RU2151956C1

RU2151956C1 - Radiant burner

Info

Publication number: RU2151956C1
Application number: RU99104314A
Authority: RU
Inventors: В.М. Шмелев; А.Д. Марголин
Original assignee: Институт химической физики РАН им. Н.Н. Семенова
Priority date: 1999-03-03
Filing date: 1999-03-03
Publication date: 2000-06-27

Abstract

FIELD: thermal engineering. SUBSTANCE: radiant burner designed for use in various heat-and-power generating plants, domestic and utility gas stoves, heaters, dryers, and furnaces has body, injector in the form of gas nozzle with mixing tube, perforated radiant ceramic checker, and radiation shield; the latter is built up of set of long members such as strips, cylinders made of quartz or ceramics forming cellular holes with their transverse size at least 10 mm and height not smaller than transverse size of cells whose relative total flow section is more than 0.8; shield is spaced from checker surface through distance not greater than transverse size of cells and not over one third of transverse size of checker which ensures desired completeness of fuel combustion and noticeable reduction in CO content in combustion products, improved burning stability within comprehensive range of fuel pressure variation, improved radiant efficiency and radiation directivity pattern. EFFECT: enlarged functional capabilities of burner. 1 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к радиационным горелкам, и может применяться для бытовых и промышленных нужд в различных теплоэнергетических установках, в бытовых и коммунально-бытовых газовых плитах, обогревателях, сушилках, печах. The invention relates to a power system, in particular to radiation burners, and can be used for domestic and industrial needs in various thermal power plants, in domestic and municipal gas stoves, heaters, dryers, furnaces.

Известна промышленная горелка (патент США N 5174744 от 29.12.92г.) с низкими выбросами СО и NO_x в атмосферу, которая состоит из узла смешения топлива и окислителя, перфорированной керамической плиты (насадки), над которой происходит сжигание газа, и легкого сетчатого экрана, который, нагреваясь пламенем горелки, увеличивает температуру излучающей поверхности матрицы и способствует окислению СО в CO₂, уменьшая выбросы СО в атмосферу, при этом экран устанавливается над горелочной плитой на расстоянии, зависящем от длины пламени.Known industrial burner (US patent N 5174744 from 12.29.92) with low emissions of CO and NO _x into the atmosphere, which consists of a unit for mixing fuel and oxidizer, a perforated ceramic plate (nozzle) over which gas is burned, and a light mesh screen , which, being heated by the flame of the burner, increases the temperature of the radiating surface of the matrix and promotes the oxidation of CO in CO ₂ , reducing CO emissions into the atmosphere, while the screen is installed above the burner stove at a distance depending on the length of the flame.

Недостатком такой горелки является слабая механическая прочность легкого металлического сетчатого экрана и его покрытия в виде специальной керамической пены, а также существенное усложнение изготовления горелки. The disadvantage of this burner is the weak mechanical strength of the light metal mesh screen and its coating in the form of a special ceramic foam, as well as a significant complication of the manufacture of the burner.

Известна радиационная горелка (авторское свидетельство N 2066023, кл. 6 F 23 D 14/12, 1994), содержащая корпус с перфорированной крышкой, играющей роль радиационного экрана, снабженный в выходном участке корпуса излучающей насадкой. Known radiation burner (copyright certificate N 2066023, CL 6 F 23 D 14/12, 1994), containing a housing with a perforated cover that plays the role of a radiation screen, equipped with a radiating nozzle in the output section of the housing.

Недостатком такой горелки являются высокие требования к термической и окислительной стойкости крышки-экрана, определяющие необходимость использования дорогих сортов никелевых сталей. Наличие крышки-экрана увеличивает гидравлическое сопротивление, ухудшает устойчивость горения на низких давлениях топлива и не обеспечивает снижения окиси углерода в продуктах сгорания ниже 0,008%. The disadvantage of this burner is the high requirements for the thermal and oxidative stability of the lid-screen, which determine the need to use expensive grades of nickel steels. The presence of a cover-screen increases the hydraulic resistance, affects the stability of combustion at low fuel pressures and does not provide a reduction in carbon monoxide in the combustion products below 0.008%.

