Двухдиапазонная модуляционная газовая горелка полного предварительного смешивания

Авторы патента:

F23D14/02 - горелки с заранее приготовленной газовой смесью, т.е. горелки в которых газообразное топливо смешивается с воздухом до зоны сгорания

Владельцы патента RU 2727117:

Торопов Алексей Леонидович (RU)

Изобретение относится к области энергетики. Газовая модуляционная горелка полного предварительного смешивания состоит из цилиндрической головки, заглушенной с одной стороны и прикрепленной к фланцу корпуса горелки другой стороной. Образующая поверхность головки горелки перфорирована отверстиями для выхода газообразной смеси топлива. Цилиндрическая часть горелки разделена внутренней перегородкой, разделяющей горелку на две зоны, работа одной из которых может выполняться отдельно. В разделительной перегородке установлен клапан со штоком, обеспечивающий прохождение газовоздушной топливной смеси между внутренними зонами цилиндрической части горелки, образуя единое пространство, и обеспечивающий горение по всей поверхности горелки. Изобретение позволяет устойчиво функционировать в широком диапазоне изменения тепловой мощности теплогенерирующего устройства, повысить качество сжигания топлива. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к теплоэнергетике к устройству газовых горелок предварительного смешивания горючих газов. Может применяться для газовых теплогенераторов систем централизованного и децентрализованного отопления и подготовки горячей воды, промышленных установок и в индивидуальном строительстве.

Уровень техники

В современных системах отопления и подготовки горячей воды широко используются газовые котлы, оснащенные модуляционными горелками, обеспечивающими автоматическое изменение мощности в зависимости от потребности в тепле. Диапазон изменения мощности горелки - важнейший показатель, влияющий на энергетическую эффективность энергетической установки и количество вредных выбросов в атмосферу, возникающих при сгорании топлива. Способность максимально обеспечить комфорт в отапливаемом помещении, достичь наивысшие показатели энергетической эффективности, экономичности, увеличить срок службы теплогенерирующей системы определяется диапазоном изменения мощности горелки.

Известно, что широкий диапазон изменения мощности теплогененирующего устройства можно достигнуть последовательным включением нескольких менее мощных теплогенераторов, объединяя их в каскад котлов. При этом диапазон изменения тепловой мощности может достигать значений, равных 10 и более раз. Диапазон изменения тепловой мощности цилиндрических горелок, выполненных в одном устройстве, обычно не превышает 5 раз.

Известно изобретение - котел для отопления, содержащий корпус, подводящие и отводящие магистрали для воды и топлива, теплообменные, параллельные между собой, секции, горелку, общие теплообменник и газоотводную трубу, отличающийся тем, что теплообменные секции котла выполнены съемными, независимыми друг от друга, для чего каждая секция снабжена вытяжным вентилятором, индивидуальной горелкой и первичным теплообменником, первичные теплообменники связаны с общим вторичным теплообменником, на подводящих и отводящих магистралях установлена запорная арматура, при этом на входе теплообменных секций установлены клапаны, регулирующие подачу газа. Данный котел, благодаря каскаду параллельно соединенных секций отдельных котлов, обладает высоким диапазоном изменения тепловой мощности. (Патент на изобретение RU 2688132 С1, МПК F24H 1/32, опубл. 17.05.2019 г.)

Недостатком данного котла являются высокая стоимость конструкции.

Известно изобретение на газовую горелку, содержащую трубу с покрывающим ее элементом, снабженным множеством отверстий. Горелка содержит средство для крепления трубы к камере сгорания, средство подачи газа окислителя. Внутри трубы расположено устройство для возможности подачи минимального количества газа. Устройство содержит вогнутый элемент с боковыми стенками и дном, наконечник канала подачи газа с множеством отверстий, искровой электрод и зонд (Патент США №295207, F23D 14/02, 2012).

