RU2640305C1 - Radiation gas burner - Google Patents
Radiation gas burner Download PDFInfo
- Publication number
- RU2640305C1 RU2640305C1 RU2017107577A RU2017107577A RU2640305C1 RU 2640305 C1 RU2640305 C1 RU 2640305C1 RU 2017107577 A RU2017107577 A RU 2017107577A RU 2017107577 A RU2017107577 A RU 2017107577A RU 2640305 C1 RU2640305 C1 RU 2640305C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- emitter
- infrared emitter
- infrared
- radiator
- burner
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 28
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000003779 heat-resistant material Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000011224 oxide ceramic Substances 0.000 claims description 3
- 229910052574 oxide ceramic Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 abstract description 20
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 14
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 22
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 18
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 12
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 9
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 3
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 3
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 3
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N Raney nickel Chemical compound [Al].[Ni] NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- HOWJQLVNDUGZBI-UHFFFAOYSA-N butane;propane Chemical compound CCC.CCCC HOWJQLVNDUGZBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000930 thermomechanical effect Effects 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 229910003310 Ni-Al Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005534 acoustic noise Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 1
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000003749 cleanliness Effects 0.000 description 1
- 238000009841 combustion method Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
- 239000003440 toxic substance Substances 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23D—BURNERS
- F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
- F23D14/12—Radiant burners
- F23D14/16—Radiant burners using permeable blocks
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Gas Burners (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к энергетике, в частности к устройствам и способам эффективного и экологичного сжигания газообразных углеводородов, в которых большая часть энергии окисления топлива превращается в энергию электромагнитного излучения инфракрасной области спектра с целью ее преобразования в другие виды энергии: тепловую, электрическую, химическую. Радиационные газовые горелки перспективны к использованию в теплоэнергетических устройствах для малой распределенной энергетики и по сравнению с факельными горелками имеют ряд преимуществ. Во-первых, вся энергия инфракрасного потока мгновенно передаётся нагреваемому телу, при этом теплообмен пропорционален разности абсолютных температур горелки и теплопринимающего тела, возведенных в четвертую степень. Диапазон регулировки мощности радиационных газовых горелок превышает таковой для пламён, при этом объемная плотность тепловой мощности инфракрасных горелок на порядок больше таковой у пламён, что позволяет уменьшить объем топочного пространства устройства. Во-вторых, температура газообразных продуктов сгорания, образующихся в радиационных горелках, имеет пониженную температуру, что позволяет достигать заданного КПД установки при существенно меньшем объёме теплообменников конвективной части устройства. Снижение температуры продуктов сгорания также позволяет избежать образования оксидов азота по высокотемпературному механизму Зельдовича.The invention relates to energy, in particular to devices and methods for efficient and environmentally friendly burning of gaseous hydrocarbons, in which most of the oxidation energy of fuel is converted into electromagnetic radiation energy of the infrared region of the spectrum with the aim of converting it into other types of energy: thermal, electrical, chemical. Radiation gas burners are promising for use in thermal power devices for small distributed energy and have several advantages compared to flare burners. Firstly, all the energy of the infrared stream is instantly transferred to the heated body, while the heat transfer is proportional to the difference in the absolute temperatures of the burner and heat receiving body raised to the fourth degree. The range of adjustment of the power of radiation gas burners exceeds that for flames, while the bulk density of the thermal power of infrared burners is an order of magnitude greater than that of flames, which reduces the amount of furnace space. Secondly, the temperature of the gaseous products of combustion generated in radiation burners has a lower temperature, which allows you to achieve a given plant efficiency with a significantly smaller volume of heat exchangers of the convective part of the device. Lowering the temperature of the combustion products also avoids the formation of nitrogen oxides by the high-temperature Zeldovich mechanism.