Наиболее близким техническим решением является горелка инфракрасного излучения, содержащая корпус с примыкающим к нему рефлектором, инжектор в виде газового сопла и размещенной во входном участке корпуса смесительной трубки, отражатель, выполненный напротив выходного среза последней, и размещенные в выходном участке корпуса с образованием камеры горения керамическую излучающую насадку с плоской входной и излучающей поверхностями и сетку-экран (авторское свидетельство N 2084762, кл. 6 F 23 D 14/12, 1994). Сгорание топливно-воздушной смеси в этой горелке происходит в основном в при поверхностной зоне внутри каналов и на поверхности излучающей насадки, а дожигание несгоревших составляющих в пространстве между керамической матрицей и сеткой-экраном. Применение сетки-экрана увеличивает радиационный КПД горелки. Однако применение сетки увеличивает гидравлическое сопротивление тракта, ограничивает продолжительность службы горелки и не обеспечивает достаточное снижение выбросов CO в атмосферу. Использование рефлектора по периметру горелки также не является достаточно эффективным, хотя и несколько улучшает диаграмму направленности излучения. The closest technical solution is an infrared burner containing a housing with an adjacent reflector, an injector in the form of a gas nozzle and a mixing tube located in the inlet portion of the housing, a reflector made opposite the outlet cut of the latter, and placed in the outlet portion of the housing to form a ceramic combustion chamber a radiating nozzle with a flat entrance and radiating surfaces and a mesh screen (copyright certificate N 2084762, CL 6 F 23 D 14/12, 1994). The combustion of the air-fuel mixture in this burner occurs mainly in the surface zone inside the channels and on the surface of the emitting nozzle, and the burning of unburned components in the space between the ceramic matrix and the screen mesh. The use of a mesh screen increases the radiation efficiency of the burner. However, the use of the grid increases the hydraulic resistance of the tract, limits the life of the burner and does not provide a sufficient reduction in CO emissions. Using a reflector around the perimeter of the burner is also not quite effective, although it slightly improves the radiation pattern.

Задачей изобретения является создание горелки, обладающей повышенными экологическими и эксплуатационными характеристиками, которая сможет обеспечить полноту сгорания топлива и резкое снижения количества CO в продуктах сгорания, повышение устойчивости горения в широком диапазоне изменения давления топлива, увеличение радиационного КПД, улучшение диаграммы направленности излучения и расширение области применения горелки. The objective of the invention is to provide a burner with improved environmental and operational characteristics, which can ensure complete combustion of fuel and a sharp decrease in the amount of CO in the combustion products, increase combustion stability over a wide range of fuel pressure changes, increase radiation efficiency, improve radiation pattern and expand the scope burners.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в радиационной горелке, содержащей корпус, инжектор в виде газового сопла со смесительной трубкой, керамическую перфорированную излучающую насадку и радиационный экран, радиационный экран выполнен в виде набора протяженных геометрических элементов, например пластин, цилиндров, изготовленных из кварца или керамики, образующих ячейки-отверстия с поперечным размером ячеек не менее 10 мм и высотой не менее поперечного размера ячеек, имеющие относительное суммарное проходное сечение более 0,8, и удален от поверхности насадки на расстояние, не превышающее поперечный размер ячеек, но не более одной трети поперечного размера насадки. The solution to this problem is achieved by the fact that in a radiation burner containing a housing, an injector in the form of a gas nozzle with a mixing tube, a ceramic perforated radiating nozzle and a radiation screen, the radiation screen is made in the form of a set of extended geometric elements, for example, plates, cylinders made of quartz or ceramics forming hole cells with a transverse cell size of at least 10 mm and a height of at least a transverse cell size, having a relative total flow area of more than 0.8 , and is removed from the surface of the nozzle at a distance not exceeding the transverse size of the cells, but not more than one third of the transverse size of the nozzle.

