Газовая горелка с предварительным смешиванием

Изобретение относится к области энергетики. Газовая горелка с предварительным смешиванием и образованием газовоздушной смеси содержит подводящий элемент, головку горелки и расположенный между ними распределительный элемент, причем распределительный элемент содержит множество отверстий, расположенных по окружности периферийного венца или вдоль периметра, имеющих увеличенное сечение, выполненных с обеспечением возможности поступления увеличенного количества газовоздушной смеси в периферийную не имеющую отверстий зону головки горелки, и способствующих циркуляции части газовоздушной смеси между распределительным элементом и головкой горелки перед выбросом смеси через выходные отверстия головки и формированием факела, и с обеспечением соприкосновения смеси с поверхностью головки горелки на участках, не имеющих факела, отбора тепла и ограничения температуры головки; при этом распределительный элемент установлен с обеспечением теплового экранирования находящегося ниже подводящего элемента, защиты его от высоких температур головки горелки и препятствия его перегреву; а схема расположения отверстий распределительного элемента выполнена с учетом обеспечения охлаждения его за счет той же циркуляции газовоздушной смеси. Изобретение позволяет работать горелке в широком диапазоне регулирования, с соотношением минимальной / максимальной мощности, превышающим показатель 1:10. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к газовой горелке с предварительным смешиванием, охлаждаемой газовоздушной смесью.

Как известно, газовая горелка с предварительным смешиванием применяется для формирования генерирующего тепло факела, путем контролируемого сжигания поддерживающей горение смеси топливного газа и воздуха.

Типичным применением газовой горелки с предварительным смешиванием является использование ее в составе теплового генератора для выработки тепла.

Такую горелку располагают в камере сгорания перед теплообменником или непосредственно в теплообменнике.

Высокотемпературные газы, получаемые от факела головки горелки, протекают через теплообменник, и их тепло передается жидкому теплоносителю, который циркулирует в теплообменнике.

Газовая горелка с предварительным смешиванием обычно содержит систему смешивания и подачи горючей смеси из газообразного топлива и воздуха, систему подвода газовоздушной смеси и головки, на наружной поверхности которой и формируется факел.

В частности, газовая горелка с предварительным смешиванием компонентов, образующих горючую смесь, описанная в документе US 2010/316967, содержит подводящий элемент, головку горелки и распределительный элемент, расположенный между головкой горелки и подводящим элементом.

В процессе работы такой горелки ее головка сильно нагревается от поддерживаемого факела, особенно в режиме минимальной мощности, поскольку при этом скорость истечения газовоздушной смеси из головки горелки является низкой, и факел формируется ближе к поверхности горелки.

В используемых предшествующих устройствах аналогичного назначения высокая температура головки горелки, помимо ограничения срока ее эксплуатации, требует применения изолирующих и/или огнестойких материалов для защиты наружных частей горелки, не контактирующих с факелом, а также для защиты системы подвода, через которую протекает означенная газовоздушная смесь.

Однако, использование для этих целей известных в настоящее время изолирующих материалов сопряжено с определенными затруднениями из-за возникающих высоких температур и, кроме того, из-за ограниченного срока службы таких изолирующих материалов в связи с непрерывным воздействием факела, вследствие чего они являются одним из быстроизнашиваемых элементов существующих горелок.

Кроме того, тепло, передаваемое частям горелки возле головки горелки, например, подводящей части, представляет собой рассеянное тепло.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

В основу данного изобретения поставлена задача создать такую газовую горелку с предварительным смешиванием, которая была бы приспособлена к работе в широком диапазоне регулирования, с соотношением минимальной/максимальной мощности, превышающим показатель 1:10, не требовала бы при этом использования изолирующих или огнестойких материалов, имела бы простую и рациональную конструкцию, меньшую стоимость по сравнению с соответствующими предшествующими горелками, а также характеризовалась бы высокой надежностью и безопасностью в эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что в газовой горелке с предварительным смешиванием компонентов, образующих газовоздушную смесь, содержащей подводящий элемент, головку горелки и расположенный между ними распределительный элемент, согласно изобретению, распределительный элемент содержит множество отверстий, расположенных по окружности периферийного венца или вдоль периметра, имеющих увеличенное сечение, позволяющих увеличенному количеству газовоздушной смеси поступать в периферийную не имеющую отверстий зону головки горелки, и способствующих циркуляции части газовоздушной смеси между распределительным элементом и головкой горелки перед выбросом смеси через выходные отверстия головки горелки и формированием факела, а также обеспечивающих соприкосновение смеси с поверхностью головки горелки на участках, не имеющих факела, отбор тепла и ограничение температуры головки; при этом распределительный элемент установлен с обеспечением возможности теплового экранирования находящегося ниже подводящего элемента, защиты его от высоких температур головки горелки и препятствия его перегреву; а схема расположения отверстий распределительного элемента выполнена с учетом обеспечения охлаждения его за счет циркуляции газовоздушной смеси.