Недостатком конструкции является сложность обеспечения равномерного горения вдоль поверхности трубы, приводящая к не полному сгоранию топлива на определенных участках и повышенному выделению вредных веществ, низкий диапазон изменения тепловой мощности газовой горелки в процессе регулирования.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является голова горелочного устройства, включающая в себя корпус, в котором коаксиально установлен цилиндрический газовый коллектор с центральным каналом, центральный диск-диффузор, регулировочное кольцо, установленное на внутренней поверхности корпуса с возможностью перемещения относительно продольной оси горелочной головы, при этом корпус снабжен диффузорно-конфузорной выходной насадкой; цилиндрический газовый коллектор установлен в корпусе с образованием кольцевого канала для подачи периферийного воздушного потока в зону горения; на внешней поверхности цилиндрического газового коллектора по окружности размещены аксиальные лопатки, установленные под углом 30-40° к продольной оси горелочной головы (Патент на изобретение RU 2660592 С1, МПК F23D 14/02, опубл. 06.07.2018 г.)

Недостатком данного изобретения является то, что устойчивая работы данного горелочного устройства происходит в рабочем диапазоне нагрузок котла только от 40% до 100% от номинальной мощности.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является разработка цилиндрической горелки предварительного смешивания, способной устойчиво функционировать в широком диапазоне изменения от 5% до 100% тепловой мощности теплогенерирующего устройства, обеспечивающим наивысшую эффективность при работе систем отопления и горячего водоснабжения и других технологических процессах за счет возможности максимально полного соответствия производимой тепловой мощности величине потребной тепловой мощности рассматриваемых объектов. Стандартный диапазон изменения тепловой мощности цилиндрических газовых модуляционных горелок составляет от 3 до 5 раз.

Газовые котлы широко применяются в отоплении и подготовке горячей воды индивидуальных домохозяйств и для поквартирного отопления и подготовки горячей воды многоэтажных городских домов. При этом средняя площадь квартир составляет 55 квадратных метров, и для отопления данного помещения требуется не более 5 киловатт тепловой энергии в час, а в весенне-осенний период времени - не более 3 киловатт. Для подготовки горячей воды в таких квартирах требуется тепловая мощность от 20 до 24 киловатт в час. Применяемые для данных целей настенные газовые котлы имеют мощность от 20 до 24 киловатт при модулировании тепловой мощности от 7 до 24 киловатт. Таким образом, применяемые в настоящее время для указанных целей настенные газовые котлы для обеспечения режима «отопление» с мощностью от 2 до 3 киловатт не могут работать без перерывов в работе, переходя в режим «тактования» (режим постоянного включения - выключения). Режим «тактования» - наиболее опасный режим с максимальными выбросами парниковых газов в процессе работы, наихудшими характеристиками энергетической эффективности и наименьшими сроками срока службы. Необходимо минимизировать данный режим работы в котельном оборудовании.

Технический результат достигается с помощью разделения поверхности горения горелки теплового генератора на два диапазона. Один выделенный диапазон полностью обеспечивает режим отопления с небольшой тепловой мощностью, второй диапазон изменения мощности полностью обеспечивает режим подготовки горячей воды. Это решение выполняется с помощью клапанного устройства, расположенного внутри цилиндрической части горелки и приводимого в движение электромеханическим или электромагнитным приводом. Площадь горения первой зоны составляет 35% от полной поверхности горения и формирует первый диапазон изменения тепловой мощности горелки. Второй диапазон изменения тепловой мощности распространяется на всю поверхности горения. Полный диапазон изменения тепловой мощности составляет 20 раз, что многократно превышает диапазоны изменения тепловой мощности газовых горелок с одним диапазоном изменения.

Краткое описание чертежей.

На фигуре 1 представлена схема цилиндрической двухдиапазонной модуляционной газовой горелки полного предварительного смешивания.