Радиационный КПД горелки, определяемый как отношение величины энергии, перешедшей в тепловое излучение, к общему количеству тепла, полученного от сгорания подводимого газа, находится в сильной зависимости от конфигурации пористого излучателя и способа сжигания газа в горелке. Радиационный КПД горелок, в которых окисление углеводородов кислородом воздуха происходит над поверхностью пористого излучателя, невысок, порядка 30%, так как теплообмен между продуктами горения и пористым телом ограничен. Основным способом повышения радиационного КПД газовой горелки является интенсификация теплообмена пламени с излучателем, что достигается организацией процесса горения под внешней поверхностью пористого излучателя. В простейшем случае используют излучатели, имеющие профилированную поверхность, где горение происходит в углублениях рельефа поверхности, здесь радиационный КПД достигает 40%. Более эффективной конфигурацией является размещение над поверхностью излучателя высокопроницаемых структур, как-то сеток или высокопористых ячеистых материалов. В данном случае пламя стабилизируется в объеме под внешней излучающей поверхностью, что позволяет получить максимально возможный радиационный КПД устройства, до 70% и выше.The radiation efficiency of the burner, defined as the ratio of the amount of energy converted to thermal radiation, to the total amount of heat obtained from the combustion of the supplied gas, is highly dependent on the configuration of the porous emitter and the method of burning gas in the burner. The radiation efficiency of burners in which the oxidation of hydrocarbons by atmospheric oxygen occurs above the surface of the porous emitter is low, of the order of 30%, since the heat exchange between the combustion products and the porous body is limited. The main way to increase the radiation efficiency of a gas burner is to intensify the heat exchange of the flame with the emitter, which is achieved by organizing the combustion process under the outer surface of the porous emitter. In the simplest case, emitters having a profiled surface are used, where combustion occurs in the recesses of the surface topography, here the radiation efficiency reaches 40%. A more effective configuration is the placement of highly permeable structures, such as meshes or highly porous cellular materials, on the surface of the emitter. In this case, the flame is stabilized in the volume under the external radiating surface, which allows to obtain the maximum possible radiation efficiency of the device, up to 70% and higher.
Уровень техникиState of the art
Известна радиационная горелка, которая содержит полый корпус с распределительной камерой, на выходном участке которой последовательно размещены плоская горельная излучающая плита, накрытая перфорированной крышкой излучателя. Газовую рабочую смесь предварительно подготавливают в смесителе, расположенном под горельной излучающей плитой с помощью инжектора (RU 94032139, МПК F32D14/12, 1996). Данное решение позволяет обеспечить полное сгорание топлива при минимальном гидравлическом сопротивлении тракта подвода топливной смеси. Недостатком данного технического решения является узкая направленность теплового излучения с поверхности излучателя.Known radiation burner, which contains a hollow body with a distribution chamber, on the output section of which is sequentially placed a flat burner emitting plate covered with a perforated cover of the emitter. The gas working mixture is preliminarily prepared in a mixer located under the burner emitting stove using an injector (RU 94032139, IPC F32D14 / 12, 1996). This solution allows for complete combustion of fuel with minimal hydraulic resistance of the fuel mixture supply path. The disadvantage of this technical solution is the narrow focus of thermal radiation from the surface of the emitter.
Известна радиационная горелка, которая содержит корпус с инжекционным смесителем, перфорированный керамический цилиндр, металлическую сетку цилиндрической формы, а также стержни для закрепления сетки над поверхностью перфорированного цилиндра (RU 131851, МПК F23D14/12, 2012). Данное решение позволяет равномерно распределить топливо-воздушную смесь по поверхности цилиндрической керамики, что позволяет формировать равномерное тепловое излучение с поверхности металлической сетки. Недостатком данного решения является низкая устойчивость цилиндрической перфорированной керамики к изгибающим механическим напряжениям, возникающим вследствие больших температурных градиентов по толщине стенки цилиндра, что может приводить к разрушению керамики в наиболее энергонагруженных режимах работы горелки.Known radiation burner, which contains a housing with an injection mixer, a perforated ceramic cylinder, a cylindrical metal mesh, as well as rods for securing the mesh over the surface of the perforated cylinder (RU 131851, IPC F23D14 / 12, 2012). This solution allows you to evenly distribute the fuel-air mixture over the surface of cylindrical ceramics, which allows you to form a uniform thermal radiation from the surface of the metal mesh. The disadvantage of this solution is the low resistance of cylindrical perforated ceramics to bending mechanical stresses arising due to large temperature gradients along the thickness of the cylinder wall, which can lead to the destruction of ceramics in the most energy-loaded burner operating modes.
