Регулятор подачи газа

Изобретение относится к области процессов горения и может быть использовано для регулирования подачи газа и предупреждения аварийных ситуаций. Устройство содержит размещенную на панели газовую горелку в виде заглушенной с торца трубы, на которой одним концом закреплен термоэлемент в виде полосы, расположенной вдоль трубы, другой конец которого соединен с рычагом, фиксирующим положение подачи газа, при этом термоэлемент размещен внутри трубы и выполнен из металла с эффектом памяти формы, а дополнительно установленная контрпружина одним концом закреплена на противоположном от термоэлемента конце рычага, а другим – на панели и совместно с термоэлементом образует систему пары сил, направление вектора момента которой зависит от температуры в зоне расположения термоэлемента. Изобретение позволяет повысить эффективность работы средств управления газовыми горелочными устройствами. 1 ил.

 

Изобретение относится к области процессов горения и может быть использовано в качестве средств регулирования режимов горения и средств защиты.

Известно устройство "Термопривод дымоходной заслонки" (US 5393221, кл. F 23 N 3/00. 28.02.1995), в котором активные элементы (термоэлементы) выполнены из материалов с эффектом памяти формы, обладающих большой величиной изменения линейных размеров при изменении температуры. Один или два термоэлемента в зависимости от отсутствия или наличия запальной горелки размещены над основной и запальной горелкой и с помощью трособлочной системы соединены с подпружиненной заслонкой. В зависимости от комбинации режимов работы основной и запальной горелок заслонка, находящаяся под силовым воздействием термоэлемента в виде пружины, зависящим от тепловых режимов, и под действием постоянно растянутой пассивной пружины совершает повороты между положениями "открыто" и "закрыто" и тем самым выполняет регулирующие функции в автоматическом режиме.

Недостатком этого устройства является неопределенность позиционирования термоэлемента по отношению к пламени горелки. С одной стороны, при значительном удалении термоэлемента от пламени начинает сказываться "фоновый" эффект, связанный с отраженным тепловым излучением от различных деталей горелочного устройства, и термоэлемент будет реагировать на случайные тепловые процессы. С другой стороны, при слишком близком расположении по отношению к пламени термоэлемент, выполненный из сплава с эффектом памяти формы, может потерять свои свойства. Ситуация усугубляется тем, что невозможно обеспечить абсолютную стабильность режима горения, поэтому колебания температуры в пространстве горелочного устройства неизбежны.

Исходя из этих обстоятельств, авторы патента №5393221 использовали для изготовления термоэлемента сплав, который имеет температуру восстановления формы As ниже 60°С. Это означает, что термоэлемент размещается на максимально возможном удалении от пламени, т.к. нижняя граница для него по температуре определена климатическими условиями эксплуатации и составляет по большинству ГОСТов +50°С. Такое соотношение температур ставит очень жесткие условия к работе элементов из сплава TiNi, полный температурный гистерезис которого составляет не менее 20°С. На стремление авторов к максимальному удалению термоэлемента от пламени указывает и тот факт, что, с одной стороны, у сплава TiNi температура As может быть несколько выше 100°С, а с другой стороны, сплав с As 100°C в несколько раз дешевле сплавов с As 60°С.

Другим недостатком является сложность и связанная с ней ненадежность конструкции, обусловленные применением трособлочной системы передачи крутящего момента заслонки.

Известно устройство горелочное для отопительных газовых печей УГОП-II-16 ГОСТ 16569-86. Устройство состоит из размещенной на панели горелки в виде заглушенной с одного конца трубы, над которой расположен термоэлемент, выполненный в виде полосы. Один конец термоэлемента соединен с заглушенным торцом трубы, а другой конец связан с рычагом, фиксирующим различные положения клапана подачи газа.

Недостатком этого устройства является малая надежность вследствие того, что термоэлемент во время работы находится в пламени горелки, что может привести к процессам ползучести материала, из которого изготовлен термоэлемент.

Другим существенным недостатком является значительная металлоемкость термоэлемента, так как его работа основана на эффекте теплового расширения, коэффициент которого имеет малую величину порядка 10^-6.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является регулятор подачи газа SU 627292, кл. F 23 N 5/24. Устройство состоит из размещенной на панели горелки в виде заглушенной с одного конца трубы с огневыми отверстиями. Заглушенный конец трубы соединен со стержнем, взаимодействующим через рычажную систему с заслонкой сопла, через который поступает горючее вещество. Стержень в этой конструкции является пассивным элементом. Активным (с относительно большим коэффициентом расширения) является труба, выполненная из материала, обладающего дилатометрическим эффектом.

Недостатком этого устройства является значительная металлоемкость, так как его работа основана на различии температурных коэффициентов линейного расширения активного и пассивного элементов, имеющих порядок величины от 10^-6 до 10^-5. Другим существенным недостатком является малая долговечность вследствие того, что термоэлемент во время работы не защищен от прямого воздействия пламени горелки. Этот недостаток является следствием особенностей данной конструкции. А именно: термоэлемент выполнен в виде трубы с огневыми отверстиями и во время работы его внешняя поверхность имеет прямой контакт с пламенем в его корневой части. Защищенной от пламени остается только внутренняя поверхность термоэлемента, омываемая газовым потоком. Таким образом, в данной конструкции термоэлемент не находится внутри трубы горелки и не находится в газовом потоке, а лишь соприкасается своей внутренней частью с потоком, что в совокупности с одновременным воздействием пламени на внешнюю поверхность термоэлемента создает температурный градиент в объеме термоэлемента и ведет к его механически напряженному состоянию. Совокупность двух неблагоприятных факторов - прямое воздействие пламени и наличие напряженного состояния из-за температурного градиента приводит, с одной стороны, к развитию термически активируемых процессов разрушения в материале термоэлемента, а с другой, - к увеличению числа внутренних напряжений, что в совокупности увеличивает вероятность разрушения термоэлемента, т.е. ведет к снижению долговечности в целом. Стержень в этом случае выполняет роль фиксатора положения клапана.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение надежности, срока службы, упрощение конструкции и снижение себестоимости.

