Газовая горелка низкого давления с активной воздушной струей

 

Использование: в области энергетики, в частности для смешения и сжигания смесей газообразного топлива с воздухом. Сущность: трубопровод выхода смеси выполнен с постоянным сечением и снабжен на выходе полым насадком, торцевые стенки смесителя выполнены отражающими волну, при этом длина l смесителя равна l=1/2λ₂, диаметр D смесителя равен , длина l₁ трубопровода вместе с насадком равна l₁=λ₂, а λ₂=C₂/f₂ , где λ₂ - длина звуковой волны в кислороде подогретого сжатого воздуха; С₂ - скорость звуковой волны в кислороде подогретого сжатого воздуха при температуре, равной 80^oС, и давлении равном Р 0,35 мПа или 150^oС, и давлении Р 0,25 мПа, м/с; f₂ - частота периодов звуковой волны источника сжатого воздуха, Гц; при λ₂/λ₅=1 длина λ₅ звуковой волны природного газа по метану где С₅ - скорость звуковой волны природного газа по метану без подогрева при температуре, равной t₁= 20^oС и давлении, равном Р=0,35 мПа или Р=0,25 мПа, м/с; Р - оптимально-расчетный параметр внутрикамерного импульсного избыточного, относительно 101325 Па, давления. 2 ил.

Изобретение относится к области смешения и сжигания физических смесей газообразного топлива с воздухом в технологических цепях нефтеперерабатывающей, нефтехимической промышленности, тепловой энергетике, металлургии.

Известно устройство для смешения и сжигания потока сжатого воздуха и эжектируемого им потока газа в камерах смешения, выполненных в корпусах газовых горелок с активной воздушной струей. (Иванов Ю.В. Газогорелочные устройства. М. Недра, 1972, стр. 82, рис. 2 38).

Известно устройство для смешения и сжигания газа низкого давления и эжектируемого им воздуха в камерах смешения, выполненных в корпусах атмосферных горелок (там же, стр.56 57 рис.2 19, 2 20).

Наиболее близкой по технической сущности заявленному является газовая горелка по а.с. 1657870 Мкл. Fz 23 В 14/00, 199 г.

Однако известное техническое решение имеет недостатки: для транспортирования топлива в камеру смешения используется эжекция струи сжатого воздуха, но так как эжекция энергетически слаба и значительно проявляется при больших давлениях и скоростях воздушного потока, в связи с чем неизбежен избыточный балластный воздух, потери тепла с отходящими газами. Процесс смешения топлива и воздуха использует кинетическую энергию удара движущегося потока воздуха, но так как масса воздуха незначительна, процесс идет на низком энергетическом уровне, в связи с чем поток смесей имеет недисперсную, струйную или завихренную структуру при низкой скорости горения, низкой температуре пламени и значительной длине факела. Неизбежен недожиг топлива и выделение СО в атмосферу. На низких скоростях движения воздушного потока процесс эжекции, смешения и сжигания топлива плохо управляем. Примитивный струйный способ смешения удлиняет процесс, во время и при больших значениях скорости потока требуется значительной длины камера и устройство.

Предварительный нагрев газа и воздуха в рекуператорах, с целью увеличения производства тепла в топках, в связи с низкой теплоемкостью и незначительной массой веществ малоэффективен и при низком необоснованном и бессистемном его применении в связи с тем, что температурное воздействие на топливо меняет параметры резонанса волн потоков, их волновые взаимосвязи и условия возникновения и слияния струй, ухудшая параметры эффективного горения. Чрезмерный и бессистемный прогрев природного газа без доступа воздуха сдвигает стартовые параметры воспламенения смеси, создавая условия для проскока пламени в камеру смешения, и ставят газ на грань разложения с выделением сажи.

Целью заявленного технического решения является получение тонкодисперсных, на молекулярном уровне, химически активных при горении воздушно-газовых топливных смесей в одноструктурном, с подавленной струйностью потока, однообразном по содержанию газа и воздуха в единице объема и на основе этого повышение теплопроизводительности горелки за счет увеличения скорости горения смеси и температуры пламени, снижения недожига топлива и выделения СО.

