Горелка для газообразного топлива с высоким энергосбережением и эффективностью сгорания, с низкой эмиссией загрязняющих веществ и высокой теплопередачей
Изобретение относится к области энергетики. Изобретение касается конструкции горелки для газообразного топлива (в том числе всех его смесей), включающей в себя кожух, который определяет дистальный край для выхода пламени и проксимальный край для подачи газообразного топлива и воздуха; оба края имеют затвор. Воздухозаборник для сжатого воздуха расположен на кожухе возле проксимального края и определяет внутреннюю камеру для подачи сжатого воздуха. Трубка для подачи сжатого газообразного топлива расположена по центру внутри первой смесительной камеры и имеет множество отверстий для выхода газообразного топлива в указанную первую смесительную камеру, в которой также содержится множество отверстий для поставки сжатого воздуха радиально. Воспламенитель расположен внутри указанной первой смесительной камеры для первого горения, вторая камера для дополнительного смешивания расположена коллинеарное по отношению к указанной первой камере. Конец указанной трубки для топлива имеет затвор с отверстиями, через которые аксиально осуществляется подача газообразного топлива к указанной второй камере для дополнительного смешивания, ее стенка содержит отверстия, через которые радиально осуществляется подача сжатого воздуха, таким образом, осуществляется второй этап процесса горения. Третья конусообразная камера, камера возгорания, расположена коллинеарно и присоединена к концу указанной второй камеры для дополнительного смешивания. Изобретение позволяет повысить качество смешивания топлива и окислителя, сократить выброс вредных веществ в атмосферу. 16 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение касается инновационной конструкции горелки для газообразного топлива (в том числе всех его смесей), в которой осуществляется смешивание с высокой турбулентностью газообразного топлива (в том числе всех его смесей) и оксиданта; устройство характеризуется высоким энергосбережением, низкой эмиссией загрязняющих веществ и выработкой турбулентной кинетической энергии, это придает процессу горения большую эффективность и обеспечивает высокую теплоотдачу, что позволяет нагревать больший объем воздуха и при высоких температурах.
В целом, все горелки для газообразного топлива и всех его смесей (например, природный газ, сжиженный углеводородный газ, водород и т.д.) имеют одинаковое применение, то есть используются для сжигания газообразного топлива (в том числе всех его смесей) для выработки тепла. Однако большинство из них характеризуется низким энергосбережением, процессы горения малоэффективны, поэтому используется большое количество топлива, в сочетании с высокой эмиссией загрязняющих веществ, таких как NOx, СО и СО2.
Кроме того, для традиционных горелок процесс горения осуществляется за пределами горелки, что снижает ее эффективность в процессе теплопередачи. За счет структуры этих горелок смесь газообразного топлива (в том числе всех его смесей) и оксиданта образуется в ламинарном течении или едва достигает турбулентного режима, что не позволяет вызвать поток газа для освобождения максимального количества энергии.
Из уровня техники известна международная заявка на патент WO 2008007016 от 10 июля 2007 года, заявитель господин Смедт Гилляуме, приоритет испрашивается на основании заявки FR0652974 от 13 июля 2006 года, которая была подана в Мексике и которой был присвоен номер МХ297397. В указанном патенте отстаивается способ сжигания топлива с использованием оксиданта и, по меньшей мере, одного вида газа, преимущественно инертного, где топливо и оксидант вводятся таким образом, что образуется пламя. Инертный газ в основном вводят при помощи двух форсунок таким образом, чтобы первая форсунка окружала пламя, образованное топливом и оксидантом, при этом первая форсунка образует расширяющийся по отношению к пламени вихревой поток, а вторая форсунка окружала первую форсунку с преимущественно инертным газом, вторая форсунка образует сходящийся в одной точке вихревой поток по отношению к пламени, образованному топливом и оксидантом. Изобретение также касается горелки, подходящей для использования указанного способа. Горелка характеризуется наличием, по меньшей мере, одного средства для ввода топлива и, по меньшей мере, одного средства для ввода оксиданта таким образом, чтобы они образовывали пламя, а также наличием двух средств для ввода инертного газа: первое используется для ввода части инертного газа в виде форсунки, окружающей пламя, образованное топливом и оксидантом, и содержит подходящее средство для образования расширяющегося вихревого потока из потока преимущественно инертного газа, проходящего через него; второе средство служит для ввода инертного газа в виде форсунки, окружающей форсунку с инертным газом, находящимся в первом средстве, второе средство для ввода инертного газа содержит подходящее средство для образования сходящегося в одной точке вихревого потока из потока инертного газа, проходящего через него.
Тем не менее, данная горелка создана для осуществления первого горения смеси газообразного топлива и оксиданта (воздуха) и введения вновь остаточного газа, полученного при горении, для компенсирования отсутствия азота. Хотя горелка позволяет избежать высокой выработки NOx, ее конфигурация и геометрическое расположение не позволяют получить более эффективное горение, которое выражается в высоком энергосбережении, кроме того, в ней используются низкие скорости введения остаточного газа, что приводит к увеличению размера бойлера. К тому же горелка создает серьезные проблемы в области безопасности.
