EA020004B1

EA020004B1 - Устройство для сжигания газа

Info

Publication number: EA020004B1
Application number: EA201100990A
Authority: EA
Inventors: Виктор Николаевич Бирюков; Юрий Николаевич Ружин; Андрей Викторович Афанасьев
Original assignee: Виктор Николаевич Бирюков; Юрий Николаевич Ружин; Андрей Викторович Афанасьев
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2011-07-18
Publication date: 2014-07-30
Also published as: EA201100990A1

Abstract

Изобретение относится к устройствам для сжигания газообразного топлива при его смешивании с воздухом и может быть использована в отраслях, где необходима работа в широком диапазоне регулирования по расходу топлива с высокой эффективностью его сжигания и малой токсичностью продуктов сгорания. Устройство для сжигания газа состоит из корпуса с расположенным в нем узлом распределения газа, выполненным в виде по меньшей мере двух жестко установленных стабилизаторов пламени, каждый из которых состоит из полого корпуса обтекаемого профиля с газораздающими отверстиями и хвостовиком, последний оснащен по меньшей мере одним вихреобразователем, размещенным в конце хвостовика и выполненным в виде углубления, расположенного перпендикулярно продольной оси стабилизатора пламени, при этом на корпусе каждого стабилизатора пламени газораздающие отверстия размещены по меньшей мере двумя рядами, в каждом ряду газораздающие отверстия отстоят друг от друга с одинаковым шагом, размер которого зависит от площади каждого из газораздающих отверстий по формуле L=1,2√S-6,0√S, где L - размер шага между пересечением осей соседних газораздающих отверстий, S - площадь газораздающего отверстия, при этом оси газораздающих отверстий верхнего ряда смещены относительно осей газораздающих отверстий нижнего ряда предпочтительно на половину шага, а стабилизаторы пламени установлены параллельно друг другу. Газораздающие отверстия каждого ряда стабилизатора пламени размещены предпочтительно на расстоянии X=5√S-7√S от конца хвостовика, а углубление вихреобразователя выполнено в виде плоской стенки, расположенной перпендикулярно продольной оси

Description

Изобретение относится к устройствам для сжигания газообразного топлива при его смешивании с воздухом и может быть использована в отраслях, где необходима работа в широком диапазоне регулирования по расходу топлива с высокой эффективностью его сжигания и малой токсичностью продуктов сгорания.

Известно устройство для сжигания природного газа в набегающем потоке воздуха, включающее узел подачи воздуха, узел подачи природного газа через газораздающие отверстия газогорелочных устройств, узел смешивания воздуха и природного газа, устройство поджига газовоздушной смеси, устройство стабилизации факела (евразийский патент № 005471, МПК Ε23Ό 14/00, 2002).

Недостатком известного устройства является сложность в равномерном распределении и оптимальном соотношении воздуха и газа по горелочному устройству.

Известна газовая горелка, содержащая корпус с размещенной в нем цилиндрической камерой горения, поверхность которой выполнена перфорированной, патрубки подвода газа и воздуха, диаметр отверстий перфорации камеры горения увеличивается в направлении движения продуктов сгорания, она снабжена размещенной на входе камеры горения камерой предварительного смешения газа и воздуха, установленной коаксиально камере горения между ее стенкой и стенкой корпуса перфорированной трубой, и установленным на выходном конце патрубка подвода газа соплом для подачи газа в камеру горения, камера предварительного смешения газа и воздуха образована двумя перфорированными дисками, смонтированными на выходном конце патрубка подвода газа перед соплом, при этом на выходном конце патрубка подвода газа по периметру выполнены отверстия для подачи газа в камеру предварительного смешения, соотношение площади отверстий на первом по ходу движения воздуха перфорированном диске и площади отверстий на втором перфорированном диске составляет 1:3-1:9, соотношение диаметра отверстий перфорации на выходе камеры горения и диаметра отверстий на ее входе составляет 1,1:1-3:1, а поверхность сопла выполнена конической с образованием угла между осью патрубка и образующей конической поверхности, который составляет 30-80° (патент ВИ № 2192584, МПК Ε23Ό14/00, 2002).