Желательно, чтобы распределительный элемент содержал множество различных отверстий, позволяющих протекать увеличенному количеству газовоздушной смеси через участки головки горелки, не имеющие отверстий и находящиеся вне зоны формирования факела, обеспечивая охлаждение упомянутых участков головки горелки.

Желательно также, чтобы подводящий элемент был выолнен с обеспечением поддержки и объединения распределительного элемента и головки горелки в общую конструкцию и при этом был бы снабжен тепловой защитой, обеспечиваемой распределительным элементом и потоком газовоздушной смеси, предотвращающими его перегрев.

Возможно, чтобы головка горелки имела выпуклую форму и габариты, обеспечивающие полное перекрытие камеры сгорания, в которой расположена головка горелки и при этом содержала бы в своей центральной части сквозные отверстия, а периферийный венец головки горелки был бы выполнен без отверстий.

Целесообразно горелку выполнить с обеспечением вытекания газовоздушной смеси через выходные отверстия головки горелки и инициализации на ее наружной поверхности реакции горения с воспламенением газовоздушной смеси и формированием факела.

При этом выпуклую форму головки горелки следует выбирать с учетом обеспечения механической прочности горелки и исключения взаимного перекрытия фронтов отдельных струй факела горелки, создавая условия для более чистого сгорания.

Желательно, чтобы головка горелки содержала отверстия разного диаметра, выполненные с возможностью формирования факела на ее поверхности, и периферийную часть, выполненную без отверстий для формирования факела.

Целесообразно, чтобы распределительный элемент имел габариты по размеру головки горелки, и был бы соединен с ней посредством зажимного приспособления по всему периметру головки горелки.

В предпочтительном варианте выполнения распределительный элемент имеет выпуклую форму и содержит перфорированную поверхность, имеющую отверстия различного размера на наружном кольцевом участке и на ее внутренней центральной части, выполненные с обеспечением возможности циркуляции газовоздушной смеси между распределительным элементом и головкой горелки с равномерным распределением или поступлением в выходные отверстия.

Во время работы означенной горелки, смесь воздуха и топлива или горючего газа протекает через элемент подвода и, через распределительный элемент, попадает в головку горелки, на внешней поверхности которой и формируется факел горелки.

Технический результат, достигаемый при реализации данного предложения, состоит в том, что, распределительный элемент, содержащий множество сквозных отверстий разного диаметра, позволяет увеличенному количеству газовоздушной смеси протекать в те зоны головки горелки, где отсутствуют отверстия и факел, тем самым, обеспечивая охлаждение этих зон; при этом для элемента подвода обеспечивается дополнительная тепловая защита за счет распределительного элемента и потока газовоздушной смеси.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Другие отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из последующего подробного описания предпочтительного, но не исключительного, варианта осуществления настоящего изобретения, который представлен, в качестве иллюстративного, но не ограничивающего примера на прилагаемых чертежах, где на

фиг. 1 представлен вид сбоку горелки, в поперечным сечении, в соответствии с настоящим изобретением;

фиг. 2 - горелка, согласно изобретению, вид сверху;

фиг. 3 - распределительный элемент, вид сверху.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Представленная на чертежах фиг. 1, 2 и 3, газовая горелка 1 с предварительным смешиванием, согласно настоящему изобретению, содержит подводящий элемент 2, головку 3 горелки и расположенный между ними, распределительный элемент 4.

Через подводящий элемент 2 проходит газовоздушная смесь, поступающая от предыдущих элементов, в число которых входят узел вентилятора, газовый клапан и смесительный узел, не показанные на прилагаемых чертежах.

Подводящий элемент 2 дополнительно выполняет функцию опоры и держателя для распределительного элемента 4 и головки 3 горелки, объединяя их в общую конструкцию.

Согласно настоящему изобретению, подводящий элемент 2 имеет тепловую защиту, обеспечиваемую распределительным элементом 4 и потоком газовоздушной смеси, благодаря чему предотвращается перегрев подводящего элемента 2.