Также известна заявка на патент США US 2007/0072141 A1, представленная господином Марко Данери и другими, в которой описывается газовая горелка с низкой эмиссией загрязняющих веществ, состоящая из основного металлического корпуса (6), внутренней ланцеты (11) для газообразного топлива, по крайней мере, двух внешних ланцет (10) для газообразного топлива, отдельной трубы (8) для транспортировки подогретого воздуха, системы регулировки для газообразного топлива, элемента из огнеупорного материала (30). Газовая горелка (1) характеризуется тем, что состоит из ряда форсунок (20) для ввода подогретого воздуха в камеру горения, а также тем, что при функционировании в системе регулировки газа можно без перерыва перейти с режима работы горелки с пламенем в режим работы без пламени, для последнего характерна низкая эмиссия загрязняющих веществ.
Тем не менее, ни структура, ни геометрическое расположение указанной горелки не обеспечивают наиболее эффективного процесса горения, а также горелка не отличается достаточным энергосбережением. Кроме того, в горелку необходимо вводить подогретый воздух.
Также известен патент США US 6638058B1, представленный господином Себастианом Мэйнашем и другими, выданный 28 октября 2003 года, в котором дается описание трубчатой горелки для промышленных печей, состоящей из следующих элементов: внутренний конечный участок, выходящий в область горения печи, куда поставляется вторичный воздух, участвующий в процессе горения; множество трубчатых перегородок, расположенных радиально отдельно по отношению друг к другу и коаксиально одна внутри другой, которые определяют границы множества подводящих труб, отделенных от поперечного примерно кольцеобразного участка для дымового газа и топлива; на переднем крае, направленном в сторону области горения, по крайней мере, от одной подводящей трубы, специально сконструированной для поставки дымового газа, расположен ряд отдельных форсунок, которые распределены примерно кольцеобразно; если смотреть со стороны поперечного участка, с внутреннего конечного участка горелки, по меньшей мере, одна кольцеобразная внешняя подводящая труба сконструирована специально как подводящая труба для топлива, подводящая труба для дымового газа, оснащенная отдельными форсунками, расположена радиально внутри указанной подводящей трубы для топлива.
Тем не менее, структурная конфигурация и геометрическое расположение горелки не обеспечивают качеств и совершенства, которые обеспечивает горелка для газообразного топлива (в том числе всех его смесей), указанная в настоящем документе.
Также известен патент US 7785100 B1 от 26 мая 2006 года и выданный 31 августа 2010 года, правообладатели Малькольм Свонсон и Майкл Свонсон, в котором описывается горелка, состоящая из выемки, оснащенной воздухозаборником и конечной горелкой, двигателя и толкателя, встроенного в выемку. Толкатель соединен по текучей среде с воздухозаборником и механически с двигателем, а также приспособлен для направления воздуха от воздухозаборника к концу горелки в кожухе печи. Горелка также включает в себя множество трубок для ввода газа, расположенных параллельно по отношению друг к другу. Каждая из множества трубок для ввода газа имеет входящий конец трубы, выходящий конец трубы и, по меньшей мере, одно отверстие. Кроме того, горелка включает в себя первый слой трубок, расположенных рядом с входящими концами множества трубок для ввода газа, и второй слой трубок, расположенный рядом с выходящими концами множества трубок для ввода газа. Также горелка имеет вращающуюся лопасть, состоящую, по крайней мере, из одного слоя лопаток центрифуги.
Вращающаяся лопасть вмонтирована в конец горелки в кожухе печи и приспособлена для направления потока воздуха в конце горелки. Кроме того, установка горелки включает в себя также воспламенитель, встроенный в конец горелки в кожухе печи. Воспламенитель приспособлен для разжигания смеси из воздуха и топлива в конце горелки в кожухе печи для создания основного пламени.
Тем не менее, конфигурация и геометрическое расположение горелки также не обеспечивают совершенства, которое обеспечивает горелка для газообразного топлива (в том числе всех его смесей), указанная в настоящем документе. Кроме того, было обнаружено, что пламя образуется в конечной части вне горелки.
Стехиометрическое соотношение воздух-метан составляет 17:1 на объем. Принимая во внимание тот факт, что природный газ на 90% состоит из метана, можно утверждать, что в большинстве традиционных горелок соотношение воздух-метан составляет 19:1 на объем, и можно считать, что избыток воздуха составляет 15%. Данные соотношения не обеспечивают экономию топлива, объем подогретого воздуха сокращен; кроме того, коэффициент эмиссии загрязняющих веществ в атмосферу высок.
Необходимость в улучшении эффективности процесса окисления ископаемого топлива с каждым днем становится все более и более очевидной, поскольку энергетические расходы возрастают по мере того, как уменьшаются природные запасы. И все это на фоне тревожной ситуации, связанной с окружающей средой, существующей в настоящее время. В таких условиях была разработана горелка для газообразного топлива (в том числе всех его смесей), отличающаяся высоким энергосбережением и высокой эффективностью в процессе горения, низкой эмиссией загрязняющих веществ и высокой теплопередачей, позволяющая нагревать большой объем воздуха и при высоких температурах.