Известна радиационная газовая горелка, которая содержит жаропрочный пористый цилиндрический насадок с заглушкой с одной стороны и газоподводящим патрубком с соплом с другой стороны (RU 2462661, МПК F23D14/14, 2012). Способ проведения процесса горения в ней осуществляется посредством подачи высокоскоростной струи топлива из сопла во внутреннюю полость насадка. Смешение газообразного топлива с воздухом осуществляется в полости насадка, при этом воздух инжектируется извне через пористую стенку в некоторой протяженной зоне насадка около сопла. Полученная смесь далее продвигается вдоль насадка и истекает через пористую стенку вблизи заглушки, где на внешней цилиндрической поверхности происходит горение. С целью повышения эффективности внешняя поверхность насадка может выполняться профилированной или над поверхностью насадка в зоне локализации пламени может размешаться жаропрочный высокопористый материал. Преимуществом данного решения является безопасность работы в широком диапазоне мощностей, так как в устройстве фактически отсутствует отдельная смесительная камера. Недостатками данного решения являются низкий ресурс пористого насадка, что обусловлено высокими термо-механическими градиентами материала на границе зон инжекции воздуха и горения.Known radiation gas burner, which contains a heat-resistant porous cylindrical nozzle with a plug on one side and a gas supply pipe with a nozzle on the other hand (RU 2462661, IPC F23D14 / 14, 2012). The method of carrying out the combustion process in it is carried out by supplying a high-speed jet of fuel from the nozzle into the internal cavity of the nozzle. A mixture of gaseous fuel with air is carried out in the cavity of the nozzle, while air is injected externally through a porous wall in a certain extended zone of the nozzle near the nozzle. The resulting mixture further advances along the nozzle and flows through a porous wall near the plug, where combustion occurs on the outer cylindrical surface. In order to increase the efficiency, the external surface of the nozzle can be profiled or a heat-resistant highly porous material can be placed above the surface of the nozzle in the flame localization zone. The advantage of this solution is the safety of operation in a wide range of capacities, since the device actually does not have a separate mixing chamber. The disadvantages of this solution are the low resource of the porous nozzle, which is due to the high thermo-mechanical gradients of the material at the boundary of the zones of air injection and combustion.
Известен пористый насадок для беспламенной пористой горелки, выполняемый в виде полого цилиндра из жаропрочного металлокерамического материала, над поверхностью которого размещена сетка из жаропрочной стали, внутрь которого подаётся топливо-воздушная смесь (RU 2310129, МПК F23D14/12, 2007). Пористый насадок имеет анизотропную поровую структуру, что позволяет обеспечить материал низким газодинамическим сопротивлением. Изобретение позволяет обеспечить равномерное распределение топливо-воздушной смеси по поверхности насадка, что приводит к повышению радиационной теплоотдачи горелки. Преимуществами данного решения являются увеличение диапазона регулирования мощности горелки, снижение выбросов оксидов азота, устранение акустического шума работы горелки. Недостатками данного решения являются необходимость размещения сеток над поверхностью пористого насадка для повышения радиационного КПД устройства, также в процессе эксплуатации не исключена возможность проскока пламени под поверхность пористого цилиндра и далее в смеситель, что приведет к аварийным последствиям и выходу устройства из службы. Данный недостаток в той или иной мере присущ всем вышеупомянутым техническим решениям. Поэтому при эксплуатации газовой горелки необходим аккуратный подбор режимов горения, использование быстродействующей автоматики контроля пламени, проведение периодических тщательных осмотров поверхности излучателей на предмет трещин и прочие меры, предотвращающие проскок пламени.Known porous nozzles for a flameless porous burner, made in the form of a hollow cylinder made of heat-resistant cermet material, over the surface of which a grid of heat-resistant steel is placed, into which a fuel-air mixture is fed (RU 2310129, IPC F23D14 / 12, 2007). The porous nozzle has an anisotropic pore structure, which allows providing the material with low gas-dynamic resistance. The invention allows for uniform distribution of the fuel-air mixture over the surface of the nozzle, which leads to an increase in the radiation heat transfer of the burner. The advantages of this solution are an increase in the range of control of the burner power, reduction of nitrogen oxide emissions, elimination of the acoustic noise of the burner. The disadvantages of this solution are the need to place grids above the surface of the porous nozzle to increase the radiation efficiency of the device, and during operation, the possibility of flame penetration under the surface of the porous cylinder and further into the mixer is not ruled out, which will lead to emergency consequences and the device leaves the service. This drawback is in one way or another inherent in all of the above technical solutions. Therefore, when operating a gas burner, an accurate selection of combustion modes, the use of high-speed automatic flame monitoring, periodic thorough inspections of the surface of the emitters for cracks and other measures to prevent the breakthrough of the flame are necessary.
