RU2753319C1 - Radiation burner - Google Patents
Radiation burner Download PDFInfo
- Publication number
- RU2753319C1 RU2753319C1 RU2020142633A RU2020142633A RU2753319C1 RU 2753319 C1 RU2753319 C1 RU 2753319C1 RU 2020142633 A RU2020142633 A RU 2020142633A RU 2020142633 A RU2020142633 A RU 2020142633A RU 2753319 C1 RU2753319 C1 RU 2753319C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- heat
- flow distributor
- radiator
- burner
- Prior art date
Links
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
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates
Изобретение относится к энергетике, в частности к способам эффективного и экологичного сжигания газообразных углеводородов в устройствах на основе пористых инертных сред. К данному классу устройств относятся радиационные горелки. В радиационных горелках ключевым элементом конструкции является газопроницаемый излучатель. Принцип работы следующий - предварительно перемешанная смесь углеводородного газа с газом-окислителем (например, сжиженный газ с воздухом) сгорает вблизи излучателя, который нагревается от продуктов сгорания и генерирует поток инфракрасного излучения, удельная мощность которого в соответствии с законом Стефана-Больцмана пропорциональна произведению четвертой степени температуры излучателя и площади поверхности излучателя. В качестве излучателей используются керамические пластины со структурой из множества расширяющихся микроканалов, плоские и объемные изделия на основе подвижных структур из металлических сеток, керамических или металлических волокон, изделия из пористых материалов с преобладающей открытой пористостью, как-то пены или пористые изделия, полученные методами консолидации порошков, комбинированные конструкции на основе нескольких газопроницаемых изделий. Радиационные горелки широко используются для отопления промышленных помещений, а также в качестве источников тепла в конвейерных печах, применяемых для сушки и тепловой обработки таких материалов как стальной прокат, текстиль, бумага, продукты питания и пр.The invention relates to power engineering, in particular to methods for efficient and environmentally friendly combustion of gaseous hydrocarbons in devices based on porous inert media. Radiant burners belong to this class of devices. In radiant burners, a gas-permeable emitter is the key design element. The principle of operation is as follows - a premixed mixture of hydrocarbon gas with an oxidizing gas (for example, liquefied gas with air) burns out near the emitter, which heats up from the combustion products and generates a stream of infrared radiation, the specific power of which, in accordance with the Stefan-Boltzmann law, is proportional to the product of the fourth power the temperature of the emitter and the surface area of the emitter. Ceramic plates with a structure of many expanding microchannels are used as emitters, flat and volumetric products based on movable structures of metal meshes, ceramic or metal fibers, products from porous materials with predominantly open porosity, such as foam or porous products obtained by consolidation methods. powders, combined designs based on several gas-permeable products. Radiant burners are widely used for heating industrial premises, as well as heat sources in conveyor furnaces used for drying and heat treatment of materials such as rolled steel, textiles, paper, food, etc.
В последнее десятилетие возрос интерес к радиационным горелкам цилиндрической формы, которая оптимальна для использования горелок в компактных теплоэнергетических установках как-то водогрейные котлы, проточные водонагреватели и мобильные устройства когенерации тепла и термоэлектричества. Акценты при разработке цилиндрических горелок направлены на повышение надежности горелки за счет использования новых материалов с улучшенными высокотемпературными свойствами, повышение надежности конструкции за счет разработки новых способов стабилизации зоны горения газовой смеси с целью исключить риск проскока пламени в зону смешения газов, снижение эмиссии монооксида углерода в продуктах сгорания, а также повышение радиационного КПД горелки, определяемого как процент тепловой энергии горения, перешедшей в тепловое излучение.In the last decade, interest has increased in cylindrical radiant burners, which are optimal for the use of burners in compact thermal power plants such as hot water boilers, instantaneous water heaters and mobile devices for cogeneration of heat and thermoelectricity. Emphasis in the development of cylindrical burners are aimed at increasing the reliability of the burner through the use of new materials with improved high-temperature properties, increasing the reliability of the design by developing new methods for stabilizing the combustion zone of the gas mixture in order to eliminate the risk of flame breakthrough into the gas mixing zone, and reducing the emission of carbon monoxide in products combustion, as well as an increase in the radiation efficiency of the burner, defined as the percentage of the thermal energy of combustion that has passed into thermal radiation.
На величину радиационного КПД горелки и эмиссию СО глобально влияет две величины: температура газов в зоне горения Т1 и температура продуктов сгорания на выходе из горелочного устройства Для обеспечения максимального радиационного КПД необходимо организовать процесс горения и теплообмена таким образом, чтобы Т1 была как можно больше (в пределе стремилась к адиабатической температуре для стехиометрической смеси), а величина Т2 - как можно меньше (в пределе стремилась к температуре окружающей среды). С другой стороны, для уменьшения эмиссии СО необходимо чтобы обе температуры были как можно больше. Возникает проблема - дизайн устройства и условия горения, обеспечивающие повышенный радиационный КПД, также приводят к увеличенной эмиссии СО. Поэтому актуальна разработка новых цилиндрических горелок и новых способов сжигания газа в них, которые позволят снизить эмиссию СО при обеспечении высоких значений радиационного КПД.The magnitude of the radiation efficiency of the burner and the emission of CO are globally influenced by two quantities: the temperature of the gases in the combustion zone T 1 and the temperature of the combustion products at the outlet of the burner device.To ensure the maximum radiation efficiency, it is necessary to organize the combustion and heat exchange process in such a way that T 1 is as high as possible (in the limit, it tends to the adiabatic temperature for a stoichiometric mixture), and the value of T 2 is as small as possible (in the limit, it tends to the ambient temperature). On the other hand, to reduce CO emissions, both temperatures must be as high as possible. A problem arises - the design of the device and the combustion conditions, which provide an increased radiation efficiency, also lead to an increased emission of CO. Therefore, it is important to develop new cylindrical burners and new methods of gas combustion in them, which will reduce CO emissions while ensuring high values of radiation efficiency.