До настоящего времени радиационные экраны, устанавливаемые над поверхностью насадки в радиационных горелках, обычно изготавливались в виде металлической сетки или тонкой перфорированной металлической пластины. Неожиданно оказалось, что при выполнении радиационного экрана в виде протяженных геометрических элементов из керамического или кварцевого материала эксплуатационные и экологические характеристики горелки резко возрастают. В предложенной радиационной горелке благодаря большой высоте ячеек экрана значительная часть радиационного потока с поверхности излучающей насадки отражается стенками ячеек экрана назад, а зона горения над поверхностью насадки изолируется от подмешивания холодного окружающего воздуха, что приводит к увеличению температуры поверхности излучающей насадки и температуры продуктов сгорания до величины, обеспечивающей полное завершение химических реакций перед экраном и внутри ячеек экрана. Кроме того, протяженность элементов экрана улучшает диаграмму направленности излучения благодаря отсечению бокового излучения, что позволяет экрану выполнять дополнительную функцию рефлектора, а высокое относительное суммарное проходное сечение ячеек-отверстий экрана (более 0,8) обусловливает низкое гидравлическое сопротивление течению продуктов сгорания, что приводит к повышению устойчивости горения в широком диапазоне изменения давления топлива. Следует отметить, что в обычных плоских экранах при увеличении относительного суммарного проходного сечения выше 0,5 резко снижается отражательная способность экрана. Высокие эксплуатационные и экологические характеристики горелки, а также хорошая диаграмма направленности излучения расширяют область применения горелки, как мощного источника инфракрасного излучения. To date, radiation shields mounted above the nozzle surface in radiation burners have usually been made in the form of a metal mesh or a thin perforated metal plate. It turned out unexpectedly that when a radiation shield is made in the form of extended geometric elements made of ceramic or quartz material, the operational and environmental characteristics of the burner increase sharply. In the proposed radiation burner, due to the high height of the screen cells, a significant part of the radiation flux from the surface of the radiating nozzle is reflected by the walls of the screen cells back, and the combustion zone above the nozzle surface is isolated from mixing cold ambient air, which leads to an increase in the temperature of the surface of the radiating nozzle and the temperature of the combustion products to providing the complete completion of chemical reactions in front of the screen and inside the cells of the screen. In addition, the length of the screen elements improves the radiation pattern due to cutting off the side radiation, which allows the screen to perform an additional reflector function, and a high relative total cross section of the screen-hole cells (more than 0.8) results in low hydraulic resistance to the flow of combustion products, which leads to increase combustion stability over a wide range of fuel pressure changes. It should be noted that in ordinary flat screens, with an increase in the relative total flow area above 0.5, the reflectivity of the screen sharply decreases. High operational and environmental characteristics of the burner, as well as a good radiation pattern, expand the scope of the burner as a powerful source of infrared radiation.

Предлагаемое техническое решение отображено на прилагаемом чертеже, на котором представлен продольный разрез горелки (а) и вид сверху экрана, выполненного в виде набора цилиндров. The proposed technical solution is shown in the attached drawing, which shows a longitudinal section of the burner (a) and a top view of a screen made in the form of a set of cylinders.

Предлагаемая радиационная горелка содержит корпус 1, инжектор, выполненный в виде газового сопла 2 со смесительной трубкой 3, керамическую перфорированную излучающую насадку 4 и радиационный экран 5, выполненный в виде набора протяженных геометрических элементов, например пластин, цилиндров, изготовленных из кварца или керамики, образующих ячейки-отверстия с поперечным размером ячеек не менее 10 мм и высотой не менее поперечного размера ячеек, имеющие относительное суммарное проходное сечение более 0,8. Экран установлен на расстоянии H, не превышающем поперечный размер ячеек, но не более одной трети поперечного размера насадки. The proposed radiation burner includes a housing 1, an injector made in the form of a gas nozzle 2 with a mixing tube 3, a ceramic perforated emitting nozzle 4 and a radiation shield 5 made in the form of a set of long geometric elements, such as plates, cylinders made of quartz or ceramic, forming hole cells with a transverse cell size of at least 10 mm and a height of at least a transverse cell size, having a relative total flow area of more than 0.8. The screen is installed at a distance H not exceeding the transverse size of the cells, but not more than one third of the transverse size of the nozzle.

