Способ стабилизации диффузионного горения водорода в газовой микрогорелке (варианты)

Изобретение относится к области энергетики. Способ стабилизации диффузионного горения водорода в газовой микрогорелке включает генерацию микроструи водорода в коническом сопле горелки с дозвуковой скоростью истечения, струю водорода генерируют в сопле с диаметром на срезе от 0,02 до 0,06 мм, затем поджиг осуществляют непосредственно на срезе сопла, обеспечивая тем самым устойчивую зону перемешивания струи водорода с воздухом и горение в виде присоединенного факела, при этом временный прогрев среза сопла обеспечивает стабильное дозвуковое ламинарное горение как на срезе сопла, так и по всей длине рабочей области факела. Технический результат - стабилизация диффузионного микроструйного горения водорода и обеспечение устойчивого горения водорода. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области сжигания топлива (газообразного водорода) при больших дозвуковых скоростях истечения микроструи (вплоть до трансзвуковых скоростей) при ее диффузионном горении.

Изобретение может быть использовано для термообработки металлов, ремонта и изготовления ювелирных изделий, стоматологических протезов, пайки проводов, декоративного обжига столярных изделий, отжига старой краски.

Из уровня техники известен патент, в котором заявлены способ и горелка для сжигания водорода [1]. При диффузионном горении водород и окислитель подаются в горелку, причем, кроме того, основное направление протекания определяется направлением протекания окислителя, а водород в направленном в основном перпендикулярно к основному направлению протекания поперечном потоке распределяется по отдельным зонам горения. Изобретение заключается в том, что в качестве окислителя используется воздух и поперечный поток связан с мелкодисперсным распределением по большому количеству отдельных микрозон горения.

Недостатком является: значительные технологические затраты из-за увеличения количества зон горения.

В статье [2] описан способ реализации горения водорода в зависимости от граничных и начальных условий на срезе сопла и конструктивные особенности горелки. Установлено, что наличие присоединенного пламени, так называемая «область перетяжки пламени» способствует стабилизации диффузионного горения микроструи водорода до больших дозвуковых скоростей ее истечения. Показано существенное влияние на этот процесс граничных (ударный или параболический профиль скорости на срезе сопла) и начальных (наличие или отсутствие массива теплоемкого материала на срезе сопла) условий. Установлено, что горелка с параболическим профилем скорости на срезе сопла (длинное сопло ) и наличием массива теплоемкого материала на выходе из сопла (толстостенное сопло) способствует сохранению горения в «области перетяжки пламени» на скорости истечения микроструи близкой к трансзвуковой скорости. С другой стороны, учитывая результаты исследований с «приподнятым пламенем» (в отсутствии «области перетяжки пламени»), где установлена неустойчивость данного вида горения, можно еще раз констатировать, что «область перетяжки пламени» при диффузионном горении микроструи водорода является гарантом устойчивости данного процесса горения.

За прототип выбран способ, описанный в статье [3] в которой раскрываются особенности микроструйного диффузионного горения водорода, связанного с наличием «области перетяжки пламени». Обнаружена стабилизация процесса диффузионного горения водорода в «области перетяжки пламени» по причине воздействия на него тороидального вихря, способствующего как интенсификации процесса смешения водорода с окружающим воздухом и одновременно стабилизирующего ламинарное течение удлиненной микроструи и ламинарное диффузионное горение в данной области. Установлено, что пространственный размер «области перетяжки пламени» с ростом расхода водорода сначала резко уменьшается, а затем постепенно увеличивается одновременно с изменением формы «области перетяжки пламени», пока горение в данной области не прекращается. Показано, что дозвуковое диффузионное горение круглой микроструи водорода связано с наличием «области перетяжки пламени» в широком диапазоне расхода водорода, или скорости ее истечения близкой к трансзвуковой скорости.

Задачей изобретения является создание условий для стабилизации диффузионного микроструйного горения водорода до больших скоростей истечения микроструи и обеспечения устойчивого горения водорода при наличии узконаправленного ламинарного пламени и ламинарного горения в «области перетяжки пламени» как при наличии, так и отсутствии турбулентного пламени.