Уровень техникиState of the art
Известна цилиндрическая радиационная горелка с комбинированным излучателем из полого микроканального керамического цилиндра и металлической сетки, которая закреплена на некотором расстоянии от поверхности керамического цилиндра с помощью стержней (RU 131851 МПК F23D 14/12, 2012). В данном решении топливо-воздушная смесь подается в полость керамического излучателя, структура каналов в котором обеспечивает равномерное распределение потока смеси к внешней поверхности керамического излучателя, и, соответственно, равномерное горение по всей его поверхности. Размещение сетки над зоной горения позволяет интенсифицировать теплообмен с продуктами сгорания и обеспечить повышение радиационного КПД. 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 cylindrical radiation burner with a combined emitter of a hollow microchannel ceramic cylinder and a metal mesh, which is fixed at some distance from the surface of the ceramic cylinder using rods (RU 131851 IPC F23D 14/12, 2012). In this solution, the fuel-air mixture is fed into the cavity of the ceramic radiator, the structure of the channels in which ensures uniform distribution of the mixture flow to the outer surface of the ceramic radiator, and, accordingly, uniform combustion over its entire surface. Placement of the grid above the combustion zone makes it possible to intensify the heat exchange with the combustion products and to increase the radiation efficiency. The disadvantage of this solution is the low resistance of perforated cylindrical ceramics to bending mechanical stresses arising from large temperature gradients along the cylinder wall thickness, which can lead to the destruction of ceramics in the most power-loaded burner operating modes.
Известна цилиндрическая радиационная горелка, у которой комбинированный излучатель выполнен в виде пористой трубы из жаропрочного металлокерамического материала, над поверхностью которой размещена сетка из жаропрочной стали (RU 2310129 МПК F23D 14/12, 2007). Топливная смесь подается внутрь трубы, фильтруется через пористую стенку и сгорает на внешней поверхности. Преимуществом данного решения является использование металлокерамики, которая обладает повышенной стойкостью к термомеханическим градиентам. Также преимуществом является анизотропная структура пористости излучателя, которая позволяет при достаточно узких поровых каналах обеспечить высокую газопроницаемость. Недостатком данного решения являются необходимость размещения сеток над поверхностью пористого излучателя для повышения радиационного КПД.Known cylindrical radiation burner, in which the combined emitter is made in the form of a porous tube made of heat-resistant cermet material, above the surface of which is placed a grid of heat-resistant steel (RU 2310129 IPC F23D 14/12, 2007). The fuel mixture is supplied to the inside of the pipe, filtered through the porous wall and burned on the outer surface. The advantage of this solution is the use of cermets, which are highly resistant to thermomechanical gradients. Another advantage is the anisotropic structure of the porosity of the emitter, which allows, with sufficiently narrow pore channels, to provide high gas permeability. The disadvantage of this solution is the need to place the grids over the surface of the porous emitter to increase the radiation efficiency.
Известны цилиндрические радиационные горелки фирмы Alzeta Corporation [Neil K. McDougald. Development and demonstration of an ultra low NOx combustor for gas turbines. - 2005. https://doi.org/10.2172/840382; Colorado A., McDonell V. Surface stabilized combustion technology: An experimental evaluation of the extent of its fuel-flexibility and pollutant emissions using low and high calorific value fuels // Applied Thermal Engineering. - 2018. - Vol. 136. - P. 206-218. -https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.02.081], у которых комбинированный излучатель выполнен в виде жесткого металлического каркаса цилиндрической формы, на внешней поверхности которого размещается газопроницаемый мат из керамических или металлических волокон. Газовая смесь подается во внутреннюю полость каркаса, структура которого обеспечивает равномерное распределение смеси по поверхности излучателя, при этом сжигание смеси организуется на внешней поверхности или в приповерхностных слоях волокнистого мата. Преимуществом данного технического решения является повышенная стойкость излучателя горелки к термомеханическим напряжениям, что обусловлено подвижностью волокон внешнего слоя друг относительно друга. Недостатком данного технического решения является возможность проскока пламени под поверхность волокнистого мата в цилиндрический объем, сформированный металлическим каркасом. Это приводит к расплавлению или деформации каркаса и рассматривается как аварийный сценарий. Данный недостаток присущ всем вышеупомянутым техническим решениям; в случае проскока горения во внутреннюю полость цилиндрического излучателя как керамические, так и металлокерамические горелки будут разрушены ввиду низкой пластичности материала. Поэтому при эксплуатации цилиндрической газовой горелки с внешним режимом горения необходимо использование быстродействующей автоматики контроля состава и расхода газовой смеси, а также автоматики контроля пламени. Для того, чтобы избежать реализации проскока пламени диапазон работы горелок Alzeta смещен в сторону бедных топливо-воздушных смесей и высоких удельных мощностей горения, типично коэффициент избытка воздуха более 1.3 и удельные мощности более 400 кВт/м2. В данных режимах предельный радиационный КПД согласно расчету [Мазной А.С., Кирдяшкин А.И., Пичугин Н.