Указанная цель достигается тем, что кинетическое взаимодействие потоков веществ, разных по физическим параметрам, выраженное в соударении потоков под разными углами атаки, в эжекции, завихрении, турболизации потоков, совместно с естественной диффузией веществ, логически переходит в волновую взаимосвязь, в результате чего маломощная и слабоуправляемая на низких скоростях потока эжекция заменяется волновым вакуумным насосом; внешним температурным воздействием и внутрикамерным давлением компоненты смеси в потоках, разных по физическим волновым параметрам, вводятся в кратные волновые резонансные взаимоотношения; границы потоков и струй в потоках исчезают струи сливаются, механическая вибрация, возникающая в результате острого волнового резонанса рабочих волнопотоков, и естественная диффузия веществ завершают процесс смешивания, приводя воздушно-газовые смеси в едином потоке в состояние, заявленное целью изобретения.

На фиг.1 изображена горелка низкого давления; на фиг.2 камера смешения в волновом соотношении размеров.

В состоянии статики аппарат имеет элементы конструкции и связи: смеситель горелки 1 цилиндрическая пустотелая полость с прямолинейной геометрической осью, ее торцевые противоположные плоскости, отражающие волну, перпендикулярны к оси камеры. Подвод сжатого воздуха в камеру осуществлен трубопроводом 2 через пневмодроссель 3 продольно геометрической оси камеры. Подвод газа осуществлен газопроводом низкого давления 4 под углом 90^o к потоку воздуха через газовый дроссель 5 и 6 симметрично расположенных в диаметральной плоскости, равноудаленно от торцовых стенок, отверстий. Камера смесителя 1 через дроссель смеси 7 сообщена с оребренным трубопроводом смеси 8, переходящим в сопло 9 насадка горелки, снабженного плоской цилиндрической стабилизирующей решеткой 10. Вторичный воздух через регулятор 11 эжекцией факела поступает под кожух 12 и далее, обтекая трубопровод смеси и сопло, в устье факела пламени, увеличивая возможности регулирования соотношения газ/воздух.

При открытии запорной арматуры воздушный поток, возбужденный источником сжатого воздуха, через рекуператор подогрева первичного воздуха поступает в трубопровод 2 и через пневмодроссель 3, смеситель 1, дроссель смеси 7, трубопровод смеси 8, сопло 9, стабилизирующую решетку 10, преодолевая сопротивление воздушно-газового тракта, в топку. В связи с тем, что сопротивление воздушно-газового тракта горелки сравнительно незначительно, в камере отмечается расчетное падение давления относительно номинала давления. Перепад давления в системе вызывает движение движение возбуждает физическую, кинетическую волну. Камера, имеющая волновые признаки, пустотелая, открытая с обеих сторон полость, с прямолинейной геометрической осью; с торцовыми отражательными плоскостями, перпендикулярными геометрической оси, с подводом сжатого воздуха и выводом смеси по геометрической оси камеры, продольно, имея проходящую кинетическую волну, становится генератором собственных колебаний волны 1 (фиг.2), равной удвоенной длине камеры λ 2l; из общеволновой зависимости или 2l=v/f₁, где v физическая, регулируемая скорость воздушного потока, f₁ переменная, зависимая от скорости потока и длины камеры, величина частота пульсации камеры (для системы низкого давления и низких скоростей расчетная f₁≅20 Гц) и залегает по форме N 1 (фиг.2), при которой узел волны расположен в средней части камеры, в точке R-r пересечения оси подвода сжатого воздуха с осью подвода газа, что и определяет волновое падение давления в точке R-r камеры.

Газовый поток, используя свое давление и подсос, вызванный волновым разрежением в зоне R-r камеры, через газовый коллектор и газовпускные отверстия заполняет, за время импульса падения давления в камере, определенный неизменный объем.

Внедренная в потоке сжатого воздуха доза газа смещается в зону острого резонанса, подвергается воздействию высокочастотной, за счет энергии резонанса волн, механической объемной вибрации и через дроссель смеси выбрасывается в трубопровод смеси.