«Область перетяжки пламени» представляет область ламинарного пламени сферической формы, охватывающая выход микросопла и замкнутая узким участком градиента плотности газа (эта область обозначена символом Q на рис. 1, 3).

Поставленная задача реализуется двумя способами (Варианты).

По Варианту 1 способ стабилизации диффузионного горения в газовой горелке включает генерацию струи водорода в конусном микросопле горелки с дозвуковой скоростью истечения, которая может быть рассчитана по известному соотношению: U=Q/S, где Q - расход водорода (регулируется), S - площадь выходного сечения. Согласно изобретению струю водорода генерируют в сопле с диаметром на срезе сопла от 0,02 до 0,06 мм, осуществляют поджиг непосредственно на срезе сопла, где образуется устойчивая зона перемешивания струи с воздухом и горение ее в виде присоединенного факела, при этом факел прогревает часть сопла и обеспечивает стабильное ламинарное горение, как на срезе сопла, так и во всей рабочей области факела.

По Варианту 2 согласно изобретению струю водорода генерируют в сопле с диаметром на срезе сопла от 0,1 до 3 мм, затем осуществляют поджиг непосредственно на срезе сопла, где образуется устойчивая зона перемешивания струи с воздухом и горение в виде присоединенного факела, прогревающего часть сопла и обеспечивающее стабильное ламинарное горение на срезе сопла, которое затем переходит в стабильное дозвуковое турбулентное горение во всей рабочей области факела.

Положительный эффект достигается благодаря стабилизации процесса диффузионного горения микроструи водорода на больших скоростях ее истечения (вплоть до трансзвуковых) с наличием, так называемой, «области перетяжки пламени» и возможности сохранять неизменность направленности факела в независимости от пространственной ориентации микрогорелки.

На фиг. 1 - показана диффузионная газовая микрогорелка водорода, в которой реализуется описанный способ по Варианту 1. Горелка состоит из корпуса 1 с набором детурбулизирующих сеток 2 и хонейкомба 3 для создания ламинарного течения в удлинительной трубке 4 и микросопле 5. Микросопло 5 имеет коническую форму с размером выходного отверстия на срезе сопла диаметром от 0,02 до 0,06 мм. Водород подается в горелку из баллона 6 с регулятором расхода газа 7 через измерительный прибор 8 величины объемного расхода водорода. На выходе микроструи из сопла при ее диффузионном горении, реализуется ламинарное пламя (факел), состоящее из «области перетяжки пламени» 9 (Q) и области ламинарного пламени 10 (фиг. 1).

На фиг. 2 - показаны теневые картины диффузионного горения водорода, истекающего из круглого выходного отверстия микросопла диаметром 0,03 мм (Sсопла=πd2/4=3,14×0,003 см2/4=0,0000071 см2; U=Q(см3/сек)/Sсопла(см2)=U(м/сек) при различной скорости истечения микроструи U(м/сек): а - 1127, b - 986, с - 845, d - 704.

Данный пример демонстрирует процесс диффузионного горения ламинарной микроструи водорода с возникновением чисто ламинарного узконаправленного пламени на больших (вплоть до трансзвуковых) скоростей ее истечения.

На фиг. 3 - показана диффузионная газовая горелка водорода, в которой реализуется описанный способ по Варианту 2. Горелка состоит из корпуса 1 с набором детурбулизирующих сеток 2 и хонейкомба 3 для создания ламинарного течения в удлинительной трубке 4 и микросопле 5. Микросопло 5 имеет коническую форму с размером выходного отверстия на срезе сопла диаметром от 0,1 до 3 мм. Водород подается в горелку из баллона 6 с регулятором расхода газа 7 через измерительный прибор 8 величины объемного расхода водорода.

На выходе микроструи из сопла при ее диффузионном горении, реализуется ламинарно - турбулентное пламя (факел), состоящее из: «области перетяжки пламени» 9 (Q), области ламинарной микроструи 10, области градиента плотности газа 11, области турбулентной микроструи 12 и области турбулентного пламени 13.

Таким образом, в Способе 2 реализуются две области горения: область ламинарного присоединенного пламени, так называемая «область перетяжки пламени» 9(Q) с ламинарной микроструей 10 и область турбулентного пламени микроструи 12 с турбулентной микроструей 13, возникающей по причине взрывного характера преодоления ламинарной микроструей узкой области градиента плотности газа 11 и ее мгновенной турбулизацией (фиг. 3).