С. Радиационные горелки цилиндрической формы с максимальной эффективностью преобразования энергии горения в излучение // Горение и взрыв. - 2018. - №2. - С.56-65. https://doi.org/10.1515/10.30826/CE18110208] может достигать значений 45%, однако в экспериментах [Neil K. McDougald. Development and demonstration of an ultra low NOx combustor for gas turbines. - 2005. https://doi.org/10.2172/840382] получены значения менее 30%, что является недостатком.Known cylindrical radiant burners from the Alzeta Corporation [Neil K. McDougald. Development and demonstration of an ultra low NOx combustor for gas turbines. - 2005. https://doi.org/10.2172/840382; Colorado A., McDonell V. Surface stabilized combustion technology: An experimental evaluation of the extent of its fuel-flexibility and pollutant emissions using low and high calorific value fuels // Applied Thermal Engineering. - 2018. - Vol. 136. - P. 206-218. -https: //doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.02.081], in which the combined emitter is made in the form of a rigid metal frame of a cylindrical shape, on the outer surface of which there is a gas-permeable mat made of ceramic or metal fibers. The gas mixture is fed into the inner cavity of the frame, the structure of which ensures a uniform distribution of the mixture over the surface of the emitter, while the combustion of the mixture is organized on the outer surface or in the near-surface layers of the fibrous mat. The advantage of this technical solution is the increased resistance of the torch emitter to thermomechanical stresses, which is due to the mobility of the fibers of the outer layer relative to each other. The disadvantage of this technical solution is the possibility of flame breakthrough under the surface of the fibrous mat into a cylindrical volume formed by a metal frame. This leads to melting or deformation of the framework and is considered an emergency scenario. This disadvantage is inherent in all the above-mentioned technical solutions; in the event of a breakthrough of combustion into the inner cavity of the cylindrical radiator, both ceramic and sintered burners will be destroyed due to the low plasticity of the material. Therefore, when operating a cylindrical gas burner with an external combustion mode, it is necessary to use a high-speed automatic control of the composition and flow rate of the gas mixture, as well as an automatic flame control. In order to avoid flame breakthrough, the operating range of Alzeta burners is shifted towards lean air-fuel mixtures and high specific combustion powers, typically an excess air ratio of more than 1.3 and specific powers of more than 400 kW / m 2 . In these modes, the limiting radiation efficiency according to the calculation [Maznoy AS, Kirdyashkin AI, Pichugin NS. Radiation burners of cylindrical shape with maximum efficiency of converting combustion energy into radiation // Combustion and explosion. - 2018. - No. 2. - S.56-65. https://doi.org/10.1515/10.30826/CE18110208] can reach 45%, however, in experiments [Neil K. McDougald. Development and demonstration of an ultra low NOx combustor for gas turbines. - 2005. https://doi.org/10.2172/840382] values less than 30% were obtained, which is a disadvantage.
Известна радиационная горелка, в которой излучатель выполнен в виде жаропрочной пористой трубы, с одного торца которой расположено сопло подачи газообразного топлива, а с другого торца установлена заглушка (RU 2462661 МПК F23D 14/14, 2012). Способ проведения процесса горения заключается в следующем. Во внутреннюю полость горелки подается высокоскоростная струя топлива. Воздух, необходимый для формирования гомогенной топливной смеси, поступает в объем внутренней полости через пористую стенку излучателя за счет разряжения, созданного высокоскоростной струей топлива. Смешение топлива с воздухом происходит в некоторой протяженной зоне внутренней полости излучателя. Далее топливо-воздушная смесь фильтруется через пористую стенку к внешней поверхности излучателя, где сгорает в некоторой протяженной зоне вблизи размещения заглушки. С целью повышения радиационного КПД на внешней поверхности излучателя могут выполняться кольцевые углубления, при этом зона горения частично стабилизируется в объеме данных углублений. Либо над поверхностью излучателя в зоне горения может коаксиально размещаться жаропрочная пористая труба из высокопористого материала, при этом зона горения стабилизируется на границе сопряжения двух пористых труб. Преимуществами данного решения является возможность работы горелки без необходимости использовать питаемые электричеством системы для подачи топливной смеси во внутреннюю полость излучателя, а также обеспечивается повышенный радиационный КПД в случае установки дополнительного коаксиального излучателя из высокопористого материала. Недостатками данного решения являются низкий ресурс излучателя, что обусловлено возникновением высоких термомеханических градиентов в цилиндрической стенке на границе холодной зоны инфильтрации воздуха и раскаленной зоны горения. Также на данной границе происходит формирование избыточного СО, что связано с резким охлаждением реагирующей топливо-воздушной смеси.Known radiation burner, in which the emitter is made in the form of a heat-resistant porous pipe, at one end of which there is a nozzle for supplying gaseous fuel, and at the other end there is a plug (RU 2462661 IPC F23D 14/14, 2012). The method of carrying out the combustion process is as follows. A high-speed jet of fuel is supplied to the inner cavity of the burner. The air necessary for the formation of a homogeneous fuel mixture enters the volume of the inner cavity through the porous wall of the radiator due to the vacuum created by the high-speed fuel jet. Mixing of fuel with air occurs in a certain extended area of the inner cavity of the radiator. Further, the fuel-air mixture is filtered through the porous wall to the outer surface of the emitter, where it burns in a certain extended zone near the location of the plug. In order to increase the radiation efficiency, annular depressions can be made on the outer surface of the radiator, while the combustion zone is partially stabilized in the volume of these depressions. Alternatively, a heat-resistant porous pipe made of a highly porous material can be coaxially placed above the surface of the radiator in the combustion zone, while the combustion zone is stabilized at the interface between the two porous pipes. The advantages of this solution are the ability to operate the burner without the need to use electrically powered systems for supplying the fuel mixture to the inner cavity of the radiator, and also provides increased radiation efficiency in the case of installing an additional coaxial radiator made of highly porous material. The disadvantages of this solution are the low resource of the emitter, which is due to the occurrence of high thermomechanical gradients in the cylindrical wall at the border of the cold zone of air infiltration and the incandescent combustion zone. Excess CO is also formed at this boundary, which is associated with a sharp cooling of the reacting fuel-air mixture.