Наиболее близким по технической сущности аналогом является инфракрасный излучатель, способ проведения процесса горения углеводородного газового топлива и способ приготовления сложной керамики, активированной катализатором (RU 2110015, МПК F23D14/18, 1998). Конструкция керамического инфракрасного излучателя состоит из цилиндрического газопроницаемого керамического насадка, имеющего полость для ввода и распределения газообразной топливо-воздушной смеси. Керамический насадок состоит из коаксиально расположенных и чередующихся между собой нагофрированных и гофрированных цилиндров из активированной катализатором керамики, образующих каналы с регулярной зигзагообразной формой. Подача метано-воздушной смеси осуществляется через распределительный объём с последующим радиальным вводом и выводом газов через стенки керамического излучателя. Процесс горения происходит во внутреннем объеме пористого излучателя таким образом, что принципиально невозможна реализация режима проскока пламени внутрь смесителя. Наряду с многочисленными достоинствами радиационная горелка, выбранная за прототип, имеет следующие недостатки:The closest in technical essence analogue is an infrared emitter, a method for carrying out the combustion process of hydrocarbon gas fuel and a method for preparing complex ceramics activated by a catalyst (RU 2110015, IPC F23D14 / 18, 1998). The design of the ceramic infrared emitter consists of a cylindrical gas-permeable ceramic nozzle having a cavity for introducing and distributing a gaseous fuel-air mixture. The ceramic nozzle consists of coaxially arranged and alternating between corrugated and corrugated cylinders of catalyst activated ceramic, forming channels with a regular zigzag shape. The methane-air mixture is supplied through the distribution volume followed by radial inlet and outlet of gases through the walls of the ceramic emitter. The combustion process occurs in the internal volume of the porous emitter in such a way that it is fundamentally impossible to implement the flame penetration mode inside the mixer. Along with the many advantages, the radiation burner selected for the prototype has the following disadvantages:
1. Сложным образом сконструированная керамика испытывает существенные термо-механические напряжения, обусловленные тем, что в объёме стенки цилиндрической керамики происходит горение с нагревом центральных слоёв стенки до 1500 Цельсия, при этом внутренняя полость керамического излучателя имеет температуру, близкую к комнатной, ввиду охлаждения поверхности высокоскоростным потоком втекающей газо-воздушной смеси, а внешняя поверхность излучателя охлаждается из-за интенсивных радиационных и конвективных теплопотерь в окружающую среду. Ввиду отсутствия пластичности и разнородных коэффициентов термического расширения составляющих керамики может происходить разрушение структурных элементов излучателя. При этом инспектировать внутренние разрушения в упорядоченной структуре многослойного керамического блока оперативными средствами диагностики не представляется возможным. 1. Complexly constructed ceramics undergo significant thermo-mechanical stresses due to the fact that in the volume of the wall of cylindrical ceramics there is combustion with heating of the central wall layers to 1500 Celsius, while the internal cavity of the ceramic emitter has a temperature close to room temperature due to surface cooling by high-speed the flow of the flowing gas-air mixture, and the outer surface of the emitter is cooled due to intense radiation and convective heat loss into the environment. Due to the lack of ductility and heterogeneous coefficients of thermal expansion of the ceramic constituents, destruction of the structural elements of the emitter can occur. At the same time, it is not possible to inspect internal fractures in the ordered structure of a multilayer ceramic block by operational diagnostic tools.
2. Способ горения, указанный в прототипе, подразумевает розжиг горелки с внешней поверхности излучателя при подаче во внутреннюю полость керамического цилиндра метана без воздуха с последующей плавной подачей воздуха до стехиометрического соотношения 1:10, что требует применения специальной автоматики горелки и может ухудшать экологические параметры горения, приводить к сажеобразованию в объеме пор материала с ухудшением газотранспортных свойств керамики.2. The combustion method specified in the prototype involves ignition of the burner from the outer surface of the emitter when methane is supplied without air into the internal cavity of the ceramic cylinder, followed by a smooth air supply up to a stoichiometric ratio of 1:10, which requires the use of special burner automation and may degrade the environmental parameters of combustion , lead to soot formation in the pore volume of the material with deterioration of the gas transport properties of ceramics.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Предлагаемое решение принципиально устраняет все вышеперечисленные недостатки наиболее близкого аналога.The proposed solution fundamentally eliminates all of the above disadvantages of the closest analogue.
Основной задачей предложенного технического решения является создание радиационной газовой горелки с повышенными эксплуатационными и экологическими характеристиками, что достигается за счёт применения корпуса горелки и пористого излучателя с заданными структурными характеристиками.The main objective of the proposed technical solution is the creation of a radiation gas burner with enhanced operational and environmental characteristics, which is achieved through the use of a burner body and a porous emitter with predetermined structural characteristics.
Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение КПД горелки при улучшении экологических характеристик горелки. The technical result of the claimed invention is to increase the efficiency of the burner while improving the environmental characteristics of the burner.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что радиационная газовая горелка содержит полый корпус и инфракрасный излучатель, выполненный из жаропрочного материала в виде полой трубы со сферическим оголовком, длина излучателя равна (2-3,5) диаметрам излучателя. Согласно изобретению, полый корпус выполнен в виде цилиндрического объёма переменного диаметра, где горловина корпуса имеет диаметр, равный (0,4-0,8) диаметрам инфракрасного излучателя, переходящее в диффузор с установленным коническим распределителем потока из жаропрочного материала, зазор между стенкой диффузора и распределителем потока выполнен равным (0,1-0,2) диаметрам инфракрасного излучателя. Инфракрасный излучатель выполняется со стенкой одинаковой толщины как в цилиндрической, так и сферической частях, соотношение толщины стенки инфракрасного излучателя к его диаметру составляет 1:6, пористость инфракрасного излучателя составляет 50-60%, структура порового пространства инфракрасного излучателя изотропна с размером газотранспортных пор 400 - 1000 мкм.The claimed technical result is achieved due to the fact that the radiation gas burner contains a hollow body and an infrared emitter made of heat-resistant material in the form of a hollow pipe with a spherical tip, the length of the emitter is equal to (2-3.5) the diameter of the emitter. According to the invention, the hollow body is made in the form of a cylindrical volume of variable diameter, where the neck of the body has a diameter equal to (0.4-0.8) diameters of the infrared emitter, passing into a diffuser with a conical flow distributor made of heat-resistant material, a gap between the wall of the diffuser and the flow distributor is made equal to (0.1-0.2) diameters of the infrared emitter. The infrared emitter is made with a wall of the same thickness both in the cylindrical and spherical parts, the ratio of the wall thickness of the infrared emitter to its diameter is 1: 6, the porosity of the infrared emitter is 50-60%, the pore space structure of the infrared emitter is isotropic with a gas transport pore size of 400 - 1000 microns.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:Details, features, and advantages of the present invention follow from the following description of embodiments of the claimed technical solution using the drawings, which show:
Фиг.1 – принципиальная схема радиационной газовой горелки.Figure 1 - schematic diagram of a radiation gas burner.
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции: In the figures, the numbers indicate the following positions:
1 – пористый жаропрочный цилиндрический насадок; 2 – прокладка из керамического волокна; 3 – корпус горелки; 4 – зона подачи топлива и воздуха; 5 – конфузор; 6 – горловина; 7 – диффузор; 8 – распределитель потока; 9 – полость пористого жаропрочного цилиндрического насадка. 1 - porous heat-resistant cylindrical nozzles; 2 - laying of ceramic fiber; 3 - burner body; 4 - fuel and air supply zone; 5 - confuser; 6 - neck; 7 - diffuser; 8 - flow distributor; 9 - the cavity of the porous heat-resistant cylindrical nozzle.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Принципиальная схема радиационной газовой горелки приведена на фиг. 1. Радиационная газовая горелка состоит из инфракрасного излучателя (1), смонтированного с цилиндрическим корпусом горелки (3) через прокладку из вспененной оксидной керамики (2). Инфракрасный излучатель выполнен из пористого жаропрочного цилиндрического насадка (1) со сферическим оголовком.A schematic diagram of a radiation gas burner is shown in FIG. 1. A radiation gas burner consists of an infrared emitter (1) mounted with a cylindrical burner body (3) through a foam oxide ceramic gasket (2). The infrared emitter is made of a porous heat-resistant cylindrical nozzle (1) with a spherical tip.
Цилиндрический корпус горелки в нижней части (4) оборудован патрубками подвода газообразного топлива (метана или пропан-бутана) и воздуха, а в верхней части выполнен в виде цилиндрического объёма переменного диаметра, где конфузор (5) переходит в горловину (6), которая выполняется диаметром, равным 0,4-0,8 диаметрам инфракрасного излучателя (1), и переходит в диффузор (7) с установленным коническим распределителем потока из жаропрочного материала (8), зазор между стенкой диффузора и распределителем потока выполнен равным 0,1-0,2 диаметрам инфракрасного излучателя. The cylindrical body of the burner in the lower part (4) is equipped with nozzles for supplying gaseous fuel (methane or propane-butane) and air, and in the upper part it is made in the form of a cylindrical volume of variable diameter, where the confuser (5) passes into the neck (6), which is performed diameter equal to 0.4-0.8 diameters of the infrared emitter (1), and goes into a diffuser (7) with a conical flow distributor from heat-resistant material (8) installed, the gap between the diffuser wall and the flow distributor is made 0.1-0 2 diameters infrared oh emitter.