Горелка работает следующим образом. Газ, вытекая из сопла 2 в смесительную трубку 3, инжектирует необходимое количество воздуха, образуя газовоздушную смесь требуемого состава, которая, проникая через перфорированные стенки керамической насадки, сгорает вблизи ее поверхности. Продукты сгорания из зоны горения проходят через ячейки радиационного экрана, устанавливаемого непосредственно над поверхностью насадки, который благодаря существенной протяженности его элементов предотвращает проникновение холодного воздуха в зону реакции, обеспечивает полную завершенность химических реакций в условиях, исключающих закалку продуктов неполного превращения из-за их смешения с холодным воздухом, а большое относительное суммарное проходное сечение, определяющее незначительное гидравлическое сопротивление течению продуктов сгорания, обеспечивает повышение устойчивости горения в широком диапазоне изменения давления топлива. The burner operates as follows. Gas flowing from the nozzle 2 into the mixing tube 3 injects the required amount of air, forming a gas-air mixture of the required composition, which, penetrating through the perforated walls of the ceramic nozzle, burns near its surface. Combustion products from the combustion zone pass through the cells of the radiation screen installed directly above the nozzle surface, which, due to the substantial extent of its elements, prevents the penetration of cold air into the reaction zone, ensures complete completion of chemical reactions under conditions that preclude quenching of products of incomplete conversion due to their mixing with cold air, and a large relative total flow area, which determines a slight hydraulic resistance to flow combustion products, provides increased combustion stability over a wide range of fuel pressure changes.

Поверхность насадки раскаляется до высокой температуры, являясь источником мощного инфракрасного излучения. Радиационный поток с поверхности насадки проходит через протяженные ячейки радиационного экрана, удаленного от поверхности насадки на расстояние, не превышающее поперечный размер ячеек, при этом часть излучения отражается стенками ячеек назад и поглощается поверхностью насадки, увеличивая ее температуру и температуру продуктов сгорания до величины 1000-1200^oC. Это в свою очередь приводит к дополнительному увеличению радиационного потока с поверхности насадки и увеличению радиационного КПД горелки, а сохранение высокой температуры продуктов сгорания на расстоянии порядка 10 мм от поверхности насадки перед экраном и внутри ячеек экрана обеспечивает полную завершенность химических реакций, в том числе доокисление CO в CO₂. Протяженный экран уменьшает потери тепла и излучения вбок, формируя тепловую струю продуктов сгорания и направленный поток излучения, выполняя дополнительную функцию рефлектора.The surface of the nozzle is heated to high temperature, being a source of powerful infrared radiation. The radiation flux from the nozzle surface passes through the extended cells of the radiation shield, which is not more than the transverse size of the cells from the nozzle surface, while part of the radiation is reflected back by the cell walls and is absorbed by the nozzle surface, increasing its temperature and the temperature of the combustion products to 1000-1200 ^o C. This in turn leads to further increase in the radiation flux from the nozzle surface and increase the radiation efficiency of the burner, and to maintain high temperature cont such as are for combustion at a distance of 10 mm from the nozzle surface prior to screen cells within the screen ensures complete perfection of chemical reactions, including oxidation of the CO to CO _2. An extended screen reduces heat and radiation losses sideways, forming a heat stream of combustion products and a directed radiation stream, performing an additional reflector function.

Выбранные параметры радиационного экрана определяются следующим образом. Поперечный размер ячеек не менее 10 мм при относительном проходном сечении более 0,8 обеспечивает незначительное гидравлическое сопротивление течению продуктов сгорания, обеспечивая устойчивую работу горелки в широком диапазоне расхода топлива. Высота радиационного экрана не менее поперечного размера ячеек обеспечивает полную завершенность химических реакций в условиях, исключающих их "закалку" из-за устранения проникновения холодного окружающего воздуха в зону догорания CO, и обеспечивает отражение значительной части радиационного потока на поверхность излучающей насадки, приводит к уменьшению потерь тепла и излучения вбок и формированию тепловой струи продуктов сгорания и направленного потока излучения. Удаление экрана от поверхности насадки на расстояние, не превышающее поперечный размер ячеек, обеспечивает достаточную прозрачность экрана для выходящего излучения. The selected parameters of the radiation screen are determined as follows. A transverse cell size of not less than 10 mm with a relative passage section of more than 0.8 provides insignificant hydraulic resistance to the flow of combustion products, ensuring stable operation of the burner in a wide range of fuel consumption. The height of the radiation shield of at least the transverse size of the cells ensures the complete completion of chemical reactions under conditions that exclude their "hardening" due to the elimination of the penetration of cold ambient air into the afterburning zone of CO, and ensures reflection of a significant part of the radiation flux onto the surface of the emitting nozzle, resulting in a reduction in losses heat and radiation sideways and the formation of a thermal jet of combustion products and a directed radiation stream. Removing the screen from the surface of the nozzle to a distance not exceeding the transverse size of the cells provides sufficient screen transparency for the output radiation.