Наиболее близким по технической сущности аналогом является радиационная горелка, в которой в качестве излучателя используется цилиндрическая пористая труба со сферическим оголовком, выполненная из жаропрочного интерметаллического сплава (RU 2640305 МПК F23D 14/00, 2017). В данной горелке сгорание топливо-воздушной смеси реализуется в объеме внутренней полости излучателя, а не на его внешней поверхности и не в объеме пор. Реализовать данный режим горения возможно благодаря использованию интерметаллического излучателя с улучшенными высокотемпературными свойствами [Maznoy A., Kirdyaskin A., Kitler V., Pichugin N., Salamatov V., Tcoi K. Self-propagating high-temperature synthesis of macroporous B2+L12 Ni-Al intermetallics for cylindrical radiant burners // Journal of Alloys and Compounds - 2019. - V. 792. - P. 561-573. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.023]. Преимуществом данного режима горения является возможность достижения высоких значений радиационного КПД. В [Maznoy A., Kirdyashkin A., Minaev S., Markov A., Pichugin N., Yakovlev E. A study on the effect of porous structure on the enviromental and radiative characteristics of cylindrical Ni-Al burners // Energy - 2018. - V. 160. - P. 399-409. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.07.017; Maznoy A., Pichugin N., Yakivlev I., Fursenko R., Petrov D., Shy. S. Fuel Interchangeability for Lean Premixed Combustion in Cylindrical Radiant Burner Operated in the Internal Combustion Mode // Applied thermal Engineering - 2020. - 115997. https://doi.org/l0.1016/j.applthermaleng.2020.115997] изучены горелки данного типа и показано, что радиационный КПД может достигать величин 45-57%, при этом эмиссия вредных веществ удовлетворяет международным стандартам. Наряду с многочисленными достоинствами радиационная горелка, выбранная за прототип, имеет следующие недостатки:The closest analogue in technical essence is a radiation burner, in which a cylindrical porous tube with a spherical tip made of a heat-resistant intermetallic alloy (RU 2640305 IPC F23D 14/00, 2017) is used as a radiator. In this burner, the combustion of the fuel-air mixture is realized in the volume of the inner cavity of the emitter, and not on its outer surface and not in the volume of pores. This combustion mode can be realized thanks to the use of an intermetallic emitter with improved high-temperature properties [Maznoy A., Kirdyaskin A., Kitler V., Pichugin N., Salamatov V., Tcoi K. Self-propagating high-temperature synthesis of macroporous B2 + L1 2 Ni-Al intermetallics for cylindrical radiant burners // Journal of Alloys and Compounds - 2019. - V. 792. - P. 561-573. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.023]. The advantage of this combustion mode is the ability to achieve high values of the radiation efficiency. In [Maznoy A., Kirdyashkin A., Minaev S., Markov A., Pichugin N., Yakovlev E. A study on the effect of porous structure on the enviromental and radiative characteristics of cylindrical Ni-Al burners // Energy - 2018 - V. 160. - P. 399-409. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.07.017; Maznoy A., Pichugin N., Yakivlev I., Fursenko R., Petrov D., Shy. S. Fuel Interchangeability for Lean Premixed Combustion in Cylindrical Radiant Burner Operated in the Internal Combustion Mode // Applied thermal Engineering - 2020. - 115997. https://doi.org/l0.1016/j.applthermaleng.2020.115997] burners of this type and it has been shown that the radiation efficiency can reach values of 45-57%, while the emission of harmful substances meets international standards. Along with numerous advantages, the radiation burner chosen for the prototype has the following disadvantages:
1. По сравнению с внешним режимом горения, когда зона реакции стабилизирована на внешней поверхности излучателя, либо с погружным режимом горения, когда зона реакций стабилизирована в объеме пор приповерхностных слоев излучателя, горелка-аналог работает во внутреннем режиме горения, когда сгорание топливо-воздушной смеси полностью происходит в полости излучателя в виде турбулентного пламени. Следствием этого является повышенная шумность, что ограничивает применение горелки-аналога в бытовых устройствах.1. Compared with the external combustion mode, when the reaction zone is stabilized on the outer surface of the radiator, or with a submerged combustion mode, when the reaction zone is stabilized in the pore volume of the near-surface layers of the radiator, the analog burner operates in the internal combustion mode when the combustion of the fuel-air mixture completely occurs in the cavity of the radiator in the form of a turbulent flame. The consequence of this is increased noise, which limits the use of an analog burner in household appliances.