Предлагаемая в качестве изобретения газовая горелка состоит из цилиндрического корпуса 1 из нержавеющей стали с перфорацией отверстиями для прохождения газовоздушной смеси, торцевой заглушки 2, прикрепленного к корпусу горелки фланца 3 с проходом 7, перегородки 4 с центральным отверстием и направляющим, в которых перемещается клапан 5 со штоком, поступательное движение которого выполняется с помощью привода 6. Газовоздушная смесь предварительного смешенного топлива поступает в горелку через проход 7. В горелке цилиндрический корпус 1 может быть покрыт сеткой (слоем) 8 из металлической проволоки или керамической конструкции для более равномерного низкопламенного горения.

Осуществление изобретения

Газовоздушная смесь полного предварительного смешивания поступает в корпус горелки через проход 7 во фланце 3. Клапан 5 закрыт, таким образом, что пространство горелки заполняет только зону D, являющейся частью горелки. Газовоздушная смесь выходит на поверхность горелки только в зоне длиной А, являющейся частью общей длины С цилиндрической горелки, где поджигается воспламенителем (на фигуре 1 не показан), при этом газ воспламеняется и при его сгорании выделяется тепловая мощность, предназначенная для обеспечения необходимых технологических процессов. Мощность горелки определяется размером зоны А. Высота пламени определяется давлением газовоздушной смеси в зоне D, которое может изменяться с помощью газового клапана подачи топлива (на фигуре 1 не показан). Диапазон изменения давления газового клапана определяет диапазон изменения (модуляции) тепловой мощности горелки, образуя в целом, первый диапазон тепловой мощности горелки. В случае необходимости увеличения тепловой мощности горелки, системой управления работой газовой горелки подается сигнал на привод 6 штока клапана 5, клапан открывается, и газовоздушная топливная смесь поступает в зону Е через отверстие в перегородке 4, при этом, газовое топливо выходит на поверхность цилиндрического корпуса 1 горелки по всей длине С, где воспламеняется. Второй диапазон мощности горелки равен суммарной мощности первой зоны D и второй зоны Е горелки. Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет эффективно работать газовой горелке в широком диапазоне изменения вырабатываемой тепловой мощности в двух диапазонах с модуляцией мощности как внутри первого диапазона, так и внутри второго диапазона. Широкий диапазон изменения мощности обусловлен возможностью изменения как давления газа в газовоздушной смеси топлива, так и возможностью изменения площади горения топлива.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:

- горелка способна работать в двух диапазонах необходимой тепловой производительности, обеспечивая плавное регулирование тепловой мощности внутри каждого диапазона отдельно;

- полный диапазон изменения тепловой мощности горелки превышает значение известных конструкций в несколько раз;

- применение данного изобретения позволяет обеспечивать совпадение величин производимой тепловой мощности и потребной тепловой мощности объекта;

- широкий диапазон производимой тепловой мощности позволяет исключить режимы «тактования» (периодического включения - выключения генерации тепловой мощности), что увеличивает ресурс работы всей технологической системы;

- возможность работы системы в режиме полного постоянного теплового баланса, обеспечивает минимальные выбросы парниковых газов, возникающих при сгорании топлива;

- благодаря широкому диапазону регулирования и работе горелки в режиме полного теплового баланса минимизируется потребление топлива, что приводит к работе с максимальной энергетической эффективностью и снижению стоимости эксплуатационных затрат.

Поскольку заявленное изобретение отличается от наиболее близкого аналога рядом существенных признаков, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».

В основу заявленного изобретения положены известные законы материального мира, что позволяет утверждать о соответствии изобретения условию «промышленная применимость»

Поскольку из уровня техники не известно выполнение конструкции горелки предварительного смешивания двухдиапазонного модуляционного типа, позволяющей плавно регулировать тепловую мощность в двух раздельных диапазонах, обеспечивая эффективную работу теплогенераторов в двух диапазонах тепловой нагрузки значительно отличающихся между собой, можно сделать вывод о соответствии заявленного устройства условию патентоспособности «изобретательский уровень».

1. Газовая модуляционная горелка полного предварительного смешивания, состоящая из цилиндрической головки, заглушенной с одной стороны и прикрепленной к фланцу корпуса горелки другой стороной, образующая поверхность головки горелки перфорирована отверстиями для выхода газообразной смеси топлива, отличающаяся тем, что цилиндрическая часть горелки разделена внутренней перегородкой, разделяющей горелку на две зоны, работа одной из которых может выполняться отдельно.