Производительность "газового элеватора" определяется частотой пульсации камеры при том, что частота пульсации f₁=v/2l зависима от скорости потока, ввиду чего от О-скорости потока до v_max, ограниченной f₁≅20 Гц горелка управляема от 0 до 100% расчетной производительности тепла.

v(0 _→ max)=2l·f₁(0 _→ 20 Гц) В объеме аппарата, заполненным сжатым воздухом, через открытую арматуру действует основная ударная продольная звуковой частоте пневматическая волна 2 (фиг.2) длиною волны , где: С₂ скорость звуковой волны в кислоте воздуха; f₂ частота периодов волны, задаваемая источником сжатого воздуха.

В объеме аппарата через открытую газовую запорную арматуру действует волна газового потока, возбуждаемая источником сжатого газа. В связи с тем, что газовый поток подведен в камеру под углом 90^o, волна газового потока, не являясь продольной волной, в резонанс с продольными волнами пневматического потока не вступает, затухает в собственном резонансе.

При соударении воздушного и газового потока в камере возбуждается волна 3 (фиг. 2) газового потока , где: С₅ скорость звуковой волны в потоке газа; f₂ частота периодов звуковой волны, задаваемая источником сжатого воздуха.

Смешение потоков веществ, разных по физическим, прежде всего волновым параметрам, возможно при совмещении этих параметров согласно общеволновому закону кратностей в единую периодическую синусоидную волну потока.

Условия резонанса основных волн: и λ₂/λ₅=1/8; 1/4; 1/2; 1; 2; 3 и т.д., откуда C₂/f₂ С₅/f₂=1/8; 1/4; 1/2; 1; 2; 3 и т.д. или С₂/C₅=1/8; 1/4; 1/2; 1; 2; 3 и т.д. Условия волнового смешения веществ скорости звуковой (ультразвуковой) волны в веществах, подлежащих смешению, должны быть равны или же кратны. Скорости звуковой волны в газах и жидкостях в чистом виде или же смесях являются физическими постоянными (при определенных условиях) величинами и изменяются при изменении условий обитания волны. К условиям обитания волны относятся температура среды, давление среды. Имея целью изобретения слияние струй окислителя и топлива и эффективное, на молекулярном уровне, смешение потоков, волновой расчет ведется по кислороду воздуха и газообразному топливу из общеволновой зависимости где: λ₂ длина звуковой волны в кислороде предварительно подогретого воздуха, м; С₂ скорость звуковой волны в кислороде предварительно подогретого до (t= 80^oС) или (150^oС) сжатого воздуха и подвергнутого давлению (Р=0,35) или (0,25) МПа в объеме камеры, м/с; f₂ частота периодов волны источника сжатого воздуха, Гц; λ₅ длина звуковой волны в газообразном топливе, м; С₅ скорость звуковой волны в газообразном топливе при t₁=20^oС (без подогрева), подвергнутого давлению Р=0,35 или 0,25 МПа в объеме камеры, м/c.

Для иных условий возникновения звуковой волны просчет волновых зависимостей производят по формуле , где: С₂ при 0^oС; 101325 Па скорость звуковой волны в кислороде атмосферного воздуха (справочная), м/с;
С₅ при 0^oС; 101325 Па скорость звуковой волны в газообразном топливе (справочная), м/с;
К_т коэффициент изменения скорости звуковой волны в кислороде сжатого воздуха на единицу температуры, м;
K¹_т коэффициент изменения скорости звуковой волны в газообразном топливе на единицу температуры, м;
K_р коэффициент изменения скорости звуковой волны в кислороде сжатого воздуха на единицу давления, м;
K¹_p коэффициент изменения скорости звуковой волны в газообразном топливе на единицу давления, м;
Р оптимально-расчетный параметр внутрикамерного импульсного избыточного (+) относительно 101325 Па давления;
t температура сжатого воздуха, ^oС;
t₁ температура газообразного топлива, ^oС;
f₂ частота периодов звуковой волны источника сжатого воздуха, Гц.