Основная цель настоящего изобретения - обеспечить доступность горелки для газообразного топлива (в том числе всех его смесей), которая позволяет осуществлять смешивание топлива и оксиданта с высокой турбулентностью, что позволяет максимизировать передачу тепла и улучшить процесс горения для нагревания большего объема воздуха, что выражается в высокой экономии топлива и значительном сокращении эмиссии загрязняющих веществ.
Вторая цель изобретения - создание указанной горелки для газообразного топлива (в том числе всех его смесей), которая отличается высоким энергосбережением, эффективностью горения и высокой теплопередачей и, кроме этого, улучшает передачу тепла и сокращает потребление топлива вплоть до 50% от количества, которое обычно используется для традиционных горелок.
Следующая цель изобретения - создание указанной горелки для газообразного топлива (в том числе всех его смесей), которая отличается высоким энергосбережением, эффективностью горения и высокой теплопередачей, позволяет сократить эмиссию газов с парниковым эффектом вплоть до 60% и, кроме этого, относится к категории устройств с низкой эмиссией NOx, и, следовательно, отвечает требованиям установленных законом стандартов по защите окружающей среды.
Еще одна цель изобретения - создание указанной горелки для газообразного топлива (в том числе всех его смесей), которая отличается высоким энергосбережением, эффективностью горения и высокой теплопередачей и, кроме этого, позволяет начать процесс горения внутри самой горелки для улучшения теплопередачи, поскольку с момента начала горения достигаются максимальные температуры.
Следующая цель изобретения - создание указанной горелки для газообразного топлива (в том числе всех его смесей), которая отличается высоким энергосбережением, эффективностью горения и высокой теплопередачей и, кроме этого, может функционировать при ламинарных режимах подачи топлива и оксиданта, то есть при значениях числа Маха ниже 0,05, значениях числа Рейнольдса менее 3000 и при скорости ниже 10 м/сек.
Еще одна цель изобретения - создание указанной горелки для газообразного топлива (в том числе всех его смесей), которая отличается высоким энергосбережением, эффективностью горения и высокой теплопередачей и, кроме этого, легкостью при сборке, простой структурой, является практичной и функциональной как при работе, так и при управлении.
Еще одна цель изобретения - создание указанной горелки для газообразного топлива (в том числе всех его смесей), которая отличается высоким энергосбережением, эффективностью горения и высокой теплопередачей и, кроме этого, позволяет сжигать топливо более эффективно с добавлением большего объема воздуха и полностью нагревать весь избыточный объем воздуха.
А также все свойства и цели, которые станут очевидными при общем и детальном описании настоящего изобретения, которое сопровождается черитежами.
В целом, горелка для газообразного топлива (в том числе всех его смесей), которая отличается высоким энергосбережением, эффективностью горения, низкой эмиссией загрязняющих веществ и высокой теплопередачей, в соответствии с настоящим документом состоит из внешнего кожуха, который определяет дистальный край для выхода пламени и проксимальный край для подачи газообразного топлива (в том числе всех его смесей) и оксиданта (воздуха); оба края имеют соответствующий затвор. Воздухозаборник для сжатого воздуха расположен на стенке возле проксимального края, внутри которого расположен дефлектор, позволяющий равномерно распределять воздух внутри кожуха, и определяет внутреннюю камеру для подачи сжатого воздуха, который выступает в качестве изоляционного материала кожуха и позволяет избежать высоких температур на его поверхности, таких как температуры в смесительных камерах и в камерах дополнительного смешивания.
Затвор, расположенный на проксимальном крае, приспособлен для прочного закрепления по центру трубки для подачи сжатого газообразного топлива (включая все его смеси) из источника подачи сжатого газообразного топлива (включая все его смеси). Внутри трубка содержит поперечно расположенный элемент, вызывающий турбулентность, который способствует получению турбулентного режима для указанного газообразного топлива (включая все его смеси).
Конечная часть указанной трубки для подачи газообразного топлива (включая все его смеси) расположена внутри первой смесительной камеры, находящейся в кожухе, на проксимальном крае которого имеется затвор, к которому крепится указанная трубка для подачи сжатого газообразного топлива (включая все его смеси). Дистальный край кожуха открыт. Конечная часть указанной трубки для подачи газообразного топлива (включая все его смеси) расположена внутри указанной первой смесительной камеры и содержит множество отверстий на стенке для выхода газообразного топлива (включая все его смеси) в первую смесительную камеру. Указанный затвор на проксимальном крае первой смесительной камеры, а также ее стенка имеют множество отверстий для подачи радиально сжатого воздуха из внутренней камеры для подачи сжатого воздуха для создания первой обогащенной смеси газообразного топлива (включая все его смеси) и воздуха в первой смесительной камере. Элемент-воспламенитель расположен в проксимальной области первой смесительной камеры и предназначен для образования первого этапа процесса горения.