Диаметр горловины корпуса (6) задан равным 0,4-0,8 диаметрам инфракрасного излучателя, что гарантирует невозможность реализации режима проскока пламени в зону смешения газов и обеспечивает интенсивный турбулентный теплообмен между втекающей газо-воздушной смесью и стенками корпуса. По этой же причине размер зазора между распределителем потока (8) и диффузором (7) выбран равным 0,1-0,2 диаметрам инфракрасного излучателя (1). The diameter of the neck of the casing (6) is set equal to 0.4-0.8 diameters of the infrared emitter, which ensures the impossibility of implementing the mode of flame penetration into the gas mixing zone and provides intensive turbulent heat transfer between the flowing gas-air mixture and the walls of the casing. For the same reason, the size of the gap between the flow distributor (8) and the diffuser (7) is chosen equal to 0.1-0.2 diameters of the infrared emitter (1).
Диапазон регулирования удельной мощности радиационной газовой горелки составляет от 15 до 40 Вт/см2, рассчитанных как полная мощность горелки, отнесенная к площади поверхности инфракрасного излучателя (1).The range of regulation of the specific power of a radiation gas burner is from 15 to 40 W / cm 2 , calculated as the total power of the burner, referred to the surface area of the infrared emitter (1).
Диапазон максимальных мощностей горелок, изготавливаемых по данному изобретению, может варьироваться от 3 кВт для инфракрасного излучателя диаметром 3 см до 340 кВт для инфракрасного излучателя диаметром 30 см.The maximum power range of the burners made according to this invention can vary from 3 kW for an infrared emitter with a diameter of 3 cm to 340 kW for an infrared emitter with a diameter of 30 cm
Длина излучателя выполнена равной 2-3,5 диаметрам излучателя, стенка излучателя имеет одинаковую толщину в цилиндрической и сферической частях, соотношение толщины стенки инфракрасного излучателя к его диаметру составляет 1:6, пористость инфракрасного излучателя составляет 50-60%, структура порового пространства инфракрасного излучателя изотропна с размером газотранспортных пор 400 - 1000 мкм. The length of the emitter is made equal to 2-3.5 diameters of the emitter, the wall of the emitter has the same thickness in the cylindrical and spherical parts, the ratio of the wall thickness of the infrared emitter to its diameter is 1: 6, the porosity of the infrared emitter is 50-60%, the pore space structure of the infrared emitter isotropic with a gas transport pore size of 400 - 1000 microns.
Оптимальной длиной инфракрасного излучателя является 2-3,5 диаметра излучателя, при этом использование излучателей длиной менее двух диаметров приводит к снижению радиационного КПД горелки, а использование излучателей с длиной более 3,5 диаметров может ухудшать параметры экологии. The optimal length of the infrared emitter is 2-3.5 diameters of the emitter, while the use of emitters less than two diameters in length leads to a decrease in the radiation efficiency of the burner, and the use of emitters with a length of more than 3.5 diameters can degrade the environmental parameters.
Пористость излучателя на уровне 50-60 %, а также соотношение толщины стенки излучателя к его диаметру, равное 1:6, позволяют обеспечить оптимальную прочность конструкции излучателя при сохранении приемлемого уровня газодинамического сопротивления. The emitter porosity at the level of 50-60%, as well as the ratio of the emitter wall thickness to its diameter, equal to 1: 6, allows to ensure the optimum emitter structural strength while maintaining an acceptable level of gas-dynamic resistance.
Горение топливно-воздушной смеси происходит во внутреннем объёме (9) пористого жаропрочного цилиндрического излучателя (1).The combustion of the air-fuel mixture occurs in the internal volume (9) of the porous heat-resistant cylindrical emitter (1).
Для обеспечения приемлемой экологической чистоты уходящих газов необходимо задавать коэффициент избытка воздуха не менее 1,2 при сжигании метана и не менее 1,25 при сжигании пропан-бутана. В этом случае во всем диапазоне регулирования мощности горелки выбросы будут характеризоваться концентрациями монооксида углерода менее 57 ppm и суммы оксидов азота менее 27 ppm, приведенных к сухим неразбавленным воздухом продуктам сгорания.To ensure acceptable environmental cleanliness of the flue gases, it is necessary to set the excess air coefficient of not less than 1.2 when burning methane and not less than 1.25 when burning propane-butane. In this case, in the entire range of control of the burner power, emissions will be characterized by concentrations of carbon monoxide of less than 57 ppm and a sum of nitrogen oxides of less than 27 ppm, reduced to dry undiluted combustion products.
Данные уровни концентрации отравляющих веществ находятся в соответствии с самыми строгими международными стандартами экологии, применяемыми для регулирования выбросов бытовых газовых котлов такими организациями как Nordic Ecolable White Swan, Clean Air Alliance of China, South Coast Air Quality Management District. These levels of toxic substances are in accordance with the most stringent international environmental standards used to regulate emissions of domestic gas boilers by organizations such as the Nordic Ecolable White Swan, Clean Air Alliance of China, and South Coast Air Quality Management District.