Изготовление геометрических элементов экрана из распространенных сортов кварца или термостойкой керамики обуславливает дешевизну и долгоживучесть экрана, а также хорошие оптические характеристики стенок ячеек (достаточную отражающую способность и малый для кварца коэффициент пропускания инфракрасного излучения в области более 2-2.5 мкм). Ячеистая структура конструкции экрана обеспечивает его высокую прочность. The manufacture of screen geometric elements from common varieties of quartz or heat-resistant ceramics determines the cheapness and longevity of the screen, as well as good optical characteristics of the cell walls (sufficient reflectivity and low infrared transmittance for quartz in the region of more than 2-2.5 μm). The cellular structure of the screen design provides its high strength.

Экспериментальное исследование радиационной горелки с выбранными параметрами радиационного экрана показало ее высокую эффективность. При установке радиационного экрана, выполненного в виде набора из 24 тонкостенных кварцевых цилиндров высотой 30 мм, диаметром 16 мм, на расстоянии 5 мм от поверхности стандартной плоской перфорированной керамической насадки с каналами диаметром 1 мм привело к увеличению температуры излучающей поверхности на 200-250^oC, росту радиационного КПД до 60% и снижению концентрации окиси углерода в 20 раз. Горелка устойчиво работала в широком диапазоне расхода газа, вплоть до низкой удельной тепловой мощности 50-100 кВт/м² и отличалась хорошей диаграммой направленности излучения за счет существенного уменьшения бокового излучения.An experimental study of a radiation burner with selected parameters of the radiation screen showed its high efficiency. When installing a radiation shield made in the form of a set of 24 thin-walled quartz cylinders 30 mm high, 16 mm in diameter, 5 mm away from the surface of a standard flat perforated ceramic nozzle with channels 1 mm in diameter, the temperature of the radiating surface increased by 200-250 ^o C , an increase in radiation efficiency up to 60% and a decrease in the concentration of carbon monoxide by 20 times. The burner worked stably in a wide range of gas flow rates, up to a low specific heat output of 50-100 kW / m ² and was distinguished by a good radiation pattern due to a significant reduction in side radiation.

Таким образом, заявленное техническое решение конструкции горелки направлено на решение поставленной задачи и достижение указанного технического результата - повышение экологических и эксплуатационных характеристик горелки путем обеспечения полного сгорания топлива и резкого снижения количества CO, повышения устойчивости горения в широком диапазоне изменения давления топлива, увеличения ее радиационного КПД и улучшения диаграммы направленности излучения. Thus, the claimed technical solution of the burner design is aimed at solving the problem and achieving the specified technical result - improving the environmental and operational characteristics of the burner by ensuring complete combustion of the fuel and a sharp decrease in the amount of CO, increasing combustion stability over a wide range of changes in fuel pressure, increasing its radiation efficiency and improved radiation patterns.

Claims

A radiation burner comprising a housing, an injector in the form of a gas nozzle with a mixing tube, a ceramic perforated emitting nozzle and a radiation shield, characterized in that the radiation shield is made in the form of a set of extended geometric elements, such as plates, cylinders made of quartz or ceramic, forming cells -holes with a transverse mesh size of at least 10 mm and a height of at least a transverse mesh size, with a relative total passage section of more than 0.8, and is removed from the surface of the nasa dy at a distance not exceeding the transverse size of the cells, but not more than one third of the transverse size of the nozzle.