Для примера графики зависимостей размера «области перетяжки пламени» при диффузионном горении микроструи водорода (сопло: d=0,5 мм) от направления и скорости ее истечения при стабильном горении во всей рабочей области турбулентного факела показаны на фиг. 4. Данный пример демонстрирует особенности развития пламени и «области перетяжки пламени» в процессе диффузионного горения ламинарной микроструи водорода в зависимости от скорости ее истечения и пространственной ориентации.

Способы по Варианту 1 и 2 реализуется следующим образом.

Способ стабилизации диффузионного горения в газовой горелке по Варианту 1 заключается в генерации микроструи водорода в коническом микросопле горелки с расчетной скоростью истечения по известному соотношению: U=Q/S, где Q - расход водорода, S - площадь выходного сечениях [4]. Согласно изобретению струю водорода генерируют в сопле с диаметром на срезе сопла от 0,02 до 0,06 мм, осуществляют поджиг струи водорода непосредственно на срезе сопла, где образуется устойчивая зона перемешивания струи с воздухом и горение ее в виде присоединенного факела, при этом факел прогревает часть сопла и обеспечивает стабильное ламинарное горение, как на срезе сопла, так и во всей рабочей области факела.

Микрогорелка обеспечивает стабилизацию пламени при горении водорода до больших скоростей его истечения (близких к скорости звука), сохраняя ламинарный характер развития пламени и малом угле его распространения (около 5 градусов). При этом, температура составляющих компонент продуктов сгорания топлива может превышать 500°C и доходить до 1100°C в на выходе из микросопла.

Использование предлагаемого способа стабилизации горения водорода в газовой горелке позволяет повысить устойчивость факела к срыву вплоть до трансзуковой скорости струи водорода и его теплонапряженность путем обеспечения диффузионного горения. Горение факела ламинарное (обеспечивает расходимость всей рабочей области факела не более 5 градусов)

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности использования заявляемого изобретения для ювелирных работ путем формирования стабильного узконаправленного высокотемпературного пламени для тонких ювелирных изделий не пережигая их.

Способ стабилизации диффузионного горения в газовой горелке по Варианту 2 заключается в генерации струи водорода в коническом сопле горелки с расчетной скоростью истечения по известному соотношению: U=Q/S, где Q - расход водорода, S - площадь выходного сечениях [4]. Согласно изобретению струю водорода генерируют в сопле с диаметром на срезе сопла от 0,1 до 3 мм, осуществляют поджиг струи водорода непосредственно на срезе сопла, где образуется устойчивая зона перемешивания струи с воздухом и горение ее в виде присоединенного факела, при этом факел прогревает часть сопла и обеспечивает стабильное ламинарное горение на срезе сопла. С ростом скорости истечения микроструи размер «области перетяжки пламени» уменьшается при сохранении стабильного горения во всей рабочей области турбулентного факела.

Способ стабилизации горения водорода по Варианту 2 до больших скоростей его истечения (близких к скорости звука) обеспечивает турбулентный характер развития пламени в рабочей области факела, при расходимости факела не более 15 градусов, которая может быть использована для прогрева изделий перед дальнейшей обработкой, например сваркой. При этом, температура составляющих компонент продуктов сгорания топлива может превышать 500°C и доходить до 1100°C на выходе из микросопла.

Источники информации:

1. Патент RU 2152559, F23D 14/22, 1996 г;

2. A.G. Shmakov, G.R. Grek, V.V. Kozlov, Yu.A. Litvinenko, Influence of initial and boundary conditions at the nozzle exit upon diffusion combustion of a hydrogen microjet. // International Journal of Hydrogen Energy (ELSEVIER 2017), Volume 42, Issue 24, pp. 15913-15924;

3. Шмаков А.Г., Грек Г.Р., Козлов В.В., Козлов Г.В., Литвиненко Ю.А. Экспериментальное исследование диффузионного горения высокоскоростной круглой микроструи водорода. Часть 1. Присоединенное пламя, дозвуковое течение // Сибирский физический журнал. 2017. Т. 12, №2. С. 28-45. - прототип

4. Д.С. Горшенин, А.К. Мартынов Руководство к практическим занятиям в аэродинамической лаборатории // Издательство Машиностроение, Москва 1967, 224 С.