В одной из разновидностей изобретения указанный элемент, вызывающий турбулентность и расположенный поперечно в указанной трубке для подачи газообразного топлива (включая все его смеси), может иметь форму цилиндра или многогранника, как правильного, так и неправильного.
В другой разновидности изобретения указанные отверстия, расположенные как на трубке для подачи газообразного топлива (включая все его смеси), так и на стенке первой смесительной камеры, могут иметь различную форму и размер, могут располагаться в столбики одинакового или разного размера, расстояние между ними может быть одинаковым или разным, а также могут быть объединены, смещены или располагаться по диагонали.
Расположение указанных отверстий на затворе проксимального края первой смесительной камеры, где происходит аксиальная подача сжатого воздуха, может быть представлено в форме окружности или многоугольника, правильного или неправильного, или без определенной модели.
В другом варианте исполнения изобретения отверстия на указанных трубках для подачи сжатого газообразного топлива (включая все его смеси), через которые происходит подача топлива в первую смесительную камеру, расположены неравномерно по отношению к отверстиям на стенке указанной первой смесительной камеры, где происходит аксиальная подача сжатого воздуха из внутренней камеры для подачи сжатого воздуха, что позволяет добиться максимальных срезывающих усилий между двумя потоками и лучшего смешивания.
Вторая камера для дополнительного смешивания, открытая с обоих краев, расположена колинеарно по отношению к указанной первой смесительной камере, которая находится в кожухе. Конец указанной трубки для подачи газообразного топлива (включая все его смеси) расположен центрально к краю границы между первой смесительной камерой и второй камерой для дополнительного смешивания.
На конце указанной трубки для подачи газообразного топлива (включая все его смеси) имеется затвор с множеством отверстий, через которые осуществляется аксиальная подача турбулентного потока газообразного топлива (включая все его смеси) ко второй камере для дополнительного смешивания. На стенке указанной камеры для дополнительного смешивания расположено множество отверстий для радиальной подачи сжатого воздуха с внутренней камеры для подачи сжатого воздуха, что обеспечивает создание второй обогащенной смеси газообразного топлива (включая все его смеси) и воздуха. Во второй камере для дополнительного смешивания осуществляется второй этап процесса горения.
Конечная часть указанной трубки для подачи сжатого воздуха (включая все его смеси) имеет форму воронки. На указанном затворе расположено множество отверстий, через которые осуществляется аксиальная подача турбулентного потока сжатого воздуха (включая все его смеси) ко второй камере для дополнительного смешивания.
В обеих смесительных камерах отверстия расположены особым образом, что способствует смешиванию с высокой турбулентностью, а также полному окислению топлива.
Указанные отверстия, расположенные на стенке второй камеры для дополнительного смешивания, могут иметь различную форму и размер, могут располагаться в столбики одинакового или разного размера, расстояние между ними может быть одинаковым или разным, а также могут быть объединены, смещены или располагаться по диагонали.
В указанных отверстиях на стенке второй камеры для дополнительного смешивания, где происходит подача сжатого воздуха из указанной внутренней камеры для подачи сжатого воздуха, которая расположена на кожухе, могут наблюдаться скорости выше и ниже 10 м/сек, значения числа Рейнольдса могут быть более или менее 3 000 для ламинарного и турбулентного режима соответственно. Наилучшее действие осуществляется в турбулентном режиме.
Затвор, расположенный на дистальном крае указанного кожуха, содержит центральное отверстие, в которое выходит вторая камера для дополнительного смешивания, где образуется пламя.
В одной из разновидностей изобретения третья конусообразная камера, в которой образуется пламя, расположена колинеарно и присоединена к краю указанной второй камеры для дополнительного смешивания, в которой пламени придается соответствующая форма, позволяющая максимизировать теплопередачу. В данной разновидности кожух может быть расширен для покрытия внешней конечной части указанной камеры для образования пламени.
Указанная третья конусообразная камера для образования пламени имеет стенку, угол которой составляет от 7° до 9°.
В указанной третьей конусообразной камере для образования пламени, где пламени придается соответствующая форма, позволяющая максимизировать теплопередачу, несмотря на работу в ламинарном режиме, в силу геометрического расположения смесительных камер, достигается турбулентный режим при скорости выше 30 м/с и значениях числа Рейнольдса, намного превышающих 30000, достигаются значения 1000000 при работе горелки с максимальной нагрузкой.
Как было описано, благодаря своей структурной конфигурации и геометрическому расположению горелка позволяет экономить газообразное топливо (включая все его смеси) и сократить количество загрязняющих веществ, получаемых в процессе горения. Указанная горелка управляет избыточным воздухом в размере порядка 135%, турбулентное смешивание, осуществляемое в горелке, позволяет нагревать избыточный воздух.
Стехиометрическое соотношение воздух-метан составляет 17:1 на объем. Данная горелка использует избыточный воздух в размере 135%, что составляет соотношение 40:1 на объем для метана.