При определенных условиях ввиду того, что параметры С₂ при 0^oС; 101325 Па и C₅ при 0^oС; 101325 Па уже несут в себе подвижку звуковой волны на единицу давления (0 101325 Па) элементы (К_р · Р) и (K¹_p · Р) из формул извлекаются

при соблюдении условий резонанса λ₂/λ₅=1/8; 1/4; 1/2; 1; 2; 3 и т.д. При подборе пар газов для смешения (кислород газообразное топливо) руководствуются условиями резонанса С₂/C₅=1/8; 1/4; 1/4; 1; 2; 3 и т.д.

Определение выбора соотношения размеров.

В связи с тем, что источник сжатого воздуха, магистральный трубопровод, пневматический и газовый контуры горелки имеют единую волновую связь, выбор размеров элементов конструкции производится в соотношении к длине рабочей волны 2 длиною λ₂. По условиям резонанса длина колебательных элементов системы должна быть равна длине рабочей полуволны или же ее кратной.

Для горелок низкого давления (500 700 кгс/м²) по газу и (2,5 - 3,5 кгс/см²) по воздуху с начальной скоростью движения воздушного потока v=3,2 м/с при фиксированной, по верхнему пределу расчетной частоте пульсации камеры f₁ ≅ 20 Гц подобрана камера, создающая импульс разрежения (R r), имеющая свойства подсоса и размеры (кратная 1/2), где l длина камеры волнового смешения, при
при λ₂/λ₅=1/8; 1/4; 1/2; 1; 2; 3 и т.д.
где .

Точка R r подвода газа осуществлена в узел кинетической волны 1, т.к. она энергетически выгодна, в связи с тем, что расположена в зоне волнового разрежения и находится на расстоянии равноудаленно от торцовых отражающих плоскостей l₂=1/4λ₂.

Трубопровод вывода смеси имеет волновую связь и длину l₁=λ₂ (кратная 1). Форма камеры и трубопровода цилиндрическая так как труба является самым экономичным волноводом. Производительность горелки определяется
, Q_{расх.опт.}7,2 м³/ч
откуда ,
где: l длина камеры, м;
f₁ частота пульсации системы, Гц;
(для предлагаемого устройства f₁ ≅ 20 Гц; D диаметр камеры при расчете полученный результат приводится к величине, кратной рабочей волне. Для предлагаемого устройства диаметр камеры волнового смешения D=1/4λ₂ (кратная 1/4).

Диаметры дросселей (3 и 7 фиг.1), принятые как условно-проходные дифракционные отверстия, определяются из соотношения объема расходуемых смесей, тем самым мощности горелки, внутрикамерной скорости потока, дисперсности смеси, скорости выброса факела опытным путем, подбором сменных элементов.

Формула изобретения

Газовая горелка низкого давления с активной воздушной струей, содержащая газовый коллектор с дросселем, цилиндрический смеситель с торцевыми стенками, перпендикулярными продольной оси горелки, в которых выполнены пневмопускное отверстие для подачи первичного воздуха и отверстие выхода смеси, в середине боковой стенки смесителя выполнены радиальные отверстия, сообщающие полости смесителя и газового коллектора, трубопровод выхода смеси, подсоединенный к смесителю, кожух для подачи вторичного воздуха, расположенный с зазором вокруг трубопровода, отличающаяся тем, что трубопровод выхода смеси выполнен с постоянным сечением и снабжен на выходе полым насадком, торцевые стенки смесителя выполнены отражающими волну, при этом длина смесителя равна l = 1/2·λ₂, диаметр смесителя равен D = 1/4·λ₂, длина трубопровода вместе с насадком равна l₁= λ₂, a λ₂= c₂/f₂, где λ₂ длина звуковой волны в кислороде подогретого сжатого воздуха, м; с₂ скорость звуковой волны в кислороде подогретого сжатого воздуха при 80^oС и 0,35 мПа или 150^oС и 0,25 мПа, м/с; f₂ частота периодов звуковой волны источника сжатого воздуха, Гц; при λ₂/λ₅ = 1, длина звуковой волны природного газа по метану равна где с₅ скорость звуковой волны природного газа по метану без подогрева при 20^oС и 0,35 или 0,25 мПа, м/с; Р оптимально-расчетный параметр внутрикамерного импульсного избыточного относительно 101325 Па давления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2