Техническим результатом является увеличение быстродействия и снижение металлоемкости устройства.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый регулятор подачи газа содержит размещенную на панели газовую горелку в виде закрытой с торца трубы, на которой одним концом закреплен термоэлемент, другой конец которой соединен с рычагом, фиксирующим положение клапана подачи газа.

В отличие от известного в предлагаемом регуляторе подачи газа термоэлемент размещен внутри трубы горелки, выполнен из сплава с эффектом памяти формы и во время работы устройства находится в газовом потоке и вне пламени горелки.

Это обеспечивает оптимальный тепловой режим работы термоэлемента, увеличивает компактность, стабильность, надежность и быстродействие устройства. Кроме того, термоэлемент изготовлен из никелида титана с соотношением компонент сплава, обеспечивающим необходимый интервал температур фазовых превращений, соответствующих нормальным условиям работы регулирующего устройства.

Реализация поставленной цели основана на соответствующем позиционировании термоэлемента по отношению к пламени горелки. А именно, термоэлемент помещен внутрь трубы-горелки, что позволяет обеспечить оптимальный тепловой режим его работы, т.к. в номинальном режиме работы топки внутри трубы поддерживается температура около 100°С, а при прекращении работы топки температура внутри трубы быстро падает не десятки градусов за счет охлаждения газовым потоком.

В предлагаемом изобретении термоэлемент расположен так, что, с одной стороны, стенки трубы являются защитным экраном от теплового воздействия пламени, с другой стороны, всестороннее омывание термоэлемента газовым потоком создает термодинамически равновесные условия для материала, из которого изготовлен термоэлемент, что в совокупности способствует как долговечности рабочего элемента конструкции и увеличению его КПД в качестве тепловой машины (из-за равновесности), так и улучшению других его характеристик, в частности быстродействия в случае исчезновения пламени. Таким образом, предлагаемое в заявляемом изобретении расположение термоэлемента внутри трубы-горелки приводит к принципиально иному техническому результату по сравнению с прототипом.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявляемый регулятор подачи газа отличается позиционированием термоэлемента по отношению к пламени горелки, исключающему влияние колебаний температурных режимов работы топки. Поэтому настоящий регулятор соответствует критерию "новизна".

Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с известным устройством (US 5393221, F 23 N 3/00), в котором термоэлемент выполнен из сплава с эффектом памяти формы с As 60°C показал, что в предлагаемом устройстве термоэлемент, размещенный внутри трубы-горелки, проявляет новые технико-экономические качества, что приводит к следующему:

а) увеличению быстродействия, т.к. в номинальном режиме работы топки внутри трубы поддерживается температура около 100°С, а при прекращении работы топки температура внутри трубы быстро падает на десятки градусов за счет охлаждения проходящим газовым потоком;

б) исключению затрат, связанных с опытно-конструкторскими работами по подбору позиции термоэлемента в объеме горелочного устройства.

в) существенному снижению стоимости термоэлемента из-за технологических особенностей изготовления сплавов TiNi с As 60°C и As 100°С. Поскольку этого не было установлено ранее, можно сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

Изображенный на чертеже регулятор подачи газа содержит панель 1, запальную горелку в виде трубы 2 с отверстиями для выхода газа, термоэлемент 3, рычаг 4, контрпружину 5, клапан 6, подводящий газ трубопровод 7.

Устройство работает следующим образом. После поджига газа, выходящего из расположенной на панели 1 запальной горелки 2, горящий газ прогревает окружающее горелку пространство, включая ее внутреннюю полость. Термоэлемент 3 при этом вследствие эффекта памяти формы сокращается в длине, преодолевая силу сопротивления контрпружины 5, и поворачивает рычаг 4, который фиксирует клапан 6 в открытом состоянии. В этом положении запальная горелка находится в работе и газ по трубопроводу 7 и отводному патрубку (не показан) попадает в основную камеру сгорания (не показана). В случае погасания по какой-либо причине запальной горелки 2 температура внутри горелки в результате движения газового потока быстро уменьшается и термоэлемент 3 охлаждается. При охлаждении вследствие обратного хода эффекта памяти формы, а также под действием контрпружины 5 длина термоэлемента 3 увеличивается и рычаг 4 смещается в обратном направлении, что приводит к перекрытию клапана 6. Таким образом прекращается подача газа в трубопровод 7 и основную камеру сгорания и тем самым осуществляется регулирующая функция устройства.

Предлагаемый регулятор подачи газа имеет простую и надежную конструкцию, а расположение компактного термоэлемента из металла с памятью формы внутри трубы-горелки способствует уменьшению металлоемкости, увеличению стабильности, быстродействия и надежности устройства.

Термоэлемент может быть изготовлен из никелида титана с соотношением компонент сплава, обеспечивающим необходимый интервал фазовых превращений, соответствующих нормальным условиям работы устройства.

Вышеизложенные данные свидетельствуют о том, что регулятор подачи газа предназначен для использования в промышленности, а именно в отопительных и иных газовых печах.

Регулятор подачи газа, содержащий размещенную на панели газовую горелку в виде закрытой с торца трубы, на которой одним концом закреплен термоэлемент, другой конец которого соединен с рычагом, фиксирующим положение клапана подачи газа, отличающийся тем, что термоэлемент размещен внутри трубы-горелки, выполнен из металла с эффектом памяти формы и во время работы устройства находится в газовом потоке и вне пламени горелки.