1. Способ стабилизации диффузионного горения водорода в газовой микрогорелке, включающий генерацию микроструи водорода в коническом сопле горелки с дозвуковой скоростью истечения, отличающийся тем, что струю водорода генерируют в сопле с диаметром на срезе от 0,02 до 0,06 мм, затем поджиг осуществляют непосредственно на срезе сопла, обеспечивая тем самым устойчивую зону перемешивания струи водорода с воздухом и горение в виде присоединенного факела, при этом временный прогрев среза сопла обеспечивает стабильное дозвуковое ламинарное горение как на срезе сопла, так и по всей длине рабочей области факела.

2. Способ стабилизации диффузионного горения водорода в газовой микрогорелке, включающий генерацию микроструи водорода в коническом сопле горелки с дозвуковой скоростью истечения, отличающийся тем, что струю водорода генерируют в сопле с диаметром на срезе от 0,1 до 3 мм, затем поджиг осуществляют непосредственно на срезе сопла, обеспечивая тем самым устойчивую зону перемешивания струи водорода с воздухом и горение в виде присоединенного факела, при этом временный прогрев среза сопла обеспечивает стабильное ламинарное горение на срезе сопла, переходящее затем в стабильное дозвуковое турбулентное горение по всей длине рабочей области факела.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к газогорелочным устройствам и может быть применено в газовой промышленности для сжигания попутных и продувочных газов, особенно содержащих конденсат и сероводородные соединения.

Изобретение относится к области энергетики. Блок горелки (100) для сжигания низкокалорийных газов, протекающих через первую цилиндрическую трубу, содержит трубу (102) горелки, расположенную вдоль по оси (104) трубы горелки, причем труба (102) горелки содержит расширительную трубу (112), соединенную с первой трубой, причем площадь поперечного сечения расширительной трубы, проходящая по существу перпендикулярно оси (104) трубы горелки, больше площади поперечного сечения первой трубы; распределительный узел (120), расположенный внутри нижней по потоку части расширительной трубы (112), распределительный узел (120) имеет верхний по потоку конец (122), обращенный к верхней по потоку части расширительной трубы (112) и нижний по потоку конец (124) распределительного узла, причем распределительный узел (120) определяет максимальную площадь поперечного сечения распределительного узла, проходящую по существу перпендикулярно к оси (104) трубы горелки, причем максимальная площадь поперечного сечения распределительного узла составляет приблизительно от 30% до 50% площади поперечного сечения расширительной трубы; множество направляющих лопаток (130), соединяющих расширительную трубу (112) и распределительный узел (120), каждая из множества направляющих лопаток (130) содержит верхнюю по потоку поверхность (132), обращенную к верхней по потоку части расширительной трубы (112), и ориентированную под углом направляющей лопатки, который составляет приблизительно от 20 до 45 градусов, относительно оси (104) трубы горелки; и дефлектор (140) соединенный с распределительным узлом (120), причем внешняя поверхность дефлектора (146) имеет по существу форму усеченного конуса, проходящую радиально наружу от оси (104) трубы горелки и в осевом направлении ниже по потоку от нижнего по потоку конца (124) распределительного узла, внешняя поверхность (146) дефлектора ориентирована под углом, который составляет приблизительно от 20 до 45 градусов, относительно оси (104) трубы горелки.

Изобретение относится к горелочным устройствам, предназначенным для сжигания топлива в печах и других теплотехнических устройствах различного назначения. Горелка факельная содержит цилиндрический корпус с патрубком для устройства розжига и контроля факела пилотной горелки, установленный в полости корпуса коаксиально и защищенный экраном кольцевой газовый коллектор со сменными соплами, оси каналов трубок которых направлены под острым углом к плоскости оси горелки, трубопровод подачи газа, регулируемый воздуховод, образованный центральным отверстием кольцевого газового коллектора и управляемым завихрителем в нем, в цилиндрическом корпусе, в месте расположения запального патрубка, установлен дополнительный патрубок, соединенный с контролирующим соплом, корпус которого соединен трубкой через игольчатый вентиль с кольцевым газовым коллектором и трубопроводом подачи газа, а на выходе из торцевого отверстия корпуса контролирующего сопла, размещенного в дополнительном патрубке, установлен датчик контроля пламени, не реагирующий на факел пилотной горелки, причем на боковой поверхности корпуса контролирующего сопла выполнены инжекционные отверстия для воздуха и установлена поворотная заслонка.