2. Для ввода потока свежей смеси во внутреннюю полость цилиндрического излучателя используется корпус горелки с особым профилем газоподающих каналов (в форме сопла Лаваля с установленным аксиально распределителем потока конической формы). Данная система позволяет распределить поток топливно-воздушной смеси по полости горелки, однако она работает в достаточно узких диапазонах скоростей потока. Это ограничивает применимый диапазон мощностей и составов топливовоздушной смеси, в которых горелка не переходит к режиму внешнего горения.2. To introduce the flow of fresh mixture into the inner cavity of the cylindrical radiator, a burner body with a special profile of gas supply channels (in the form of a Laval nozzle with an axially installed conical flow distributor) is used. This system makes it possible to distribute the flow of the fuel-air mixture over the burner cavity, however, it operates in rather narrow ranges of flow rates. This limits the applicable range of powers and air-fuel mixtures in which the burner does not switch to external combustion.
3. В радиационных горелках с внешним и погружным режимами горения поток топливо-воздушной смеси попадает в зону горения предварительно подогретым, что происходит за счет реализации механизма внутренней рециркуляции тепла по пористому каркасу излучателя. Это приводит к достижению сверхадиабатических температур в газовой фазе при горении, что способствует эффективному окислению топлива. Данный эффект не реализуется в горелке-аналоге, так как газовый поток с температурой окружающей среды напрямую попадает в зону горения. В связи с этим при удельных мощностях менее 150 кВт/м2 заметно возрастает эмиссия монооксида углерода, которая в зависимости от условий может превышать 400 ppm (приведено к условиям в сухих, неразбавленных воздухом продуктах сгорания). Это снижает диапазон регулирования мощности за счет ограниченной возможности горелки-аналога работать при низких удельных мощностях, при которых радиационные горелки характеризуются повышенными значениями радиационного КПД.3. In radiation burners with external and submersible combustion modes, the flow of the fuel-air mixture enters the combustion zone preheated, which occurs due to the implementation of the mechanism of internal heat recirculation along the porous frame of the radiator. This leads to the achievement of superadiabatic temperatures in the gas phase during combustion, which contributes to the efficient oxidation of the fuel. This effect is not realized in an analogue burner, since the gas flow with the ambient temperature directly enters the combustion zone. In this regard, at specific powers less than 150 kW / m 2 , the emission of carbon monoxide noticeably increases, which, depending on the conditions, can exceed 400 ppm (reduced to conditions in dry, undiluted combustion products). This reduces the power control range due to the limited ability of the analog burner to operate at low specific powers, at which radiation burners are characterized by increased values of radiation efficiency.
Сущность изобретенияThe essence 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 цилиндрической радиационной горелки с повышенными эксплуатационными и экологическими характеристиками, что достигается за счет применения газопроницаемого жаростойкого и жаропрочного распределителя потока свежей смеси с заданными структурными характеристиками, который размещается в объеме внутренней полости цилиндрического излучателя, а также режима горения, при котором зона реакции стабилизируется на поверхности распределителя потока, либо в цилиндрическом объеме, сформированном между внешней поверхностью распределителя потока и внутренней поверхностью внешнего излучателя.The main task of the proposed technical solution is the creation of a cylindrical radiation burner with improved operational and environmental characteristics, which is achieved through the use of a gas-permeable, heat-resistant and heat-resistant distributor of the fresh mixture flow with given structural characteristics, which is located in the volume of the inner cavity of the cylindrical radiator, as well as the combustion mode, when where the reaction zone is stabilized on the surface of the flow distributor, or in a cylindrical volume formed between the outer surface of the flow distributor and the inner surface of the outer radiator.
Техническим результатом заявленного изобретения является равномерное распределение потока свежей смеси, снижение шума, а также увеличение радиационного КПД при улучшении экологических характеристик в режимах низкой удельной мощности горения.The technical result of the claimed invention is a uniform distribution of the flow of the fresh mixture, noise reduction, as well as an increase in radiation efficiency while improving environmental performance in low specific combustion power modes.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что радиационная горелка содержит полый корпус с патрубками подвода газов, газопроницаемый цилиндрический излучатель из жаростойкого и жаропрочного материала в виде полой трубы с оголовком, при этом подача газообразных топлива и окислителя из корпуса в излучатель обеспечивается с помощью газопроницаемого жаростойкого и жаропрочного распределителя потока, размещенного в объеме внутренней полости излучателя и выполненного из жаростойкого и жаропрочного материала, такой формы, что локальная скорость истечения свежей смеси с внешней поверхности распределителя не отклоняется более чем на 15% от средней скорости. Согласно изобретению, длина распределителя потока равна 0.4-0.99 длины внутренней полости цилиндрического излучателя, диаметр распределителя при основании равен 0.2-0.99 диаметра внутренней полости излучателя.The claimed technical result is achieved due to the fact that the radiation burner contains a hollow body with gas supply pipes, a gas-permeable cylindrical emitter made of heat-resistant and heat-resistant material in the form of a hollow tube with a head, while the supply of gaseous fuel and oxidizer from the body to the emitter is provided by means of a gas-permeable heat-resistant and a heat-resistant flow distributor located in the volume of the inner cavity of the radiator and made of heat-resistant and heat-resistant material, such that the local velocity of the fresh mixture outflow from the outer surface of the distributor does not deviate by more than 15% from the average velocity. According to the invention, the length of the flow distributor is 0.4-0.99 of the length of the inner cavity of the cylindrical radiator, the diameter of the distributor at the base is 0.2-0.99 of the diameter of the inner cavity of the radiator.
Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показана принципиальная схема радиационной газовой горелки (фиг. 1).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 a schematic diagram of a radiant gas burner (Fig. 1).
