Способ сжигания горючей смеси и горелка для его реализации

Изобретение относится к области энергетики, в частности к способам сжигания горючих смесей в потоке и устройствам для сварки, резки, пайки и нагрева различных материалов пламенем, и обеспечивает при его использовании расширение пределов тепловой мощности и технологических возможностей, расширение диапазона регулирования тепловой мощности, увеличение температуры и скорости истечения струи горючей смеси. Способ сжигания горючей смеси заключается в интенсификации горения основного потока смеси путем подачи активной газовой среды подводом к нему активной газовой среды, которую получают смешиванием кислорода с воздухом, доставляемой в зону горения вспомогательным потоком. 2 н.п.ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к теплотехнике и газовой промышленности, конкретнее, к способам сжигания горючих смесей в потоке и устройствам для сварки, резки, пайки и нагрева различных материалов пламенем.

Известен способ сжигания горючей смеси, заключающейся в интенсификации горения подогревом основного потока смеси путем подвода к нему запально-подогревающего пламени, получаемого сжиганием такой же смеси, доставляемой в зону горения вспомогательным потоком [1].

Недостатком данного способа является необходимость дополнительных затрат энергии на создание запально подогревающего пламени и, как следствие, снижение экономического эффекта ввиду перерасхода сред горения.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ сжигания горючей смеси, заключающийся в интенсификации горения подогревом основного потока смеси путем подвода к нему запально-подогревающего пламени, получаемого сжиганием такой же смеси, доставляемой в зону горения вспомогательным потоком [2].

Недостатком данного способа является ограниченная тепловая мощность в зоне горения, поскольку расходы смеси связаны между собой нелинейной зависимостью.

Известна горелка для реализации известного способа [1] сжигания горючей смеси, содержащая головку, снабженную соплом основного потока горючей смеси, выходом вспомогательного потока запально-подогревающего пламени и ходом для горючей смеси, выполненными с возможностью ее поступления от источника к выходам.

Недостатком данной горелки являются ее ограниченные технологические возможности, поскольку процесс горения стабилизирован в узком диапазоне тепловых нагрузок.

Наиболее близким является устройство для реализации способа [2], включающее ходы для горючей смеси, выполненные с возможностью регулирования, по меньшей мере, одного из потоков регулятором потока.

Недостатком данной горелки являются ее ограниченные технологические возможности и пределы тепловой мощности, поскольку процесс горения стабилизирован в узком диапазоне тепловых нагрузок.

Известные способы сжигания горючей смеси и горелки для их реализации обладают ограничениями по видам и составу горючих смесей и технологическим возможностям и характеризуются узкими пределами тепловой мощности.

Технический результат изобретения - повышение качества горения, а именно расширение пределов тепловой мощности и технологических возможностей, расширения диапазона регулирования тепловой мощности, увеличение температуры и скорости истечения струи.

Технический результат изобретения достигается тем, что в зону горения подают активную окислительную среду, состоящую из смеси кислорода и озона в концентрации 5...10%, и что в зону горения пропускают, по меньшей мере, один вспомогательный дополнительный поток озона.

Механизм окисления металлов активными газовыми средами протекает в виде реакции:

М+Ох=М^+z+Red,

Где М - металл, Ox - частица окислителя, Red - его восстановленная форма

(Ох имеет заряд «+ze» или Red - заряд «-ze») [3].

Как известно, горючие вещества в среде озона сгорают гораздо быстрее и дают более высокие температуры, чем при сжигании тех же самых веществ в кислороде. Это связано с основным качеством озона, определяющим специфику его физических и химических свойств - большой избыточной энергии его молекулы. Так, при воздействии озона с метаном на один моль приходится энергия, равная 62,4 кДж. Распад молекулы озона, инициируемый столкновением с какой - либо частицей X, также сопровождается выделением энергии. Ход превращения озона

О₃+Х=Х+O₂+О и затем

O+O₃=2O₂.

При этом превращение озона в кислород сопровождается выделением энергии

2O₃=3O₂+288 кДж.

Процесс распада озона в газовой среде принимает интенсивный характер при температурах выше 100 градусов по Цельсию [3, 4].

Полезная теплопроизводительность при увеличении скорости подачи, так как столкновения частиц происходят интенсивнее при увеличении скорости, вдобавок, увеличивается концентрация озона на входе в зону горения, что способствует увеличению температуры горения. Предварительный подогрев компонентов не приводит к существенному повышению эффективности горелки и является невыгодным, так как затраты энергии на подогрев компонентов близки к величине энергии, выделившейся после сгорания нагретых газов.