2. Газовая модуляционная горелка полного предварительного смешивания по п. 1, отличающаяся тем, что в разделительной перегородке установлен клапан со штоком, обеспечивающий прохождение газовоздушной топливной смеси между внутренними зонами цилиндрической части горелки, образуя единое пространство, и обеспечивающий горение по всей поверхности горелки.

3. Газовая модуляционная горелка полного предварительного смешивания по п. 2, отличающаяся тем, что открытие клапана осуществляется электромеханическим приводом посредством перемещения штока клапана.

Изобретение относится к области энергетики. Горелка с предварительным смешением горючего газа и воздуха содержит на основании полый цилиндрический корпус с каналами для подачи воздуха, внутри которого в осевом направлении установлен цилиндрический газовый коллектор и вихреобразователь.

Топливовоздушная горелка и форсуночный модуль топливовоздушной горелки // 2698621

Изобретение относится к газотурбинному двигателестроению, в частности к конструкциям камер сгорания газотурбинных двигателей, наземных газотурбинных двигателей, применяемых в качестве привода нагнетателя газоперекачивающего агрегата или электрогенератора.

Улучшенная вихревая горелка с впрыском топлива до и после завихрителя // 2693534

Изобретение относится к области энергетики. Узел вихревой горелки включает: полый продольно вытянутый корпус, проходящий вдоль центральной оси и имеющий первый конец и второй конец, концевую стенку на первом конце, стенку горелки, расположенную между первым концом и вторым концом и образующую первый объем от первого конца до стенки горелки и второй объем от стенки горелки до второго конца, впуск окислителя в первый объем, по меньшей мере один полый продольно вытянутый блок горелки, имеющий первый конец блока горелки, проходящий снаружи отверстия в концевой стенке от первого объема, причем блок горелки проходит через отверстие в стенке горелки от первого объема ко второму объему ко второму концу блока горелки и образует внутренний объем блока горелки, и включает в себя: вихревой смеситель с осевым завихрением, размещенный внутри блока горелки и расположенный между первым концом блока горелки и вторым концом блока горелки, причем вихревой смеситель включает в себя множество лопаток, имеющих внутренний диаметр и наружный диаметр, первую сторону, направленную и открытую в первый объем, и вторую сторону, направленную и открытую во второй объем, первый впуск топлива в первый объем, причем первый впуск топлива расположен радиально внутри наружного диаметра множества лопаток, и второй впуск топлива во второй объем, ближний ко второму концу блока горелки, расположенный радиально внутри наружного диаметра множества лопаток, причем каждый по меньшей мере один блок горелки образует первую точку, которая является точкой вдоль центральной оси, наиближайшей к первому концу, где плоскость, перпендикулярная центральной оси в упомянутой точке, пересекает множество лопаток вихревого смесителя блока горелки; образует вторую точку, которая является точкой вдоль центральной оси, самой дальней от первого конца, где плоскость, перпендикулярная центральной оси в упомянутой точке, пересекает множество лопаток вихревого смесителя блока горелки; и образует геометрическую среднюю точку вдоль центральной оси, равноудаленную от первой точки и второй точки, при этом каждый первый впуск топлива расположен в точке в осевом направлении относительно центральной оси между впуском окислителя и вихревым смесителем, которая пересекается с плоскостью, перпендикулярной центральной оси и пересекающейся с точкой вдоль центральной оси между 1 и 2 эквивалентными диаметрами окружностей проходного сечения первого впуска топлива из первой точки, и каждый второй впуск топлива расположен в точке между первым впуском топлива и вторым концом, которая пересекается с плоскостью, перпендикулярной центральной оси и пересекающейся с точкой вдоль центральной оси, равной или менее, чем внутренний диаметр множества лопаток из геометрической средней точки.