На фиг. 1 цифрами обозначены следующие позиции: 1 - газопроницаемый цилиндрический излучатель; 2 - газопроницаемый распределитель потока; 3 - корпус горелки; 4 - прокладка из керамического волокна.FIG. 1, numbers indicate the following positions: 1 - gas-permeable cylindrical radiator; 2 - gas-permeable flow distributor; 3 - burner body; 4 - ceramic fiber gasket.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Принципиальная схема радиационной горелки приведена на фиг. 1. Радиационная горелка состоит из газопроницаемого жаростойкого и жаропрочного цилиндрического излучателя с полусферическим оголовком (1), смонтированного с корпусом горелки (3) через прокладку из вспененной оксидной керамики (4) или другим способом, обеспечивающим газоплотное присоединение. Длина излучателя (1) выполнена равной 2-5 диаметрам излучателя, стенка излучателя имеет одинаковую толщину в цилиндрической и полусферической частях, соотношение толщины стенки излучателя к его диаметру составляет от 1:4 до 1:16, пористость излучателя составляет 40-60%, средний размер структурных элементов (пор, элементов твердого каркаса) находится в диапазоне от 400 мкм до 2.5 мм.A schematic diagram of a radiant burner is shown in FIG. 1. The radiation burner consists of a gas-permeable, heat-resistant and heat-resistant cylindrical emitter with a hemispherical head (1), mounted with the burner body (3) through a foamed oxide ceramic gasket (4) or in another way, providing a gas-tight connection. The length of the radiator (1) is made equal to 2-5 diameters of the radiator, the wall of the radiator has the same thickness in the cylindrical and hemispherical parts, the ratio of the wall thickness of the radiator to its diameter is from 1: 4 to 1:16, the porosity of the radiator is 40-60%, average the size of structural elements (pores, elements of a solid framework) is in the range from 400 μm to 2.5 mm.
Корпус горелки (3) в нижней части оборудован патрубком подвода газообразного топлива и воздуха, а в верхней части стыкуется с газопроницаемым жаростойким распределителем потока (2). Распределитель потока (2) выполнен в виде газопроницаемой трубы произвольной формы с оголовком, при этом длина распределителя потока равна 0.4-0.99 длины внутренней полости излучателя, диаметр распределителя потока при основании равен 0.2-0.99 диаметра внутренней полости излучателя, толщина стенки распределителя потока составляет не менее 400 мкм, средний размер газопроницаемых каналов находится в диапазоне от 100 до 1000 мкм.The burner body (3) in the lower part is equipped with a gas fuel and air supply pipe, and in the upper part it is connected to a gas-permeable heat-resistant flow distributor (2). The flow distributor (2) is made in the form of a gas-permeable pipe of arbitrary shape with a tip, while the length of the flow distributor is equal to 0.4-0.99 of the length of the inner cavity of the radiator, the diameter of the flow distributor at the base is 0.2-0.99 of the diameter of the inner cavity of the radiator, the wall thickness of the flow distributor is at least 400 microns, the average size of the gas-permeable channels is in the range from 100 to 1000 microns.
Газопроницаемый распределитель потока может быть выполнен в форме конической трубы с углом раствора конуса 5-30 градусов, выполнен из материала с пористостью 45-55% и средним размером газотранспортных каналов 200-600 мкм. Коническая форма предполагает возможность обеспечения равномерного распределения потока газовоздушной смеси, при котором отклонение локальной скорости истечения газов от среднего значения не более 15%. Экспериментально установлено, что именно такие параметры распределителя потока позволяют обеспечить однородный нагрев излучателя горелки, при котором температура отдельных участков излучателя отличается не более чем 50 градусов.The gas-permeable flow distributor can be made in the form of a conical pipe with a cone opening angle of 5-30 degrees, made of a material with a porosity of 45-55% and an average size of gas transport channels of 200-600 microns. The conical shape assumes the possibility of ensuring a uniform distribution of the gas-air mixture flow, at which the deviation of the local gas flow rate from the average value is no more than 15%. It has been experimentally established that it is precisely these parameters of the flow distributor that provide uniform heating of the burner emitter, at which the temperature of individual sections of the emitter differs by no more than 50 degrees.
Также газопроницаемый распределитель потока произвольной формы может быть выполнен из материала с переменным вдоль оси средним размером газотранспортных каналов, таким что локальная скорость истечения топливо-воздушной смеси с его поверхности не отклоняется более чем на 15% от средней скорости.Also, a gas-permeable flow distributor of arbitrary shape can be made of a material with an axially variable average size of gas transport channels, such that the local flow rate of the fuel-air mixture from its surface does not deviate by more than 15% from the average speed.
Для запуска горелки в корпус горелки (3) подается топливо-воздушная смесь, которая через газопроницаемую стенку распределителя потока (2) распределяется по объему внутренней полости излучателя горелки (1). В случае использования излучателя с размером поровых каналов менее 300-500 мкм пламя поджигается с помощью свечи зажигания, электроды которой расположены во внутренней полости между распределителем потока и излучателем горелки (не показано на фиг. 1). В случае использования излучателя с размером поровых каналов более 500 мкм пламя поджигается с внешней поверхности излучателя горелки (1), после чего происходит стабилизация зоны горения на поверхности излучателя и в течение 10-60 секунд происходит проскок пламени в объем внутренней полости излучателя, где пламя стабилизируется на внешней поверхности распределителя потока (2). Выход горелки на стационарный режим занимает от 2 до 5 минут.To start the burner, a fuel-air mixture is supplied to the burner body (3), which is distributed through the gas-permeable wall of the flow distributor (2) over the volume of the inner cavity of the burner radiator (1). In the case of using an emitter with a pore channel size less than 300-500 microns, the flame is ignited using a spark plug, the electrodes of which are located in the inner cavity between the flow distributor and the burner emitter (not shown in Fig. 1). In the case of using an emitter with a pore channel size of more than 500 microns, the flame is ignited from the outer surface of the burner emitter (1), after which the combustion zone on the surface of the emitter is stabilized and within 10-60 seconds the flame breaks through into the volume of the inner cavity of the emitter, where the flame is stabilized on the outer surface of the flow distributor (2). It takes 2 to 5 minutes for the burner to reach steady-state mode.