Изобретение относится к двухтрубным щелевым горелкам с принудительной подачей воздуха, предназначенным для сжигания газа. Щелевая горелка с принудительной подачей воздуха содержит воздухораспределительный короб с воздухоподающим патрубком, соединенным с дутьевым вентилятором, щелевой канал, образованный блоками из огнеупорного материала и соединенный с воздухоподводящим каналом, направляющие стенки, установленные в воздухоподводящем канале, и двухтрубный коллектор, расположенный в воздухоподводящем канале под блоками из огнеупорных материалов, каждая трубка которого содержит один ряд газовыпускных отверстий, каждый из которых повернут под углом 45° по отношению к поперечному потоку воздуха, дополнительно снабжена щелевым коробом с параллельными направляющими стенками, облицованными внутри монолитными плитами из огнеупорного материала, на выходе воздухораспределительного короба установлена стальная воздухораспределительная решетка, вставленная между двумя стальными пластинами, расстояние между которыми равно ширине щелевого канала, причем площадь живого сечения отверстий воздухораспределительной решетки больше площади сечения воздухоподающего патрубка воздухораспределительного короба в 0,4-0,7 раз, а боковые поверхности воздухораспределительного короба выполнены клиновидными.

Изобретение относится к области энергетики, в частности к агрегатам для увлажнения снежной массы при поточном строительстве снеголедовых дорог и грунтовых аэродромов в Северных районах.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для сжигания сбросных газов с целью их утилизации. Факельный оголовок содержит газоподводящий патрубок, установленный на входе в смеситель, представляющий собой полую обечайку с профилированным входом и выходом, при этом на смесителе закреплены два кольцевых коллектора, расположенных на одной оси и соединенных между собой с помощью пневматических форсунок, расположенных равномерно по окружности, причем один коллектор соединен с системой подачи сбросного газа, а другой коллектор соединен с системой подачи воды, в варианте исполнения пневматические форсунки расположены под углом к оси смесителя.

Изобретение относится к газогорелочным устройствам и может найти применение при сжигании попутных нефтяных газов. Труба факельная включает опору, корпус и штуцер ввода газа.

Изобретение относится к устройству факельных установок и может быть использовано в нефтегазовой, нефтехимической, химической, коксохимической и других отраслях промышленности для полного сжигания сбросов факельных горючих газов.

Изобретение относится к оголовкам факельной установки для сжигания аварийных выбросов газа и может быть использовано в нефтегазодобывающей и других отраслях промышленности, связанных с аварийным сжиганием газа.

Предлагаемое техническое решение относится к газогорелочным устройствам и может применяться для сжигания топлива любой степени насыщенности. Универсальная факельная установка содержит выполненные цилиндрическими и расположенные соосно основание, оголовок с множеством боковых форсуночных отверстий на его боковой поверхности и кожух, расположенный со сквозным радиальным зазором вокруг оголовка.

Изобретение относится к области энергетики. Способ стабилизации диффузионного горения водорода в газовой микрогорелке включает генерацию микроструи водорода в коническом сопле горелки с дозвуковой скоростью истечения, струю водорода генерируют в сопле с диаметром на срезе от 0,02 до 0,06 мм, затем поджиг осуществляют непосредственно на срезе сопла, обеспечивая тем самым устойчивую зону перемешивания струи водорода с воздухом и горение в виде присоединенного факела, при этом временный прогрев среза сопла обеспечивает стабильное дозвуковое ламинарное горение как на срезе сопла, так и по всей длине рабочей области факела. Технический результат - стабилизация диффузионного микроструйного горения водорода и обеспечение устойчивого горения водорода. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Наверх