Для запуска горелки в корпус подаётся топливо-воздушная смесь с заданным целевым коэффициентом избытка воздуха, менять который в течение процедуры запуска и выхода горелки на стационарный режим не нужно, пламя поджигается с внешней поверхности инфракрасного излучателя, после чего в течение 30-60 секунд происходит проскок пламени во внутреннюю полость инфракрасного излучателя, где пламя стабилизируется во внутреннем объеме излучателя. To start the burner, a fuel-air mixture is fed into the casing with a given target coefficient of excess air, which is not necessary to change during the start-up procedure and the burner goes to stationary mode, the flame is ignited from the outer surface of the infrared emitter, after which a break occurs for 30-60 seconds flame into the internal cavity of the infrared emitter, where the flame is stabilized in the internal volume of the emitter.
Выход горелки на стационарный режим занимает от 2 до 5 минут. При этом экспериментально установлено, что обеспечить проскок пламени внутрь полости излучателя на этапе розжига горелки позволяет использование инфракрасного излучателя с размером пор более 300 мкм, однако для обеспечения вышеуказанных параметров экологии размер пор должен быть в диапазоне 400 - 1000 мкм.Stationary burner takes 2 to 5 minutes. At the same time, it was experimentally established that the use of an infrared emitter with a pore size of more than 300 μm allows the flame to penetrate into the cavity of the emitter at the stage of ignition of the burner, however, to ensure the above environmental parameters, the pore size should be in the range 400 - 1000 μm.
Пример конкретной реализации заявленного изобретения.An example of a specific implementation of the claimed invention.
Использовался инфракрасный излучатель из пористого никель-алюминиевого цилиндрического насадка со сферическим оголовком. Диаметр насадка составлял 50 мм, длина 150 мм, толщина стенки 8 мм, пористость 55%, размер пор 470 мкм, размер Ni-Al элементов скелета 1350 мкм. Инфракрасный излучатель смонтирован через прокладку из вспененной оксидной керамики с корпусом горелки, выполненным из нержавеющей стали, где горловина корпуса имеет диаметр 20 мм. В диффузоре корпуса установлен конический распределитель потока из никель-алюминиевого материала, зазор между стекой диффузора и распределителем потока выполнен равным 6 мм. Диапазон регулирования максимальной мощности горелки составляет 3,5 – 9,4 кВт. В корпус горелки подается метан и воздух в объемном соотношении 1:11,5 либо пропан и воздух в объемном соотношении 1:30. При розжиге горелки на мощности 5 кВт проскок пламени во внутреннюю полость излучателя происходит в течение 30 секунд, выход горелки на режим составляет 120 секунд. Продукты горения характеризуются концентрацией монооксида углерода менее 57 ppm и суммы оксидов азота менее 27 ppm, приведенных к сухим неразбавленным воздухом продуктам сгорания.An infrared emitter of a porous nickel-aluminum cylindrical nozzle with a spherical tip was used. The nozzle diameter was 50 mm, length 150 mm,
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017107577A RU2640305C1 (en) | 2017-03-07 | 2017-03-07 | Radiation gas burner |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017107577A RU2640305C1 (en) | 2017-03-07 | 2017-03-07 | Radiation gas burner |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2640305C1 true RU2640305C1 (en) | 2017-12-27 |
Family
ID=63857585
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017107577A RU2640305C1 (en) | 2017-03-07 | 2017-03-07 | Radiation gas burner |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2640305C1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU193651U1 (en) * | 2019-08-18 | 2019-11-07 | Общество с ограниченной ответственностью "ФЛЕЙМЛАБ" | RADIATION GAS BURNER |
| RU197126U1 (en) * | 2019-12-26 | 2020-04-02 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Дальневосточный федеральный университет» (ДВФУ) | Mixer gas-air mixture of a gas burner |
| RU197125U1 (en) * | 2019-12-26 | 2020-04-02 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Дальневосточный федеральный университет» (ДВФУ) | Mixer gas-air mixture of a gas burner |
| RU2753319C1 (en) * | 2020-12-22 | 2021-08-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Томский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук (ТНЦ СО РАН) | Radiation burner |
