RU2560968C1

RU2560968C1 - Burner

Info

Publication number: RU2560968C1
Application number: RU2014136890/06A
Authority: RU
Inventors: Олег Игоревич Туркин
Original assignee: Олег Игоревич Туркин
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2015-08-20

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: burner contains the housing with expanding section, fuel line with spray nozzle at the end, a nozzle, installed over the expanding section of the housing, and spiral. The housing consists of three chambers: the first mixing chamber, the turbulent chamber and the second mixing chamber. The first mixing chamber has at least two air holes. Total area of cross sections of these two air holes shall be not smaller than the housing cross section area. In the turbulent chamber the spiral is fixed. The spiral is made from heat-resistant alloy. The second mixing chamber has at least two air holes. Sum of areas of cross sections of the named air holes and area of cross sections of non-expanding section of the housing shall be equal to the area of cross section of the nozzle.

EFFECT: obtaining of ecologically clean combustion products, reliable and constant flame stabilization, wide range of flame adjustment, full combustion of fuel, reliability of burner design, decrease of energy consumption for burning.

4 cl, 4 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к горелочным устройствам с регулируемыми параметрами факела и может быть использовано для сжигания газообразного и жидкого топлива, предварительно переведенного в газообразное состояние, в различных агрегатах.The present invention relates to burners with adjustable torch parameters and can be used to burn gaseous and liquid fuels previously converted to a gaseous state in various units.

Известна вихревая горелка ВНИИМТ Уралмаша для сжигания газов с низкой теплотой сгорания (ВИНТОВКИН А.А и др. Горелочные устройства. Конструкции технические характеристики, М.: Интермет инжиниринг, 1999, с. 141-146, рис. 5.14) - прототип. Горелка содержит корпус, лопаточный завихритель, трубопровод газообразного топлива, боковой патрубок. Работает горелка-прототип следующим образом. В корпус горелки подводится воздух через боковой патрубок, и далее этот воздух втекает в лопаточный завихритель. Приобретая в лопаточном завихрителе вихревое движение и частично поднимаясь, воздух входит в горелочную амбразуру и создает в ней вихрь с осевой зоной обратных токов. Часть воздуха через отверстия, изготовленные на концевой части трубопровода газообразного топлива, поступает в кольцевой канал, изготовленный также на концевой части вышеупомянутого трубопровода. Далее этот расход воздуха в виде струй, направленных к оси горелки, истекает в газообразное топливо в зоне циркуляции обратных токов. Газ, вытекающий из трубопровода газообразного топлива, на начальном участке своего течения интенсивно перемешивается с потоком воздуха, истекающим из лопаточного завихрителя. Воспламенение воздушно-топливной смеси происходит в амбразуре, а ее догорание - в рабочем пространстве печи. Технический анализ конструкции горелки-прототипа и ее работы показывает, что наряду с достоинствами горелка-прототип имеет и серьезные недостатки.Known vortex burner VNIIMT Uralmash for burning gases with low calorific value (VINTOVKIN A.A. et al. Burner devices. Design specifications, M .: Intermet engineering, 1999, pp. 141-146, Fig. 5.14) - prototype. The burner contains a housing, a blade swirl, a gaseous fuel pipeline, a side pipe. The burner prototype works as follows. Air is introduced into the burner body through the side pipe, and then this air flows into the blade swirl. Acquiring a vortex movement in the scapular swirler and partially rising, the air enters the burner embrasure and creates a vortex in it with an axial zone of reverse currents. Part of the air through openings made at the end of the gaseous fuel pipeline enters the annular channel, also made at the end of the aforementioned pipeline. Further, this air flow in the form of jets directed to the axis of the burner flows into gaseous fuel in the zone of circulation of reverse currents. The gas flowing from the gaseous fuel pipeline in the initial section of its flow is intensively mixed with the air stream flowing out of the scapular swirl. Ignition of the air-fuel mixture occurs in the embrasure, and its combustion - in the working space of the furnace. A technical analysis of the prototype burner design and its operation shows that, along with the advantages, the prototype burner also has serious drawbacks.