Экспериментально установлено, что диапазон регулирования удельной мощности радиационной горелки составляет от 100 до 500 кВт/м2, рассчитанных как мощность горения, отнесенная к площади поверхности излучателя горелки (1), при этом для обеспечения низкой эмиссии монооксида углерода необходимо использовать коэффициент избытка воздуха не менее 1.1.It was established experimentally that the radiation of the burner range of power density is from 100 to 500 kW / m 2, calculated as the power of combustion divided by the surface area of the burner of the radiator (1), thus to ensure low emissions of carbon monoxide necessary to use an excess air ratio of at least 1.1.
Максимальные длина и диаметр распределителя потока ограничены размером внутренней полости излучателя. Ограничение на минимальные значения длины и диаметра распределителя потока в 0.4 длины и 0.2 диаметра полости излучателя связано с необходимостью обеспечить достаточно однородное распределение потока свежей смеси по объему внутренней полости, при котором температура отдельных участков излучателя отличается не более чем 50 градусов.The maximum length and diameter of the flow distributor are limited by the size of the inner cavity of the radiator. The limitation on the minimum values of the length and diameter of the flow distributor at 0.4 of the length and 0.2 of the diameter of the emitter cavity is associated with the need to ensure a sufficiently uniform distribution of the fresh mixture flow over the volume of the internal cavity, at which the temperature of individual sections of the emitter differs by no more than 50 degrees.
В зависимости от условий, поток инфракрасного излучения от внутренней поверхности излучателя (1) на внешнюю поверхность распределителя потока (2) приводит к нагреву последнего до температуры 50-500 градусов Цельсия, что приводит к подогреву свежей смеси до того, как она попадет в зону горения. Экспериментально установлено, что при низкой удельной мощности данный эффект внутренней рециркуляции тепла приводит к двукратному снижению эмиссии монооксида углеродаDepending on the conditions, the flow of infrared radiation from the inner surface of the emitter (1) to the outer surface of the flow distributor (2) leads to the heating of the latter to a temperature of 50-500 degrees Celsius, which leads to heating of the fresh mixture before it enters the combustion zone ... It has been experimentally established that at a low specific power, this effect of internal heat recirculation leads to a twofold decrease in the emission of carbon monoxide.
Экспериментально зафиксирован эффект снижения шума. Без использования распределителя потока (2) горелка характеризуется звуковым давлением на уровне 70-80 дБ, тогда как с установленным распределителем потока зафиксировано снижение шума на 20-30 дБ.The effect of noise reduction has been experimentally recorded. Without the use of a flow distributor (2), the burner has a sound pressure of 70-80 dB, while with an installed flow distributor, a noise reduction of 20-30 dB is recorded.
Размер газопроницаемых каналов излучателя в диапазоне 400-650 мкм позволяет обеспечить близкий к идеальному теплообмен продуктов сгорания с пористой стенкой излучателя, при котором измеренные значения радиационного КПД близки к максимально достижимым уровням радиационного КПД, при которых температуры излучающей поверхности и продуктов сгорания на выходе из данной поверхности равны. В случае использования интерметаллидных сплавов для создания излучателя с размером газопроницаемых каналов в диапазоне 400-650 мкм, оптимальная прочность излучателя достигается при соотношении толщины стенки излучателя к его диаметру 1:16. В случае использования для создания излучателя крупнопористых сплавов с размером газопроницаемых каналов более 650 мкм, для достижения высокой интенсивности конвективного теплообмена продуктов сгорания со стенкой излучателя его толщина должна составлять не менее десяти размеров газопроницаемых каналов.The size of the gas-permeable channels of the emitter in the range of 400-650 microns allows to ensure close to ideal heat exchange of combustion products with the porous wall of the emitter, at which the measured values of the radiation efficiency are close to the maximum attainable levels of radiation efficiency, at which the temperatures of the emitting surface and combustion products at the exit from this surface are equal. In the case of using intermetallic alloys to create a radiator with a gas-permeable channel size in the range of 400-650 microns, the optimal strength of the radiator is achieved when the ratio of the radiator wall thickness to its diameter is 1:16. If large-pore alloys with a gas-permeable channel size of more than 650 microns are used to create a radiator, in order to achieve a high intensity of convective heat exchange of combustion products with the radiator wall, its thickness should be at least ten sizes of gas-permeable channels.
Пример конкретной реализации заявленного изобретения.An example of a specific implementation of the claimed invention.