Головка 3 горелки имеет выпуклую форму и такие габариты, чтобы полностью закрывать камеру 5 сгорания, в которой установлена головка 3 горелки.

Кроме того, головка 3 горелки содержит группу выходных сквозных отверстий, расположенных в центральной зоне 6, в то время как ее наружный венец не имеет отверстий.

При работе горелки с предварительным смешиванием, являющейся предметом изобретения, факел 7 формируется благодаря выбросу газовоздушной смеси 8 из выходных отверстий головки 3 горелки, при этом данная смесь, направленная на внешнюю поверхность головки 3 горелки, обеспечивает реакцию горения с формированием факела 7.

Выпуклая форма головки 3 способствует механической стабилизации горелки в соответствующем положении, и при этом, благодаря выбранной конфигурации, позволяет исключить перекрытие фронтов отдельных струй факела, что обеспечивает наиболее «чистый» режим горения при эксплуатации.

Геометрия расположения отверстий головки 3 горелки, в показанном варианте осуществления, имеет вид круга, однако упомянутая головка может иметь любую другую требуемую конфигурацию или форму расположения отверстий, например, в виде квадрата, прямоугольника, многоугольника, эллипса и т.д.

Расположение и форма группы сквозных отверстий в зоне 6 головки 3 рассчитаны таким образом, чтобы обеспечивать однородный факел и оптимальный режим сгорания.

Если говорить более конкретно, в данном случае предусмотрены сквозные отверстия различного сечения, которые будут формировать факел 7 на поверхности горелки.

Схема расположения отверстий в зоне 6 головки 3 горелки представляет собой, в проиллюстрированном варианте осуществления, круг, но возможно также расположение отверстий или проемов по любой другой требуемой геометрической схеме, например, удлиненная прорезь или группа отверстий, расположенная в форме эллипса или прямоугольника.

Размер отверстий может быть постоянным или различным, при этом упомянутые отверстия могут иметь однородную или неоднородную схему расположения, т.е. могут быть предусмотрены участки с большей или меньшей плотностью расположения отверстий, с постоянным или переменным шагом между отверстиями.

Крайняя периферийная часть головки 3, которая представляет собой наружный венец для круглой горелки или участок, расположенный вдоль наружного периметра многоугольной горелки, не имеет отверстий и, соответственно, факелов.

На заданном расстоянии от головки 3 горелки расположен распределительный элемент 4, предпочтительно соответствующего горелке размера, который соединен с головкой 3 горелки посредством зажимного приспособления 9 по всему периметру головки 3.

Распределительный элемент 4 имеет также выпуклую форму и содержит перфорированную поверхность с размером отверстий 10 в наружном кольцевом венце по сравнению с размером отверстий центрального внутреннего участка 11, что позволяет газовоздушной смеси циркулировать между распределительным элементом 4 и головкой 3 горелки, равномерно распределяясь и вытекать через выходные отверстия головки 3.

Более конкретно, отверстия 10 с увеличенным сечением, расположенные вдоль периметра или наружного венца, предназначены для облегчения улучшенного подвода газовоздушной смеси и подачи ее в периферийную неперфорированную часть головки 3 горелки.

Описанное выше техническое решение, позволяет части газовоздушной смеси циркулировать между распределительным элементом 4 и головкой 3 горелки, в ее части, не содержащей перфорационных отверстий.

Таким образом, циркулирующая газовоздушная смесь, перед тем как будет выброшена через выходные отверстий головки 3 для создания факела, будет соприкасаться с поверхностью головки 3 горелки в той ее части, где головка 3 горелки не имеет отверстий и факела, тем самым отводя от нее тепло и понижая ее температуру.

Распределительный элемент 4 дополнительно обеспечивает тепловое экранирование лежащего ниже подводящего элемента 2, защищая последний от высоких температур головки 3 горелки и препятствуя, тем самым, перегреву подводящего элемента.

Кроме того, выбранная схема расположения отверстий в распределительном элементе 4 обеспечивает надлежащее его охлаждение все той же циркулирующей газовоздушной смесью.

Было обнаружено, что описанная выше горелка позволяет в полной мере достичь указанного технического результата.

По существу, предложенная газовая горелка обеспечивает решение тех проблем, которые имели место в упомянутых выше предшествующих газовых горелках с предварительным смешиванием. При очень простой и безопасной схеме эксплуатации она характеризуется экономичной конструкцией, включая систему охлаждения, в которой используется та же газовоздушная смесь, которая протекает через горелку, существенно снижая температуру того участка головки горелки, на котором отсутствует факел.