В горелке-прототипе практически весь расход воздуха протекает через лопаточный завихритель. В упомянутой горелке закрутка потока должна быть интенсивной, чтобы обеспечить возникновение обратного течения в осевой области горелки, необходимого для стабилизации факела. Сильная закрутка требует больших затрат электроэнергии. Более того, требование обеспечить возвратное течение, т.е. значительную закрутку, исключает возможность применения крутки в качестве газодинамического фактора, влияющего на форму факела, т.к. крутку нельзя изменять произвольно. В горелке-прототипе не решен вопрос получения экологически чистых продуктов сгорания. В ней организация процесса смешения и горения выполнена по схеме диффузионного факела, в котором, как известно, в зонах со стехиометрическим соотношением окислителя и горючего образуется предельно высокое содержание вредных окислов азота. Горелка-прототип экологически уязвима. В горелке-прототипе не предусмотрена надежная и постоянная стабилизация пламени, например на режиме дросселирования, форсирования, на переходных режимах возможно погасание пламени. Горелка-прототип имеет высокое давление газа. Это является существенным недостатком, поскольку низкокалорийные, например генераторные, газы могут транспортировать частицы - взвешенный в этих частицах смолистый аэрозоль. Эти частицы, перемещаясь по тракту газопроводов, могут в больших количествах осаждаться на лопатках вентилятора, что приводит к его дисбалансу и вибрациям.In the prototype burner, almost all air flow flows through the blade swirl. In the mentioned burner, the swirling of the flow must be intense in order to ensure the occurrence of a reverse flow in the axial region of the burner necessary for stabilization of the torch. Strong spin requires a lot of energy. Moreover, the requirement to provide a return flow, i.e. significant twist, eliminates the possibility of using twist as a gas-dynamic factor affecting the shape of the torch, because twist can not be changed arbitrarily. In the prototype burner, the issue of obtaining environmentally friendly combustion products has not been resolved. In it, the organization of the mixing and combustion process is carried out according to the diffusion flame scheme, in which, as is known, an extremely high content of harmful nitrogen oxides is formed in zones with a stoichiometric ratio of oxidizing agent and fuel. The prototype burner is environmentally vulnerable. In the prototype burner, reliable and constant stabilization of the flame is not provided, for example, in the throttle, boost, transient modes, the flame can be extinguished. The prototype burner has a high gas pressure. This is a significant drawback, since low-calorie, for example, generating, gases can transport particles - resinous aerosol suspended in these particles. These particles, moving along the path of gas pipelines, can be deposited in large quantities on the fan blades, which leads to its imbalance and vibration.

Задачей настоящего изобретения является усовершенствование горелки.An object of the present invention is to improve a burner.

Техническим результатом является получение экологически чистых продуктов сгорания, надежная и постоянная стабилизация пламени, широкий предел регулирования струи пламени, полное сгорание топлива, надежность конструкции горелки, уменьшение энергозатрат на горение.The technical result is the production of environmentally friendly combustion products, reliable and constant stabilization of the flame, a wide limit of regulation of the jet of flame, complete combustion of fuel, reliability of the burner design, reduction of energy consumption for combustion.

Технический результат достигается тем, что горелка содержит корпус с расширяющимся участком, топливопровод с расположенным на конце жиклером, сопло, установленное над расширяющимся участком корпуса и спираль, при этом корпус состоит из трех камер: первой смесительной камеры, выполненной с по меньшей мере двумя воздухопроводными отверстиями, причем суммарная площадь сечений воздухопроводных отверстий должна быть не менее площади сечения нерасширяющегося участка корпуса; турбулентной камеры, в которой закреплена изготовленная из жаростойкого сплава спираль; второй смесительной камеры, выполненной с по меньшей мере двумя воздухопроводными отверстиями, причем сумма площадей сечений вышеуказанных воздухопроводных отверстий и площади сечения нерасширяющегося участка корпуса должна быть равна площади сечения сопла.The technical result is achieved by the fact that the burner comprises a housing with an expanding section, a fuel line with a jet located at the end, a nozzle mounted above the expanding section of the housing and a spiral, wherein the housing consists of three chambers: a first mixing chamber made with at least two air holes moreover, the total cross-sectional area of the air holes must be not less than the cross-sectional area of the non-expanding section of the housing; a turbulent chamber in which a spiral made of a heat-resistant alloy is fixed; a second mixing chamber made with at least two air supply openings, the sum of the cross-sectional areas of the above air-supply openings and the cross-sectional area of the non-expanding portion of the housing being equal to the cross-sectional area of the nozzle.