Малоэмиссионная вихревая горелка // 2693117

Изобретение относится к области энергетики. Малоэмиссионная вихревая горелка содержит полый цилиндрический корпус с воздушными каналами и проточкой, установленный на основании, внутри которого в осевом направлении установлен газовый коллектор с форсункой, в которой радиально и порядно расположены отверстия для струйного истечения газа и вихреобразователь, на форсунку, имеющую радиально расположенные и порядно смещенные на заданный угол наклонные отверстия в форме конических сопел для распыления газа, установлен плоский вихреобразователь с тангенциально отогнутыми вокруг своей оси направляющими лопатками, находящийся в холодной зоне, а корпус горелки состоит из холодной части со сквозными воздухоприемными окнами, сочленяемой через посадочную проточку с жаровой частью, имеющей в оконечной части внутри корпуса форму сопла Лаваля, а снаружи радиальную проточку, в которой тангенциально и с шагом выполнены сквозные эжекционные отверстия, причем на внешней поверхности жаровой части цилиндрического корпуса от этой радиальной проточки до посадочной проточки выполнены продольные или поперечные бороздки или проточки с заданной глубиной, профилем и шагом.

Топливовоздушная форсунка // 2692443

Предлагаемое изобретение относится к газотурбинному двигателестроению, в частности к конструкциям камер сгорания газотурбинных двигателей, наземных газотурбинных двигателей, применяемых в качестве привода нагнетателя газоперекачивающего агрегата или электрогенератора.

Горелка // 2691870

Изобретение относится к области энергетики. Газовая инжекционная горелка содержит стабилизирующий пламя туннель, девять цилиндрических смесителей, объединенных общей сварной цилиндрической газораспределительной камерой, в каждом смесителе просверлено четыре сопла под углом 25° к их осям, кожух, приваренный к цилиндрической газораспределительной камере, в который набивается огнеупорная набивная масса, при этом набивка кожуха огнеупорной набивной массой может производиться вне теплового или плавильного агрегата, литой стабилизирующий пламя туннель, который надевается снизу на кожух и приваривается к нему по периметру.

Горелка // 2661432

Изобретение относится к области энергетики. Газовая инжекционная горелка содержит стабилизирующий пламя туннель, огнеупорную набивную массу, сорок цилиндрических смесителей, объединенных общей сварной газораспределительной камерой, в каждом смесителе просверлено четыре сопла под углом 25° к их осям, кожух, приваренный к газораспределительной камере, в который набивается огнеупорная набивная масса, литой стабилизирующий пламя туннель, который надевается снизу на газораспределительную камеру и кожух и приваривается по периметру к газораспределительной камере, содержит устройство для регулирования расхода воздуха, кроме того, в газораспределительной камере размещены: в первом ряду десять смесителей с длинными насадками, имеющими на внутренней поверхности шестнадцать литых ребер, во втором ряду десять смесителей с короткими насадками, в третьем ряду размещены десять смесителей без насадок и в четвертом размещены десять смесителей с насадками, имеющих устройство для окончательного перемешивания газовоздушной смеси.

Горелочная голова горелочного устройства // 2660592

Изобретение относится к области энергетики, а именно к горелкам для сжигания жидкого и газообразного топлива, и может быть использовано в горелочных устройствах, применяемых в жаротрубных водогрейных котлах малой мощности.

Конфорка-гриль для духового шкафа // 2648744

Группа изобретений относится к бытовой кухонной технике. Технический результат – повышение эффективности.

Способ подачи газа и воздуха в горелку для сжигания низкокалорийного и загрязненного топлива и устройство для его осуществления // 2644319

Изобретение относится к устройствам для сжигания низкокалорийных и загрязненных газообразных топлив. Устройство для подачи газа и воздуха в горелку для сжигания низкокалорийного и загрязненного топлива содержит цилиндрическую камеру смешения потоков газа и воздуха и завихритель с лопатками, лопатки завихрителя установлены с образованием чередующихся каналов таким образом, что один канал образован для истечения газа, а соседний с ним - для истечения воздуха.