичной тепловой мощности и возможность работы с большой единичной тепловой мощностью;
- возможность перемещать в осевом направлении цилиндро-конический насадок и тем самым управлять положением истекающей из горелки газовоздушной струи и факела пламени в рабочей камере нагревательного устройства в процессе наладки и эксплуатации;
- высокая ремонтопригодность;
- повышенная надежность работы.