| CN115355503A (en) * | 2022-08-29 | 2022-11-18 | 哈尔滨工业大学 | Gas distribution structure of head part of full-premixing surface burner |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU299709A1 (en) * | Г. А. Чапурин, Г. М. Оксюта , Е. П. Сорочинский | ALL-POSSIBLE PATENT 110-TEHG1Y4E: NYBIBLIOTEKA | ||
| US3191659A (en) * | 1958-04-07 | 1965-06-29 | American Thermocatalytic Corp | Radiant gas burner |
| US3391983A (en) * | 1965-08-12 | 1968-07-09 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Radiating gas burner apparatus |
| US4746287A (en) * | 1986-01-17 | 1988-05-24 | Gas Research Institute | Fiber matrix burner composition with aluminum alloys and method of formulation |
| SU1820152A1 (en) * | 1991-03-21 | 1993-06-07 | Fiz Tekhn I N Proizv Ob Edinen | Radiating gas burner |
| RU131851U1 (en) * | 2012-11-30 | 2013-08-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ) | RADIATION BURNER |
-
2017
- 2017-03-07 RU RU2017107577A patent/RU2640305C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU299709A1 (en) * | Г. А. Чапурин, Г. М. Оксюта , Е. П. Сорочинский | ALL-POSSIBLE PATENT 110-TEHG1Y4E: NYBIBLIOTEKA | ||
| US3191659A (en) * | 1958-04-07 | 1965-06-29 | American Thermocatalytic Corp | Radiant gas burner |
| US3391983A (en) * | 1965-08-12 | 1968-07-09 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Radiating gas burner apparatus |
| US4746287A (en) * | 1986-01-17 | 1988-05-24 | Gas Research Institute | Fiber matrix burner composition with aluminum alloys and method of formulation |
| SU1820152A1 (en) * | 1991-03-21 | 1993-06-07 | Fiz Tekhn I N Proizv Ob Edinen | Radiating gas burner |
| RU131851U1 (en) * | 2012-11-30 | 2013-08-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ) | RADIATION BURNER |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU193651U1 (en) * | 2019-08-18 | 2019-11-07 | Общество с ограниченной ответственностью "ФЛЕЙМЛАБ" | RADIATION GAS BURNER |
| RU197126U1 (en) * | 2019-12-26 | 2020-04-02 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Дальневосточный федеральный университет» (ДВФУ) | Mixer gas-air mixture of a gas burner |
| RU197125U1 (en) * | 2019-12-26 | 2020-04-02 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Дальневосточный федеральный университет» (ДВФУ) | Mixer gas-air mixture of a gas burner |
| RU2753319C1 (en) * | 2020-12-22 | 2021-08-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Томский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук (ТНЦ СО РАН) | Radiation burner |
| CN115355503A (en) * | 2022-08-29 | 2022-11-18 | 哈尔滨工业大学 | Gas distribution structure of head part of full-premixing surface burner |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2640305C1 (en) | Radiation gas burner | |
| Kumar et al. | Studies on a new high-intensity low-emission burner | |
| JP4463427B2 (en) | Burner and method for operating a gas turbine | |
| CN102692017B (en) | Solid-oxide fuel cell (SOFC) power generation system and burner thereof | |
| CN104566367A (en) | Low-concentration coal bed gas or gas combustor and matched system thereof | |
| Saracco et al. | Catalytic pre-mixed fibre burners | |
| RU2753319C1 (en) | Radiation burner | |
| RU136875U1 (en) | INFRARED RADIATION BURNER | |
| Dahiya et al. | Improvement of the domestic LPG cooking stoves: a review | |
| JP5851195B2 (en) | Steam generator | |
| RU2596900C1 (en) | Catalytic heater with distributor of gas flow | |
| Trimis | Stabilized combustion in porous media-applications of the porous burner technology in energy-and heat-engineering | |
| Vasilik et al. | Stimulated surface combustion in infrared burners | |
| RU129599U1 (en) | INFRARED RADIATION BURNER | |
| RU2462661C1 (en) | Radiation gas burner, and its combustion process | |
| RU2616962C1 (en) | Heat generator combustion chamber | |
| JP2007322019A (en) | Combustor | |
| RU2344342C1 (en) | Device for steam gas mixture production | |
| RU2310129C1 (en) | Multipurpose porous nozzle for flameless gas burner | |
| Dash et al. | A review of the effects of burner configuration and operating parameters on the performance of porous radiant burner | |
| RU2151957C1 (en) | Radiant burner | |
| RU2808323C1 (en) | Method and device for heating pipeline with associated petroleum gas | |
| RU2362945C1 (en) | Radiative burner | |
| RU209658U1 (en) | INFRARED GAS BURNER | |
| US11519635B2 (en) | Gas fired process heater with ultra-low pollutant emissions |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200308 |