Использование избыточного воздуха в размере 135% для сохранения баланса общего объема в системе позволяет сократить расход топлива вплоть до 50%. Исходя из начальной мощности, принимая во внимание избыточный воздух, используемый в традиционных технологиях, и стехиометрическое соотношение объема газообразного топлива-воздуха, определяется общий объем в системе
Исходя из указанного общего объема, определяются объем газа и объем воздуха для данного изобретения
Хотя горелка лучше функционирует с турбулентным потоком, также улучшается эффективность процесса горения при ламинарном режиме подачи газообразного топлива (включая все его смеси) и воздуха.
В отверстиях, расположенных на стенке смесительной камеры, через которые радиально вводят сжатый воздух из внутренней камеры для подачи сжатого воздуха, расположенной на кожухе, может наблюдаться скорость выше или ниже 10 м/сек, или значения числа Рейнольдса могут быть выше или ниже 3000 в ламинарном и турбулентном режимах соответственно. Лучшая работа достигается в турбулентном режиме.
Структурная конфигурация и геометрическое расположение горелки позволяют экономить газообразное топливо (в том числе все его смеси) вплоть до 50%, а также сократить эмиссию газов с парниковым эффектом вплоть до 60% и отнести горелку к категории устройств с низкой эмиссией NOx. Еще одним из преимуществ горелки является процесс горения, который берет начало в самой горелке и протекает из смесительной камеры, камеры для дополнительного смешивания до камеры для образования пламени. Это способствует процессу теплопередачи, поскольку с момента начала горения достигаются максимальные температуры.
Геометрическое расположение и структурная конфигурация горелки позволяют достигать высоких скоростей, что позволяет осуществить полное сгорание и увеличить эффективность теплопередачи.
В горелке, указанной в настоящем документе, процесс горения происходит непосредственно в горелке. Горение осуществляется в первой смесительной камере и во второй камере для дополнительного смешивания, а в третьей камере для образования пламени топливо полностью сгорает.
Оказалось возможным продемонстрировать при помощи компьютерного анализа, что даже при избытке воздуха в размере 135% температура пламени превышает 1800°С и прогревает этот избыточный объем воздуха.
Горелку можно использовать для котлов с дымогарными трубами, водотрубных котлов, паровых котлов, технологических нагревателей, закалочных печей, стекловаренных печей, сталеплавильных печей, керамических печей, клинкерных печей, термической обработки, для загрузки газовых турбин, для домашнего применения, например для водонагревателей и т.д.
Для того чтобы обеспечить лучшее понимание характеристик изобретения, к настоящему описанию в качестве его составной части прилагаются чертежи иллюстративного, но не ограничительного характера, описанные ниже.
На фиг. 1 изображен колпачок горелки для газообразного топлива (в том числе всех его смесей) с высоким энергосбережением, низкой эмиссией загрязняющих веществ и высокой теплопередачей, с примерами из настоящего изобретения.
На фиг. 2 изображен колпачок кожуха горелки для газообразного топлива (в том числе всех его смесей), в соответствии с фиг. 1, на котором указаны примеры из настоящего изобретения.
На фиг. 3 изображено продольное сечение горелки для газообразного топлива (в том числе всех его смесей) без конечной камеры для образования пламени, с примерами из настоящего изобретения.
На фиг. 4 изображено продольное сечение горелки для газообразного топлива (в том числе всех его смесей) с присоединенной конечной камерой для образования пламени, с примерами из настоящего изобретения.
На фиг. 5 изображено продольное сечение полностью собранной горелки для газообразного топлива (в том числе всех его смесей), с примерами из настоящего изобретения.
На фиг. 6 изображен изометрический план горелки для газообразного топлива (в том числе всех его смесей), в соответствии с настоящим изобретением, с демонстрацией внутренних камер.
Для того чтобы обеспечить лучшее понимание изобретения, переходим к подробному описанию одного из вариантов исполнения изобретения, изображенного на чертежах, которые прилагаются к настоящему описанию и носят иллюстративный, но не ограничительный характер.
Характерные особенности горелки для газообразного топлива (в том числе всех его смесей) с высоким энергосбережением и высокой эффективностью сгорания, низкой эмиссией загрязняющих веществ и высокой теплопередачей четко представлены в описании ниже и на чертежах, которые прилагаются для информации и для обозначения деталей.
Как показано на фиг. 1-4, в состав горелки входит внешний кожух 1, определяющий дистальный край 2 для выхода пламени и проксимальный край 3 для подачи газообразного топлива (включая все его смеси) и оксиданта (воздуха). На обоих концах имеются затворы 4 и 5. Воздухозаборник для сжатого воздуха 6 расположен радиально на стенке кожуха рядом с проксимальным краем 3, внутри воздухозаборника расположен вогнутый дефлектор 7, который закреплен на затворе 4, расположенном на проксимальном крае 3. По крайней мере 2 отражательные плиты 8, отделенные друг от друга, радиально закреплены на внутренней стенке указанного кожуха 1 и на указанном вогнутом дефлекторе 7. Данные отражательные плиты обеспечивают однородное распределение воздуха внутри кожуха 1, таким образом, определяется внутренняя камера для подачи сжатого воздуха 9.