Использовался цилиндрический излучатель с полусферическим оголовком, выполненный из пористого Ni-Al сплава. Диаметр излучателя составлял 64 мм, длина 160 мм, толщина стенки 10 мм, пористость 55%, размер газотранспортных каналов 500 мкм, размер элементов скелета 1200 мкм. Инфракрасный излучатель смонтирован через прокладку из вспененной оксидной керамики с корпусом горелки, выполненном из нержавеющей стали. Использовался распределитель потока в форме конической трубы с полусферическим оголовком, выполненный из пористого Ni-Al сплава. Диаметр распределителя потока при основании составлял 30 мм, диаметр полусферического оголовка 16 мм, полная длина 105 мм, угол раствора конуса 8 градусов, толщина стенки 3 мм, пористость 55%, размер газотранспортных каналов 250 мкм, размер элементов скелета 550 мкм. Диапазон регулирования мощности горелки составляет 3.25 - 16.25 кВт. В корпус горелки подается метан и воздух в объемном соотношении 1:10.5. Розжиг горелки вблизи внешней поверхности излучателя при мощности 5 кВт приводит к реализации проскока пламени во внутреннюю полость излучателя в течение 15 секунд. Достижение горелкой стационарного режима занимает 3 минуты. В режиме минимальной мощности получены величины радиационного КПД порядка 65%, а продукты горения характеризуются эмиссией монооксида углерода менее 100 ppm, приведенных к сухим неразбавленным воздухом продуктам сгорания.A cylindrical emitter with a hemispherical head made of porous Ni-Al alloy was used. The emitter diameter was 64 mm, the length was 160 mm, the wall thickness was 10 mm, the porosity was 55%, the size of the gas transport channels was 500 µm, and the size of the skeleton elements was 1200 µm. The infrared emitter is mounted through a foamed oxide ceramic gasket with a stainless steel burner body. The flow distributor was in the form of a conical tube with a hemispherical tip, made of a porous Ni-Al alloy. The diameter of the flow distributor at the base was 30 mm, the diameter of the hemispherical head was 16 mm, the total length was 105 mm, the cone angle was 8 degrees, the wall thickness was 3 mm, the porosity was 55%, the size of the gas transport channels was 250 μm, and the size of the skeletal elements was 550 μm. The burner power control range is 3.25 - 16.25 kW. Methane and air are fed into the burner body in a volumetric ratio of 1: 10.5. Ignition of the burner near the outer surface of the emitter at a power of 5 kW leads to the realization of flame breakthrough into the inner cavity of the emitter for 15 seconds. It takes 3 minutes for the burner to reach steady state. In the mode of minimum power, the values of the radiation efficiency of about 65% were obtained, and the combustion products are characterized by the emission of carbon monoxide less than 100 ppm, reduced to dry undiluted combustion air.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020142633A RU2753319C1 (en) | 2020-12-22 | 2020-12-22 | Radiation burner |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020142633A RU2753319C1 (en) | 2020-12-22 | 2020-12-22 | Radiation burner |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2753319C1 true RU2753319C1 (en) | 2021-08-13 |
Family
ID=77349274
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020142633A RU2753319C1 (en) | 2020-12-22 | 2020-12-22 | Radiation burner |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2753319C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| RU2462661C1 (en) * | 2011-05-04 | 2012-09-27 | Учреждение Российской академии наук Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН (ИТПМ СО РАН) | Radiation gas burner, and its combustion process |
| US9709265B2 (en) * | 2014-03-07 | 2017-07-18 | Gas Technology Institute | Porous metal foam burner |
| RU2640305C1 (en) * | 2017-03-07 | 2017-12-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Синтез-СВ" | Radiation gas burner |
-
2020
- 2020-12-22 RU RU2020142633A patent/RU2753319C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| RU2462661C1 (en) * | 2011-05-04 | 2012-09-27 | Учреждение Российской академии наук Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН (ИТПМ СО РАН) | Radiation gas burner, and its combustion process |
| US9709265B2 (en) * | 2014-03-07 | 2017-07-18 | Gas Technology Institute | Porous metal foam burner |
| RU2640305C1 (en) * | 2017-03-07 | 2017-12-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Синтез-СВ" | Radiation gas burner |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
|---|---|---|
| JP4463427B2 (en) | Burner and method for operating a gas turbine | |
| RU2589587C1 (en) | Burner for gaseous fuel with high energy saving and combustion efficiency with low emission of pollutants and high heat transfer | |
| EP0157432A2 (en) | Radiant surface combustion burner | |
| US20080124666A1 (en) | Porous burner as well as a method for operating a porous burner | |
| RU2640305C1 (en) | Radiation gas burner | |
| RU2451877C2 (en) | Porous hydrogen burner without premixing | |
| CN101158469A (en) | Sectional type porous ceramic dielectric gas fuel combusting device | |
| CN110360555A (en) | A kind of burner and its application for high temperature solid fuel cell | |
| RU2753319C1 (en) | Radiation burner | |
| CN112654818B (en) | Variable component gas mixture sensor | |
| US5746194A (en) | Catalytic insert for NOx reduction | |
| CN109268829B (en) | Wedge-shaped transition zone porous medium combustor and flame surface regulation and control method | |
| RU129599U1 (en) | INFRARED RADIATION BURNER | |
| Dahiya et al. | Improvement of the domestic LPG cooking stoves: a review | |
| RU2462661C1 (en) | Radiation gas burner, and its combustion process | |
| JP2751425B2 (en) | Burner plate | |
| JP2007322019A (en) | Combustor | |
| KR102626808B1 (en) | Apparatus for combustion | |
| US11255538B2 (en) | Radiant infrared gas burner | |
| Vasilik et al. | Stimulated surface combustion in infrared burners | |
| RU2310129C1 (en) | Multipurpose porous nozzle for flameless gas burner | |
| JP2697155B2 (en) | Burner plate | |
| RU2094703C1 (en) | Surface-combustion gas burner | |
| CN112555818A (en) | Micro-combustor for burning liquid fuel applied to micro-thermophotovoltaic system | |
| RU2616962C1 (en) | Heat generator combustion chamber |