Пропуская поток активной газовой смеси озона с кислородом в область сгорания газа и сжигая ее, получают более мощное совокупное подогревающее пламя, позволяющее либо сжигать большее количество смеси в основном потоке, либо завершать горение основного потока на более короткой дистанции, т.е. компактировать ядро пламени с повышением его температуры (интенсифицировать горение). Согласно изобретению предлагаемый способ сжигания горючей смеси может включать несколько вспомогательных процессов дополнительной и вспомогательной подачи газовых сред.

Известно, что эффективность сгорания газовых сред определяется температурой горения, формой и цветом пламени, поэтому в лабораторных условиях были проведены исследования влияния количества озона в смеси на форму и цвет пламени на выходе из горелки. При подачи озона и кислорода в соотношении 1:10 длина факела уменьшалась на 30%, а цвет пламени в ядре приобретал более голубой оттенок. Была проведена оценка времени прогрева экспериментальных образцов материала, в том числе стали Ст 3 и сплава Х18Н9Т. Время прогрева до температуры 800°С уменьшилось на 10-20%.

Корпус горелки для реализации способа сжигания горючей смеси (фиг.1) состоит из канала подачи кислорода 1, дополнительного канала подачи озона 2, канала подачи газа 3, канала подачи смеси озона с кислородом 4, корпуса 5, по меньшей мере, одного вспомогательного канала подачи озона 7, содержащий регулятор подачи озона 8, Регуляторы подачи среды в основных 1, 3 и дополнительном 2 каналах обозначены 6. Канал 7 выполнен с проходным сечением, обеспечивающим подачу озона в необходимом количестве в ядро пламени 9.

Наиболее эффективное достижение цели изобретения создается возможностью регулирования расхода каждого из компонентов горючей смеси регуляторами потока. При полном закрытии регуляторов 6 в каналах подачи озона (фиг.1).

Горелка работает следующим образом.

При закрытом регуляторе подачи озона 8 открывают регулятор 6 в каналах подачи кислорода и газа. Газ от источника начинает поступать к выходу, где его поджигают от постороннего источника тепла (открытого пламени). Регуляторами подачи сред 6 настраивают подачу кислорода в основном канале подачи смеси озона с кислородом 4 и дополнительные каналы подачи, при этом регулятор 6 дополнительного канала подачи озона остается закрытым.

При открытии регулятора 6 в дополнительном канале подачи озона 2 озон начинает поступать по основному каналу подачи смеси озона с кислородом 4 и смешивается с кислородом, что усиливает процесс горения.

Если увеличение мощности факела путем увеличения расхода озона в основном канале подачи 4 является недостаточным, то открывают регулятор 8, вспомогательный поток озона начинает поступать по вспомогательному каналу подачи 7 и направляется через отверстие в ядро пламени 9. Вспомогательный поток озона усиливает интенсивность горения, и возможность отрыва пламени минимизируется. При увеличении подачи озона по вспомогательному каналу 7 пламя получается более широким и удобным для нагрева различных материалов, при уменьшенной подаче и при открытии регулятора 6 на кислородной линии удается получить пламя с компактным ядром, которое удобно при сварке или пайке.

Возможность оперативного управления потоками с помощью регуляторов, дополнительные каналы подачи озона позволяют существенно расширить диапазон тепловых мощностей сжигаемых горючих смесей и технологические возможности горелки. При этом достигается побочный эффект в виде экономии топлива.

Информационные источники

1. Патент СССР N 218083, кл. F23D 14/48, 1968.

2. Патент РФ №2064632, кл. F23D 14/48, 1996.

3. Некрасов Б.В. Учебное пособие: Основы общей химии. М.: Издательство, 2000. - С.400.

4. Химическая энциклопедия: В 5 т.: т.3.: Меди - Полимерные / Редкол.: Кнунянц И.Л. и (гл. ред.) и др. - М.: Большая Российская Энциклопедия, 1992. - 639 с.

1. Способ сжигания горючей смеси, заключающийся в интенсификации горения смеси путем подвода в зону горения дополнительного потока, отличающийся тем, что в зону горения подают активную окислительную среду, состоящую из смеси кислорода и озона в концентрации 5...10%, и что в зону горения пропускают, по меньшей мере, один вспомогательный дополнительный поток озона.

2. Горелка для сжигания горючей смеси, имеющая каналы для подачи основного и дополнительного потоков, отличающаяся тем, что содержит отдельные каналы подачи компонентов горючей смеси, два из которых - канал подачи кислорода и канал подачи озона образуют один общий канал, причем дополнительный канал подачи озона содержит, по меньшей мере, один вспомогательный канал подачи озона, начало которого находится до регулятора дополнительного канала подачи озона и который выполнен с возможностью регулирования вспомогательного потока озона в ядро пламени, причем каждый из каналов подачи имеет регулятор расхода газовых сред.