Затвор 4, расположенный на проксимальном крае 3, приспособлен для закрепления по центру трубки для подачи сжатого газообразного топлива (включая все его смеси) 10 из источника подачи газообразного топлива (включая все его смеси). Внутри трубки поперечно расположен элемент в форме цилиндра 11, вызывающий турбулентность и способствующий получению турбулентного режима для газообразного топлива (включая все его смеси). Конечная часть 10a указанной трубки для подачи газообразного топлива (включая все его смеси) расположена внутри первой смесительной камеры 12, находящейся внутри указанного кожуха 1, на ее проксимальном крае находится затвор 13, закрепленный на вогнутом дефлекторе 7, где по центру присоединена указанная трубка для подачи газообразного топлива (включая все его смеси) 10; дистальный край открыт.
На указанной конечной части 10а указанной трубки для подачи газообразного топлива 10 (включая все его смеси), расположенной внутри первой смесительной камеры 12, имеется множество отверстий 14 на стенке для выхода газообразного топлива (включая все его смеси) в первую смесительную камеру 12.
На указанном затворе 13, расположенном на проксимальном конце указанной первой смесительной камеры 12, а также на стенке камеры имеется множество отверстий 15 для радиальной подачи сжатого воздуха из указанной внутренней камеры 9 для подачи сжатого воздуха для создания обогащенного турбулентного смешивания газообразного топлива (включая все его смеси) и воздуха в указанной первой смесительной камере 12. Элемент-воспламенитель 16 расположен в проксимальной области указанной первой смесительной камеры 12 и служит для начала первого этапа процесса горения в указанной первой смесительной камере.
Отверстия 14, расположенные на указанной трубке для подачи сжатого газообразного топлива 10 (включая все его смеси), через которые осуществляется подача топлива в первую смесительную камеру 12, смещены по отношению к отверстиям 15, расположенным на стенке указанной первой смесительной камеры 12, через которые осуществляется подача сжатого воздуха из указанной внутренней камеры 9 для подачи сжатого воздуха, что позволяет добиться максимальных срезывающих усилий между двумя потоками и лучшего смешивания.
Вторая камера для дополнительного смешивания 17, открытая с обоих краев, расположена колинеарно по отношению к первой смесительной камере 12 и соединена с ней при помощи сцепного кольца 18, таким образом, вторая камера расположена внутри указанного кожуха 1; конец указанной трубки для подачи газообразного топлива 10 (включая все его смеси) расположен по центру на границе между первой смесительной камерой 12 и указанной второй камерой для дополнительного смешивания 17. Дистальный край указанной трубки для подачи газообразного топлива 10 (включая все его смеси) представляет собой конус 10b, конец которого расположен на затворе 19, имеющем множество отверстий 20, через которые аксиально происходит подача турбулентного потока газообразного топлива (включая все его смеси) во вторую камеру для дополнительного смешивания 17. На стенке указанной второй камеры для дополнительного смешивания 17 имеется множество отверстий 21, через которые осуществляется радиальная подача сжатого воздуха из указанной внутренней камеры для подачи сжатого воздуха 9, образованной в кожухе 1; таким образом, начинается второе обогащенное турбулентное смешивание газообразного топлива (включая все его смеси) и воздуха, во второй камере для дополнительного смешивания осуществляется второй этап процесса горения.
Размеры второй камеры для дополнительного смешивания 17 меньше размеров первой смесительной камеры 12.
В обеих смесительных камерах 12 и 17 отверстия расположены особым образом, что способствует получению высокой турбулентности при смешивании, а также полному окислению топлива.
На затворе 5, расположенном на дистальном крае указанного кожуха, имеется центральный проем 22, куда выходит указанная вторая камера для дополнительного смешивания 17, где создается пламя.
Третья конусообразная камера для образования пламени 23, открытая с обоих краев (которая образовывается при расширении кожуха и при помощи керамического конусообразного корпуса из изоляционных материалов), расположена колинеарно и присоединена к концу указанной второй камеры для дополнительного смешивания 17. Она служит для придания пламени формы, необходимой для максимизации теплопередачи. Кожух 1 можно расширить, чтобы закрыть внешнюю конечную часть указанной третьей камеры для образования пламени 23.
На фиг. 5 показаны различные элементы горелки в продольном сечении, структурное и геометрическое расположение, числовые ссылки для этих элементов, демонстрирующие уже описанные преимущества изделия. На данном чертеже показан поток воздуха и газообразного топлива (включая все его смеси) в первую смесительную камеру 12 и во вторую камеру для дополнительного смешивания 17, а также переход пламени, созданного при горении в третьей камере для образования пламени 23, где пламени придается особая форма, позволяющая максимизировать теплопередачу.
На фиг. 6 указаны те же ссылки, используемые для обозначения тех же элементов горелки для газообразного топлива (включая все его смеси), с примерами для настоящего изобретения. Дополнительно показано, что на кожухе 1 расположен зажим 5а в области, где закреплен затвор 5 на дистальном крае, который предназначен для закрепления горелки в желаемой области.