Недостатком известного устройства является недостаточная эффективность сгорания газа.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для сжигания газа, которое содержит корпус с узлом распределения газовоздушной смеси, причем узел распределения газовоздушной смеси выполнен в виде как минимум одного стабилизатора пламени, содержащий корпус в виде пустого обтекаемого профиля с газораздающими отверстиями и хвостовиком, при этом хвостовик стабилизатора оснащен как минимум одним вихреобразователем, а на корпусе стабилизатора расположен как минимум один интенсификатор трехмерного течения, расположенный за газораздающими отверстиями и ниже уровня потока, интенсификатор трехмерного течения выполнен в виде слабооптекаемых тел различной конфигурации (патент ИЛ № 35108, МПК Е23Р13/00, 2008).

Недостатком данного устройства является недостаточная эффективность сгорания газа из-за нерационального распределения газа по сечению фронта горелочного устройства и, соответственно, неравномерности концентрационного состава газовоздушной смеси на выходе из горелки, а также повышенное гидравлическое сопротивление по воздушному тракту.

Задачей изобретения является улучшение равномерности распределения газа по сечению фронта горелочного устройства.

Поставленная задача решается тем, что заявляемое устройство для сжигания газа состоит из корпуса с расположенным в нем узлом распределения газа, выполненным в виде по меньшей мере двух жестко установленных стабилизаторов пламени, каждый из которых состоит из полого корпуса обтекаемого профиля с газораздающими отверстиями и хвостовиком, последний оснащен по меньшей мере одним вихреобразователем, размещенным в конце хвостовика и выполненным в виде углубления, расположенного перпендикулярно продольной оси стабилизатора пламени, при этом на корпусе каждого стабилизатора пламени газораздающие отверстия размещены по меньшей мере двумя рядами, в каждом ряду газораздающие отверстия отстоят друг от друга с одинаковым шагом, размер которого зависит от площади каждого из газораздающих отверстий по формуле

Ь=1,2^8-6,0^8 где Ь - размер шага между пересечением осей соседних газораздающих отверстий,

- площадь газораздающего отверстия, при этом оси газораздающих отверстий верхнего ряда смещены относительно осей газораздающих отверстий нижнего ряда предпочтительно на половину шага, а стабилизаторы пламени установлены параллельно друг другу.

Для достижения дополнительного технического результата, связанного с предотвращением завихрений, способствующих отрыву пламени, газораздающие отверстия каждого ряда стабилизатора пламени размещены предпочтительно на расстоянии Х=5^8-7^8 от конца хвостовика, а углубление вихреобразователя выполнено в виде плоской стенки, расположенной перпендикулярно продольной оси стабилизатора, которое имеет отношение длины углубления 1 к его глубине 11 не менее 5.

Газораздающие отверстия могут иметь форму прямоугольников, квадратов, кругов, овалов, треугольников или других известных форм.

- 1 020004

Сравнение предлагаемого устройства с прототипом позволяет сделать вывод о его соответствии критерию новизна, т.к. предлагаемое устройство характеризуется новыми конструктивными признаками и их местоположением друг относительно друга: наличие на корпусе стабилизатора по меньшей мере двух рядов газораздающих отверстий, отстоящих друг от друга с заявленным расстоянием, ряды газораздающих отверстий смещены друг относительно друга с заявленным шагом, а стабилизаторы пламени установлены параллельно друг другу.

Предлагаемое устройство может быть изготовлено с использованием известных технологий из известных материалов и может быть использовано для сжигания газообразного топлива.