В корпусе установлена по меньшей мере одна теплоизоляционная шайба.At least one heat-insulating washer is installed in the housing.

Верхняя часть спирали имеет коническую форму, сужающуюся к соплу.The upper part of the spiral has a conical shape, tapering to the nozzle.

Верхняя часть спирали имеет овальную форму.The upper part of the spiral is oval.

Заявляемая горелка поясняется чертежами.The inventive burner is illustrated by drawings.

На фиг. 1 изображен продольный разрез горелки.In FIG. 1 shows a longitudinal section through a burner.

На фиг. 2 изображен вид сверху горелки (для наглядности изображения спираль здесь не показана).In FIG. 2 shows a top view of the burner (for illustration purposes, the spiral is not shown here).

На фиг. 3 изображена горелка, установленная на газовой плите, продольный разрез.In FIG. 3 shows a burner mounted on a gas stove, a longitudinal section.

На фиг. 4 изображена горелка, установленная на паяльной лампе, продольный разрез.In FIG. 4 shows a torch mounted on a blowtorch, longitudinal section.

Горелка содержит корпус 1 с расширяющимся участком, топливопровод 2 с расположенным на конце жиклером 3, сопло 6 и спираль 7. Сопло 6 установлено над расширяющимся участком корпуса 1.The burner comprises a housing 1 with an expanding section, a fuel line 2 with a nozzle 3 located at the end, a nozzle 6 and a spiral 7. A nozzle 6 is mounted above the expanding section of the housing 1.

В корпусе 1 установлена по меньшей мере одна теплоизоляционная шайба. Вариант установки двух теплоизоляционных шайб 8 и 9 представлен на фиг. 1. Установка теплоизоляционной шайбы служит для предохранения жиклера 3 и дна корпуса 1 горелки от перегрева, вызванного инфракрасным излучением. Однако эксплуатация горелки возможна и без установки теплоизоляционных шайб 8 и 9.At least one heat-insulating washer is installed in the housing 1. An installation option for two heat-insulating washers 8 and 9 is shown in FIG. 1. Installing a heat-insulating washer protects the nozzle 3 and the bottom of the burner housing 1 from overheating caused by infrared radiation. However, the operation of the burner is possible without installing heat-insulating washers 8 and 9.

Корпус 1 горелки выполнен в форме трубы, которая может быть выполнена любого сечения, например круглого, квадратного либо прямоугольного и т.д. Т.е. корпус 1 может представлять собой трубу круглого сечения, квадратного сечения либо прямоугольного сечения. На фиг. 1 и 2 представлен вариант выполнения горелки с круглым сечением корпуса 1.The burner housing 1 is made in the form of a pipe, which can be made of any section, for example, round, square or rectangular, etc. Those. the housing 1 may be a pipe of circular cross section, square cross section or rectangular cross section. In FIG. 1 and 2 show an embodiment of a burner with a round section of the housing 1.

Корпус 1 состоит из трех камер: первой смесительной камеры I, турбулентной камеры II (камера создания турбулентного потока) и второй смесительной камеры III. Границы турбулентной камеры II изображены на фиг. 1 пунктирной линией.Housing 1 consists of three chambers: the first mixing chamber I, the turbulent chamber II (turbulent flow chamber) and the second mixing chamber III. The boundaries of the turbulent chamber II are shown in FIG. 1 dashed line.

В первой смесительной камере I выполнены по меньшей мере два воздухопроводных отверстия 4. Воздухопроводные отверстия 4 выполнены на равноудаленном расстоянии. Количество воздухопроводных отверстий 4 может быть выполнено и в большем количестве, например три, четыре и т.д., которые также будут расположены на равноудаленном расстоянии друг от друга. При этом суммарная площадь сечений воздухопроводных отверстий 4 должна быть не менее площади сечения нерасширяющегося участка корпуса 1 (в данном варианте исполнения площадь сечения корпуса представляет собой круг с диаметром d_к). Данное соотношение выбрано таким, потому что так обеспечивается необходимый проход воздуха в корпус 1 горелки (а именно, в смесительную камеру I) для обеспечения обогащения кислородом сжигаемого топлива.In the first mixing chamber I, at least two air holes 4 are made. The air holes 4 are made at an equidistant distance. The number of air holes 4 can be made in a larger number, for example three, four, etc., which will also be located at equidistant distance from each other. In this case, the total cross-sectional area of the air holes 4 must be not less than the cross-sectional area of the non-expanding section of the casing 1 (in this embodiment, the cross-sectional area of the casing is a circle with a diameter d _k ). This ratio is chosen so, because this ensures the necessary air passage into the burner housing 1 (namely, into the mixing chamber I) to ensure oxygen enrichment of the combusted fuel.