Изобретение описано достаточно подробно для того, чтобы человек, обладающий средними знаниями в данной области, смог воспроизвести информацию и получить указанные результаты от изобретения. Тем не менее, любой компетентный технический специалист может оказаться способным внести изменения, не указанные в настоящей заявке. Тем не менее, если для применения таких изменений в определенной структуре или в процессе ее изготовления требуются элементы, указанные ниже в пунктах «Формулы изобретения», такие структуры необходимо рассматривать в рамках настоящего изобретения.
1. Горелка для газообразного топлива с высоким энергосбережением и с высокой эффективностью горения, низкой эмиссией загрязняющих веществ и высокой теплопередачей, включающая в себя кожух, который определяет дистальный край для выхода пламени и проксимальный край для подачи газообразного топлива и воздуха; оба края имеют затвор, воздухозаборник для сжатого воздуха расположен на кожухе возле проксимального края и определяет внутреннюю камеру для подачи сжатого воздуха; на затворе, расположенном на проксимальном крае, по центру закреплена трубка для подачи сжатого газообразного топлива, конечная часть трубки расположена внутри первой смесительной камеры, расположенной в указанном кожухе, на проксимальном крае которой находится затвор, к которому присоединена указанная трубка для подачи топлива; дистальный край открыт; на конечной части трубки имеется множество отверстий для выхода газообразного топлива в указанную первую смесительную камеру на указанном затворе, расположенном на проксимальном крае указанной первой смесительной камеры, а также на стенке камеры имеется множество отверстий для поставки сжатого воздуха радиально из указанной внутренней камеры для подачи сжатого воздуха для создания первого турбулентного смешивания газообразного топлива и воздуха в указанной первой смесительной камере; элемент-воспламенитель расположен внутри первой смесительной камеры и предназначен для начала первого этапа процесса горения; вторая камера для дополнительного смешивания, открытая с обоих концов, расположена коллинеарно по отношению к указанной первой смесительной камере, расположенной в кожухе; конец указанной трубки для подачи топлива расположен на границе между указанными первой и второй камерами; дистальный край указанной трубки для топлива имеет затвор с множеством отверстий, через которые аксиально осуществляется подача турбулентного потока газообразного топлива к указанной второй камере для дополнительного смешивания; на стенке второй камеры для дополнительного смешивания имеется множество отверстий, через которые радиально осуществляется подача сжатого воздуха из внутренней камеры для подачи воздуха для осуществления второго обогащенного турбулентного смешивания газообразного топлива и воздуха; во второй камере для дополнительного смешивания осуществляется второй этап процесса горения; на затворе, расположенном на дистальном крае кожуха, имеется центральный проем, в который выходит указанная вторая камера для дополнительного смешивания.
2. Горелка для газообразного топлива с высоким энергосбережением и с высокой эффективностью горения, низкой эмиссией загрязняющих веществ и высокой теплопередачей по п. 1, отличающаяся тем, что горелка имеет третью конусообразную камеру для образования пламени, которая расположена колинеарно и присоединена к концу указанной второй камеры для дополнительного смешивания, придает пламени форму, необходимую для максимизации теплопередачи.
3. Горелка для газообразного топлива с высоким энергосбережением и с высокой эффективностью горения, низкой эмиссией загрязняющих веществ и высокой теплопередачей по п. 2, отличающаяся тем, что третья конусообразная камера для образования пламени имеет стенку, угол которой составляет от 7° до 9°.
4. Горелка для газообразного топлива с высоким энергосбережением и с высокой эффективностью горения, низкой эмиссией загрязняющих веществ и высокой теплопередачей по п. 2 или 3, отличающаяся тем, что кожух можно расширить для покрытия внешнего конечного участка третьей камеры для образования пламени.
5. Горелка для газообразного топлива с высоким энергосбережением и с высокой эффективностью горения, низкой эмиссией загрязняющих веществ и высокой теплопередачей по п. 1, отличающаяся тем, что в воздухозаборнике для сжатого воздуха расположен вогнутый дефлектор, обеспечивающий однородное распределение воздуха во внутренней камере для поставки сжатого воздуха.
6. Горелка для газообразного топлива с высоким энергосбережением и с высокой эффективностью горения, низкой эмиссией загрязняющих веществ и высокой теплопередачей по п. 5, отличающаяся тем, что вогнутый дефлектор расположен внутри воздухозаборника и закреплен на затворе, расположенном на проксимальном крае кожуха, по крайней мере, две отражательные плиты, отделенные друг от друга, закреплены радиально на внутренней стенке указанного кожуха и на указанном вогнутом дефлекторе; такое размещение дефлектора обеспечивает однородный поток воздуха по всей указанной внутренней камере для подачи сжатого воздуха.
7. Горелка для газообразного топлива с высоким энергосбережением и с высокой эффективностью горения, низкой эмиссией загрязняющих веществ и высокой теплопередачей по п. 1, отличающаяся тем, что внутри трубки для подачи сжатого газообразного топлива из источника для подачи газообразного топлива имеется элемент, вызывающий турбулентность, расположенный поперечно; он позволяет достичь турбулентного режима для указанного газообразного топлива.