Подача газа через газораздающие отверстия, установленные с иным шагом, приводит к нерациональному распределению газа по сечению фронта горелочного устройства и, соответственно, неравномерности концентрационного состава газовоздушной смеси на выходе из горелки, что, в свою очередь, приводит к излишку или недостатку окислителя в потоке. В результате этого факел горелочного устройства может существенно удлиняться, повышаются значения выбросов окиси углерода и окислов азота, перегреваются элементы огнетехнического объекта.

Нами было установлено, что для равномерного и рационального перераспределения потока газа устройство для сжигания газа должно быть выполнено в виде нескольких соединенных между собой стабилизаторов пламени с газораздающими отверстиями на корпусе стабилизатора, расположенными с одинаковым шагом Ь=1,2^8-6,0^8. При размере шага свыше 6,0^8 происходит увеличение расстояния между струями газовоздушной смеси, что приводит к изменению среднего состава газовой смеси в зоне рециркуляции и негативно сказывается на процессе сжигания газа. Стабилизатор пламени выполняется с верхним и нижним рядами газораздающих отверстий, причем оси нижнего ряда газораздающих отверстий смещены относительно осей верхнего ряда газораздающих отверстий на величину, равную половине вышеуказанного шага. Такое расположение газораспределительных отверстий в рядах позволяет улучшить аэродинамическую структуру потока газовоздушной смеси и взаимодействие зон обратных токов за каждой струей газовоздушной смеси. Эти индивидуальные зоны обратных токов объединяются в единую зону обратных токов за системой струй, что способствует стабилизации пламени за счет равномерного фронта подачи газа в потоке воздуха. Если нижний ряд не смещен относительно верхнего ряда газораздающих отверстий на заявленный шаг, то это приводит к слиянию струй газовоздушной смеси в зоне обратных токов, что, в свою очередь, нарушает стабилизацию пламени.

Верхний и нижний ряды газораздающих отверстий предпочтительно размещаются от конца хвостовика на расстоянии 5^8-7^8, отсчитываемом от пересечения осей крайних газораздающих отверстий каждого ряда. Расположение газораздающих отверстий на указанном расстоянии от конца хвостовика позволяет воздушному потоку равномерно размывать газовые струи до попадания в зону обратных токов. Если расстояние от газораздающих отверстий до конца хвостовика отлично от указанного, то газовоздушная смесь может обедняться или переобогащаться воздухом, что влияет на процесс горения. Создание оптимальной площади сечения для прохода воздуха, необходимого для горения, может обеспечиваться тем, что расстояние между стабилизаторами пламени ΐ в 2 раза превышает расстояние между корпусом стабилизатора пламени и стенкой наружного корпуса заявляемого устройства. Кроме того, выполнение стабилизатора в виде углубленной плоской стенки, расположенной перпендикулярно продольной оси стабилизатора пламени, позволяет существенно увеличить длительность горения за счет создания дополнительной зоны рециркуляции высокотемпературных дымовых газов. Регулирование длительности горения в зависимости от величины расхода газа осуществляется изменением соотношения отношение длины углубления 1 к его глубине 11. которое предпочтительно составляет не менее 5, обеспечивая необходимую турбулентность газовоздушного потока.

Предлагаемое устройство поясняется следующими чертежами.

На фиг. 1 изображено устройство для сжигания газа с двумя стабилизаторами, снабженными торцевыми вихреобразователями.

На фиг. 2-5 изображены стабилизаторы с торцевым вихреобразователем в форме углубленной плоской стенки, газораздающие отверстия выполнены прямоугольной, квадратной, круглой и треугольной форм, соответственно.