Это улучшает условия охлаждения наряду с тем, что конструкция головки горелки обеспечивает ее плотное прилегание к корпусу камеры сгорания, за счет чего решается задача по исключению использования каких-либо изолирующих огнестойких материалов.

Также, благодаря тому, что распределительный элемент обеспечивает тепловую защиту подводящего элемента, горелка, в соответствии с настоящим изобретением, может действовать при пониженной скорости выпуска газовоздушной смеси и факеле, расположенном очень близко к поверхности головки горелки, благодаря чему снижается минимальная мощность работающей горелки при одновременном увеличении диапазона регулирования мощности с коэффициентом регулирования более 1:10.

Дополнительно, отверстия в головке горелки, имеющие различные диаметры, обеспечивают оптимальное и однородное сгорание за счет «увеличенного» диапазона мощности горелки, являющейся объектом изобретения.

Кроме того, выпуклая форма и зажимное приспособление, соединяющее головку горелки и распределительный элемент, обеспечивают увеличение механической прочности и срока эксплуатации горелки, а также предельную простоту ее конструкции.

При практическом осуществлении изобретения, используемые материалы, а также размер и форма могут быть любыми, в зависимости от предъявляемых требований.

1. Газовая горелка с предварительным смешиванием и образованием газовоздушной смеси, содержащая подводящий элемент, головку горелки и расположенный между ними распределительный элемент, отличающаяся тем, что распределительный элемент содержит множество отверстий, расположенных по окружности периферийного венца или вдоль периметра, имеющих увеличенное сечение, выполненных с обеспечением возможности поступления увеличенного количества газовоздушной смеси в периферийную не имеющую отверстий зону головки горелки, и способствующих циркуляции части газовоздушной смеси между распределительным элементом и головкой горелки перед выбросом смеси через выходные отверстия головки и формированием факела, и с обеспечением соприкосновения смеси с поверхностью головки горелки на участках, не имеющих факела, отбора тепла и ограничения температуры головки; при этом распределительный элемент установлен с обеспечением теплового экранирования находящегося ниже подводящего элемента, защиты его от высоких температур головки горелки и препятствия его перегреву; а схема расположения отверстий распределительного элемента выполнена с учетом обеспечения охлаждения его за счет той же циркуляции газовоздушной смеси.

2. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что распределительный элемент содержит множество разных отверстий, позволяющих протекать увеличенному количеству газовоздушной смеси через участки головки горелки, не имеющие отверстий и находящиеся вне зоны формирования факела, обеспечивая охлаждение упомянутых участков головки горелки.

3. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что подводящий элемент выполнен с обеспечением поддержки и объединения в общую конструкцию распределительного элемента и головки горелки; при этом он снабжен тепловой защитой, обеспечиваемой распределительным элементом и потоком газовоздушной смеси, предотвращающими его перегрев.

4. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что головка горелки имеет выпуклую форму и габариты, выбранные с учетом полного перекрытия камеры сгорания, в которой расположена головка горелки.

5. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что головка горелки содержит в своей центральной части перфорацию, при этом периферийный венец головки горелки выполнен без отверстий.

6. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что выполнена с обеспечением вытекания газовоздушной смеси через выходные отверстия головки горелки и инициализации на ее наружной поверхности реакции горения с воспламенением газовоздушной смеси и формированием факела.

7. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что головка горелки имеет выпуклую форму, выбранную с учетом обеспечения механической прочности горелки и исключения взаимного перекрытия фронтов отдельных струй факела горелки, создавая условия для более чистого сгорания.

8. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что головка горелки содержит отверстия разного диаметра, выполненные с возможностью формирования факела на ее поверхности.

9. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что головка горелки содержит периферийную часть, выполненную без отверстий для формирования факела.

10. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что распределительный элемент имеет габариты по размеру головки горелки и соединен с ней посредством зажимного приспособления по всему периметру головки горелки.

11. Горелка по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что распределительный элемент имеет выпуклую форму и содержит перфорированную поверхность, имеющую отверстия отличающегося размера на наружном кольцевом участке и на ее внутренней центральной части, выполненные с учетом обеспечения возможности циркуляции газовоздушной смеси между распределительным элементом и головкой горелки с равномерным распределением или поступлением в выходные отверстия.