8. Горелка для газообразного топлива с высоким энергосбережением и с высокой эффективностью горения, низкой эмиссией загрязняющих веществ и высокой теплопередачей по п. 7, отличающаяся тем, что элемент, вызывающий турбулентность, расположенный поперечно внутри указанной трубки для подачи газообразного топлива, может иметь форму цилиндра или многогранника, как правильного, так и неправильного.
9. Горелка для газообразного топлива с высоким энергосбережением и с высокой эффективностью горения, низкой эмиссией загрязняющих веществ и высокой теплопередачей по любому из пп. 1, 5 и 6, отличающаяся тем, что на проксимальном крае указанной первой смесительной камеры находится затор, закрепленный на указанном вогнутом дефлекторе, для придания ей центрального положения внутри кожуха.
10. Горелка для газообразного топлива с высоким энергосбережением и с высокой эффективностью горения, низкой эмиссией загрязняющих веществ и высокой теплопередачей по п. 1, отличающаяся тем, что отверстия на указанной трубке для подачи сжатого газообразного топлива, через которые осуществляется подача топлива в первую смесительную камеру, слегка сдвинуты по отношению к отверстиям, расположенным на стенке указанной первой смесительной камеры, через которые осуществляется подача сжатого воздуха из внутренней камеры для поставки сжатого воздуха, таким образом, обеспечиваются срезывающие усилия между двумя потоками и лучшее смешивание.
11. Горелка для газообразного топлива с высоким энергосбережением и с высокой эффективностью горения, низкой эмиссией загрязняющих веществ и высокой теплопередачей по п. 1, отличающаяся тем, что указанные отверстия, расположенные как на трубке для подачи сжатого газообразного топлива, так и на стенке указанной первой смесительной камеры, могут иметь различную форму и размер, могут располагаться в столбики одинакового или разного размера, расстояние между ними может быть одинаковым или разным, а также могут быть объединены, смещены или располагаться по диагонали.
12. Горелка для газообразного топлива с высоким энергосбережением и с высокой эффективностью горения, низкой эмиссией загрязняющих веществ и высокой теплопередачей по п. 1, отличающаяся тем, что указанные отверстия на затворе, расположенном на проксимальном крае указанной смесительной камеры, через которые аксиально осуществляется подача сжатого воздуха, могут быть расположены по окружности или в форме многоугольника, правильного или неправильного, или могут не иметь определенного шаблона.
13. Горелка для газообразного топлива с высоким энергосбережением и с высокой эффективностью горения, низкой эмиссией загрязняющих веществ и высокой теплопередачей по п. 1, отличающаяся тем, что указанные отверстия, расположенные на стенке указанной второй камеры для дополнительного смешивания, могут иметь различную форму и размер, могут располагаться в столбики одинакового или разного размера, расстояние между ними может быть одинаковым или разным, а также могут быть объединены, смещены или располагаться по диагонали.
14. Горелка для газообразного топлива с высоким энергосбережением и с высокой эффективностью горения, низкой эмиссией загрязняющих веществ и высокой теплопередачей по п. 1, отличающаяся тем, что указанная вторая камера для дополнительного смешивания, открытая с обоих краев, расположена коллинеарно по отношению к указанной первой смесительной камере, соединена с ней при помощи сцепного кольца и расположена внутри кожуха; размер указанной второй камеры для дополнительного смешивания меньше размера первой смесительной камеры.
15. Горелка для газообразного топлива с высоким энергосбережением и с высокой эффективностью горения, низкой эмиссией загрязняющих веществ и высокой теплопередачей по п. 1, отличающаяся тем, что конечная часть указанной трубки для подачи газообразного топлива представляет собой конус; затвор имеет множество отверстий, через которые аксиально осуществляется подача турбулентного потока газообразного топлива во вторую камеру для дополнительного смешивания.
16. Горелка для газообразного топлива с высоким энергосбережением и с высокой эффективностью горения, низкой эмиссией загрязняющих веществ и высокой теплопередачей по п. 1, отличающаяся тем, что в указанных отверстиях, расположенных на стенке второй камеры для дополнительного смешивания, через которые осуществляется подача сжатого воздуха из внутренней камеры для подачи сжатого воздуха, образованной в кожухе, могут наблюдаться скорости выше или ниже 10 м/сек, значения числа Рейнольдса могут быть более или менее 3000 для ламинарного и турбулентного режимов соответственно; наилучшее действие осуществляется в турбулентном режиме.
17. Горелка для газообразного топлива с высоким энергосбережением и с высокой эффективностью горения, низкой эмиссией загрязняющих веществ и высокой теплопередачей по п. 1, отличающаяся тем, что при управлении ламинарными потоками в смесительной камере и в камере для дополнительного смешивания в указанной третьей конусообразной камере для образования пламени достигается турбулентный режим, скорость превышает 30 м/с, значения числа Рейнольдса намного превышают 30000, достигаются значения 1000000 при работе горелки с максимальной нагрузкой.