В турбулентной камере II закреплена изготовленная из жаростойкого сплава спираль 7. Спираль 7 служит для аккумулирования температуры и рассечения газового потока. Спираль 7 обычно выполнена из жаростойкого сплава, например из нихрома, хромеля, фехраля и т.п. Выбор жаростойких сплавов обусловлен основными достоинствами этих сплавов, а именно: жаростойкостью в окислительной атмосфере и очень высоким электрическим сопротивлением. В варианте выполнения горелки, представленном на фиг. 1 и 2, верхняя часть спирали 7 имеет коническую форму, сужающуюся к соплу 6. Однако возможен вариант, когда верхняя часть спирали 7 имеет овальную (полукруглую) форму. Нижняя часть спирали 7 расположена в турбулентной камере II. Геометрическая форма спирали 7 также может соответствовать форме выполнения корпуса 1 (т.е. в случае с круглым корпусом используется круглая спираль, в случае с квадратным корпусом - квадратная спираль и т.д.).A spiral 7 made of a heat-resistant alloy is fixed in the turbulent chamber II. Spiral 7 serves to accumulate temperature and cut the gas stream. Spiral 7 is usually made of a heat-resistant alloy, for example of nichrome, chromel, fechral, etc. The choice of heat-resistant alloys is due to the main advantages of these alloys, namely: heat resistance in an oxidizing atmosphere and a very high electrical resistance. In the burner embodiment of FIG. 1 and 2, the upper part of the spiral 7 has a conical shape, tapering to the nozzle 6. However, it is possible that the upper part of the spiral 7 has an oval (semicircular) shape. The lower part of the spiral 7 is located in the turbulent chamber II. The geometric shape of the spiral 7 can also correspond to the embodiment of the casing 1 (i.e., in the case of a round casing, a round spiral is used, in the case of a square casing, a square spiral, etc.).

Во второй смесительной камере III выполнены по меньшей мере два воздухопроводных отверстия 5. Воздухопроводные отверстия 5 выполнены на равноудаленном расстоянии. Количество воздухопроводных отверстий 5 может быть выполнено и в большем количестве, например три, четыре и т.д., которые также будут расположены на равноудаленном расстоянии друг от друга. При этом сумма площадей сечений воздухопроводных отверстий 5 и площади сечения нерасширяющегося участка корпуса 1 должна быть равна площади сечения сопла 6 (диаметр сопла 6 показан на фиг. 2 как d_с). Данное соотношение выбрано таким потому, что так обеспечивается необходимый проход воздуха в сопло 6 горелки (а именно, в смесительную камеру III) для обеспечения обогащения кислородом сжигаемого топлива.In the second mixing chamber III, at least two air duct openings 5 are made. The air duct openings 5 are made at an equidistant distance. The number of air holes 5 can be made in a larger number, for example three, four, etc., which will also be located at an equidistant distance from each other. The sum of the cross-sectional areas of the air holes 5 and the cross-sectional area of the non-expanding portion of the housing 1 should be equal to the cross-sectional area of the nozzle 6 (the diameter of the nozzle 6 is shown in FIG. 2 as d _c ). This ratio is chosen so because it ensures the necessary air passage into the nozzle 6 of the burner (namely, into the mixing chamber III) to ensure oxygen enrichment of the combusted fuel.

Вышеуказанные воздухопроводные отверстия 4 служат для первичного смешивания и воспламенения смеси, а воздухопроводные отверстия 5 служат для вторичного смешивания, обеспечивая двойное смешение.The above air holes 4 serve for primary mixing and ignition of the mixture, and the air holes 5 serve for secondary mixing, providing double mixing.