Устройство для сжигания газа состоит из наружного корпуса (1) и узла распределения газа (2), который представляет два жестко установленных и параллельных друг с другом стабилизатора пламени (3), расположенных на расстоянии ΐ/2 от стенки корпуса (1) и на расстоянии ΐ друг от друга. Стабилизатор пламени (3) состоит из корпуса (4), который выполнен в виде пустого обтекаемого профиля, имеющего верхний ряд (5) и нижний ряд (6) газораздающих отверстий прямоугольной, квадратной, круглой и треугольной форм с длиной сечения Р, расположенных на расстоянии Ь друг от друга и на расстоянии X от конца хвостовика (7). Оси газораздающих отверстий нижнего ряда (6) смещены относительно осей газораздающих отверстий верхнего ряда (5) на величину Ь/2. Конец хвостовика (7) оборудован торцевым вихреобразователем в виде углубленной плоской стенки (8), расположенной перпендикулярно продольной оси стабилизатора пламени (3), с длинной 1 и высотой углубления 1.

Устройство для сжигания газа работает таким способом.

- 2 020004

Газ, который подается в узел для распределения газа (2), подают к корпусу (4) стабилизатора пламени (3) и через верхний ряд (5) и нижний ряд (6) газораздающих отверстий направляют в набегающий поток воздуха, который подают в корпус (1) устройства для сжигания газа. Полученная газовоздушная смесь (9) зажигается и стабилизируется за счет взаимодействия с высокотемпературными продуктами сгорания, которые поступают из зоны рециркуляции (10), образованной за углубленной плоской стенкой (8) хвостовика (7). При этом размещение газораздающих отверстий с абсолютным шагом Ь и смещение верхнего ряда (5) и нижнего ряда (6) газораздающих отверстий друг относительно друга на величину Ь/2 обеспечивают поддержание в зоне обратных токов (10) смеси в устойчивых пределах воспламенения, максимально возможную полноту сгорания газа и стойкое безотрывное горение.

Использование заявляемого устройства позволяет повысить полноту и эффективность сгорания топлива, устойчивость зажигания и стабилизацию фронта горения, требуемую длину факела пламени в камере горения, отсутствие перегревов элементов устройства, минимальное сопротивление по воздушному и газовому трактам, простоту изготовления и обслуживания устройства, модульность, позволяющую конструировать устройство необходимой мощности. Предлагаемое устройство позволяет улучшить технико-экономические, экологические показатели и повысить надежность топливоиспользующего оборудования и может быть использовано для сжигания топлива с калорийностью от 2000 до 12000 ккал/м³, таких как природный газ, метан, коксовый газ, доменный газ и их смеси.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Устройство для сжигания газа, состоящее из корпуса с расположенным в нем узлом распределения газа, выполненным в виде по меньшей мере двух жестко установленных стабилизаторов пламени, каждый из которых состоит из полого корпуса обтекаемого профиля с газораздающими отверстиями и хвостовиком, последний оснащен по меньшей мере одним вихреобразователем, размещенным в конце хвостовика и выполненным в виде углубления, расположенного перпендикулярно продольной оси стабилизатора пламени, при этом на корпусе каждого стабилизатора пламени газораздающие отверстия размещены по меньшей мере двумя рядами, в каждом ряду газораздающие отверстия отстоят друг от друга с одинаковым шагом, размер которого зависит от площади каждого из газораздающих отверстий по формуле

Ь=1,2^8-6,0^8 где Ь - размер шага между пересечением осей соседних газораздающих отверстий,

8 - площадь газораздающего отверстия, при этом оси газораздающих отверстий верхнего ряда смещены относительно осей газораздающих отверстий нижнего ряда предпочтительно на половину шага, а стабилизаторы пламени установлены параллельно друг другу.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что газораздающие отверстия каждого ряда стабилизатора пламени размещены предпочтительно на расстоянии Х=5^8-7^8 от конца хвостовика.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что углубление вихреобразователя выполнено в виде плоской стенки, которое имеет отношение длины заглубления к его глубине не менее 5.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что газораздающие отверстия выполнены прямоугольной формы.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что газораздающие отверстия выполнены квадратной формы.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что газораздающие отверстия выполнены круглой формы.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что газораздающие отверстия выполнены овальной формы.