На фиг. 1 и 2 представлен вариант выполнения горелки с четырьмя воздухопроводными отверстиями 4 и восемью воздухопроводными отверстиями 5.In FIG. 1 and 2 show an embodiment of a burner with four air holes 4 and eight air holes 5.

Горелка работает следующим образом. Природный газ или легко воспламеняющееся жидкое топливо (далее просто топливо), предварительно переведенное в газообразное состояние, поступает в смесительную камеру I корпуса 1 под давлением по топливопроводу 2. Топливо, проходя через камеру I и частично смешавшись с воздухом, за счет его попадания туда через воздухопроводные отверстия 4, попадает в турбулентную камеру II. Направленный поток молекул топлива и поступающего из отверстий 4 атмосферного воздуха преобразуется в турбулентный в результате постоянного сталкивания молекул между собой, вызванного устройством камеры II, вследствие наличия там спирали 7 и расширяющегося участка корпуса 1. В турбулентном потоке молекулы топлива постоянно перемешиваются, а определенные объемы топлива, загораясь и взаимодействуя электромагнитными полями между собой, нагреваются до высокой температуры и нагревают спираль 7, что в последующем способствует резкому повышению температуры топлива. Вместе с температурой повышается и давление, под которым раскаленное топливо, проходя через верхнюю часть спирали 7, попадает в камеру III, где смешивается с воздухом, поступающим из отверстий 5. Воздушные потоки, направленные в отверстия 4 и 5, обтекая корпус 1 горелки снаружи, охлаждают его, предохраняя от перегрева; а смешиваясь с топливом внутри корпуса 1, выходят в сопло 6, образуя при этом устойчивую реактивную струю, которая регулируется в широких параметрах топливным краном (на чертежах не показан).The burner operates as follows. Natural gas or flammable liquid fuel (hereinafter simply referred to as fuel), previously converted to a gaseous state, enters the mixing chamber I of housing 1 under pressure through fuel line 2. Fuel passing through chamber I and partially mixed with air, due to its ingress through air holes 4, enters the turbulent chamber II. The directed flow of fuel molecules and atmospheric air coming from openings 4 is converted to turbulent as a result of the constant collision of molecules between themselves caused by the device of chamber II, due to the presence of a spiral 7 and an expanding section of the housing 1. In the turbulent flow, the fuel molecules are constantly mixed, and certain volumes of fuel When they light up and interact with each other by electromagnetic fields, they heat up to a high temperature and heat the spiral 7, which subsequently contributes to a sharp increase temperature as fuels. Along with the temperature, the pressure also increases, under which the hot fuel, passing through the upper part of the spiral 7, enters chamber III, where it mixes with the air coming from the openings 5. Air flows directed into the openings 4 and 5, flowing around the burner body 1 from the outside, cool it, protecting it from overheating; and mixing with the fuel inside the housing 1, they exit into the nozzle 6, forming a stable jet stream, which is regulated in broad parameters by a fuel valve (not shown in the drawings).

В данной горелке происходит процесс предварительного смешения топлива и воздуха с последующим прогревом до высокой температуры, а также с дополнительным смешиванием с воздухом. В результате этого получается гомогенная газовоздушная смесь, образующая при двухстадийном сгорании минимальное количество оксидов азота и угарного газа.In this burner, the process of preliminary mixing of fuel and air occurs, followed by heating to a high temperature, as well as with additional mixing with air. As a result of this, a homogeneous gas-air mixture is obtained, which forms a minimum amount of nitrogen oxides and carbon monoxide during two-stage combustion.

Данная горелка может быть установлена, например, на газовой плите и на паяльной лампе. Установка горелки на газовой плите изображена на фиг. 3. Вышеуказанная горелка устанавливается на газовую плиту следующим образом. Топливопровод 2 с расположенным на конце жиклером 3 установлен в корпус плиты 10. Посредством трубки 11, установленной на жиклере 3, плита соединяется с корпусом 1 горелки. Фиксация трубки 11 происходит за счет шайб 8′, 9′. При этом данные шайбы могут представлять собой обыкновенные металлические шайбы.This burner can be installed, for example, on a gas stove and on a blowtorch. The installation of the burner on a gas stove is shown in FIG. 3. The above burner is installed on the gas stove as follows. The fuel line 2 with the nozzle 3 located at the end is installed in the housing of the stove 10. By means of a pipe 11 installed on the nozzle 3, the stove is connected to the housing 1 of the burner. Fixation of the tube 11 is due to the washers 8 ′, 9 ′. Moreover, these washers can be ordinary metal washers.

Установка горелки на паяльной лампе изображена на фиг. 4. Паяльная лампа 12 устанавливается в корпус горелки 1 посредством вставляемой трубки паяльной лампы (на чертеже не изображена) в жиклер 3 горелки (на чертеже не изображен).The installation of a torch on a blowtorch is depicted in FIG. 4. The blowtorch 12 is installed in the housing of the burner 1 by means of an insertion tube of a blowtorch (not shown in the drawing) in the nozzle 3 of the burner (not shown).

Воздух поступает в горелку не за счет дополнительной энергии, а за счет цикличности горения, вызывающего периодическую перемену давления и разрежения в области сгорания топлива.Air enters the burner not due to additional energy, but due to the cyclical nature of combustion, which causes a periodic change in pressure and vacuum in the area of fuel combustion.

Горелка проста в изготовлении, может быть изготовлена из любых марок стали. Горелка безопасна и надежна при эксплуатации. В горелке обеспечивается надежная и постоянная стабилизация пламени. Горелка обладает широкими пределами регулирования длины струи, не требует дополнительных затрат (электроэнергии, сжатого воздуха или кислорода). В результате реализации такой схемы процесса горения обеспечивается полное сгорание топлива при минимальном выделении продуктов сгорания.The burner is easy to manufacture, can be made of any steel grade. The burner is safe and reliable in operation. The burner provides reliable and constant stabilization of the flame. The burner has a wide range of regulation of the length of the jet, does not require additional costs (electricity, compressed air or oxygen). As a result of the implementation of such a scheme of the combustion process, complete combustion of fuel is ensured with minimal emission of combustion products.

Благодаря вышеописанной конструкции горелки и соотношениям суммарной площади сечений воздухопроводных отверстий первой смесительной камеры к площади сечения нерасширяющегося участка корпуса и суммы площадей сечений воздухопроводных отверстий второй смесительной камеры с площадью сечения нерасширяющегося участка корпуса к площади сечения сопла соответственно обеспечивается получение экологически чистых продуктов сгорания, надежная и постоянная стабилизация пламени, широкий предел регулирования струи пламени, полное сгорание топлива, надежность конструкции горелки и уменьшение энергозатрат на горение.Due to the burner design described above and the ratios of the total cross-sectional area of the air ducts of the first mixing chamber to the cross-sectional area of the non-expanding housing section and the sum of the cross-sectional areas of the air ducts of the second mixing chamber and the cross-sectional area of the non-expanding housing section to the nozzle cross-sectional area, environmentally friendly combustion products are obtained, reliable and constant flame stabilization, wide range of flame regulation, complete combustion of t Pliva, reliable design of the burner and reduction of the energy consumption for burning.

Выше описаны различные варианты выполнения горелки. Однако специалисту в этой области техники будут очевидны и другие различные модификации, вариации и эквиваленты, которые входят в объем прилагаемой формулы изобретения.The various embodiments of the burner are described above. However, those skilled in the art will appreciate other various modifications, variations, and equivalents that fall within the scope of the appended claims.

Claims

1. A burner comprising a housing with an expanding section, a fuel pipe with a jet located at the end, a nozzle mounted above the expanding section of the housing, and a spiral, characterized in that the housing consists of three chambers: a first mixing chamber made with at least two air holes moreover, the total cross-sectional area of the air holes must be not less than the cross-sectional area of the non-expanding section of the housing; a turbulent chamber in which a spiral made of a heat-resistant alloy is fixed; a second mixing chamber made with at least two air supply openings, the sum of the cross-sectional areas of the above air-supply openings and the cross-sectional area of the non-expanding portion of the housing being equal to the cross-sectional area of the nozzle.

2. The burner according to claim 1, characterized in that at least one heat-insulating washer is installed in the housing.

3. The burner according to claim 1, characterized in that the upper part of the spiral has a conical shape, tapering to the nozzle.

4. The burner according to claim 1, characterized in that the upper part of the spiral is oval.