Использование: в энергетике, в частности для смешения и сжигания смесей природного газа с воздухом. Сущность изобретения: смеситель выполнен цилиндрическим с торцовыми отражающими стенками, перпендикулярными проходной оси камеры, в одной из которых установлено газовое сопло, а в другой выполнено отверстие вывода смеси; в центральной части боковой стенки смесителя выполнены радиальные отверстия для подачи первичного воздуха, а смеситель соединен с насадкой посредством трубопровода вывода смеси; горелка содержит полое кольцо-теплообменник для подогрева первичного воздуха, примыкающий к насадку кожух, расположенный с зазором вокруг теплообменника, для подачи вторичного воздуха с горячими газами на подогрев первичного воздуха. 2 ил.
Изобретение относится к технологии смешения и сжигания физических смесей природного газа с воздухом в газовых водонагревателях, бытовых плитах и различных мелких отопительных агрегатах, работающих на природном газе низкого давления в условиях отсутствия сжатого воздуха.
Известно устройство для смешения и сжигания потока газа низкого давления и эжектируемого им воздуха в камерах смешения, выполненных в корпусах атмосферных горелок (Газогорелочные устройства. Ю. В.Иванов. Изд-во "Недра", 1972, с. 56 57, рис. 2-19; 2 20).
Однако известное техническое решение имеет следующие недостатки.
Для транспортирования воздуха в камеру смешения используется струя газа низкого давления и низкой скорости движения, в связи с чем энергетически слаба и обеспечивает не более 0,3 0,7 количества, теоретически необходимого для горения первичного воздуха, ввиду чего неизбежно появляется неуправляемое атмосферное горение, значительный недожег топлива с выделением CO.
На низких скоростях движения потока газа при низком давлении эжекция воздуха плохо управляема и в значительной степени зависима от разрежения в топке и дымоходе, ввиду чего вводится управление тягой по тракту отходящих газов в дымоходе.
Процесс смешения топлива и воздуха использует кинетическую энергию удара движущегося потока газа, но так, как масса объема газа и скорость потока незначительны, процесс идет на низком энергетическом уровне, в связи с чем поток имеет недисперсную, струйную структуру, при низкой скорости горения, низкой температуре пламени и значительной длины факела.
В топках, оборудованных эжекционными горелками низкого давления атмосферного горения не удается осуществить режим горения с коэффициентом избытка воздуха менее 1,3 1,4, что приводит к невысоким КПД установок так, как примитивный струйный способ смешения не обеспечивает контакт каждой молекулы топлива и окислителя, удлиняет процесс во времени, в связи с чем требуется значительной длины камера смешения и устройства.
Технический результат изобретения производство тонкодисперсных на молекулярном уровне, химически активных при горении, воздушно-газовых топливных смесей в одноструктурном с подавленной струйностью потоке, единообразном по содержанию газа и воздуха в единице объема и на основе этого повышение теплопроизводительности горелки за счет увеличения скорости горения смеси и температуры пламени, снижения недожега топлива и выделения CO, а также снижения избытка воздуха, в связи с чем потерь тепла с отходящими газами и создание автономной газогорелочной системы, снижающей зависимость горелки от противодавления или чрезмерного разрежения в топке дымоходе.
Технический результат достигается тем, что кинетическое взаимодействие потоков газов, разных по физическим параметрам, выраженное в соударении потоков под разными углами атаки, в эжекции, завихрения потоков, совместно с естественной диффузией газов логически переходит в волновую взаимосвязь, в результате чего маломощная и слабоуправляемая на низких скоростях потока эжекция заменяется волновым вакуумным насосом, внешним температурным воздействием.
Компоненты смеси в потоках, разных по физическим волновым параметрам, вводятся в кратные волновые резонансные взаимоотношения, границы потоков и струй в потоках, обозначенные волновым диссонансом, исчезают струи сливаются; механическая вибрация, возникающая в результате острого волнового резонанса рабочих волн потоков и естественная диффузия газов, завершает процесс смешения, приводя воздушно-газовые смеси в едином потоке в состояние, предлагаемое изобретением.
Смешивание газов в автономной обездвиженной камере, в состоянии стоп-импульса, вызванного волновой блокадой пневмовпускных и дифракционных условно-проходных отверстий, возможность дросселирования газовпускного отверстия сопла, изменяя мощность газового потока и производительность горелки, но не изменяя волновых параметров газового потока, возможность регулирования мощности потока вторичного воздуха позволяет получить соотношение газ/воздух, близкое к теоретическому а 1,0, исключающему переизбыток воздуха и недожег топлива.
На фиг. 1 изображена горелка низкого давления с активной волной газового потока; на фиг. 2 камера смещения в волновом соотношении размеров.
В состоянии статики аппарат имеет элементы конструкции и связи: камера 1 смешения -цилиндрическая пустотелая полость с прямолинейной геометрической осью, ее торцовые противоположные плоскости перпендикулярны к оси камеры. Подвод потока газа низкого давления в камеру осуществлен трубопроводом 2, через газовый дроссель 3, диаметром 1,2 2 мм газового сопла 4, продольно геометрической оси камеры. Подвод подогретого воздуха осуществлен трубопроводом 5, под углом 90
o к потоку газа, через расположенный в зоне обогрева полое кольцо-теплообменник 6, воздушный коллектор 7 и 6 симметрично расположенных в диаметральной плоскости равноудаленно от торцовых поверхностей, отверстий 8 диаметром 3 мм. Обогрев теплообменника производится рециркуляцией горячих газов эжекцией факела пламени под кожух 9.
С целью избежания зависимости горелки от противодавления или же разрежения топки и дымохода забор воздуха для питания горелки производится вне объема топки и дымохода. Подвод подогретого вторичного воздуха осуществляется вместе с потоком рециркуляционных газов в устье факела пламени.
Волновая камера смешения 1, через дроссель смеси 10 диаметром 4,6 8 мм сообщена с трубопроводом смеси 11 диаметром 10 мм, переходящим в сопло насадки 12 горелки.
При открытии запорной арматуры газовый поток возбужденный газовым турбокомпрессором поступает в трубопровод 2 и через дроссель 3 газового сопла 4, камеру смещения 1, дроссель смеси 10, трубопровод смеси 11, сопло-насадка 12, преодолевая сопротивление газовоздушного тракта, в топку.
Перепад давлений в системе вызывает движение, а движение, в свою очередь, возбуждает физическую кинетическую волну потока.
Камера, имеющая волновые признаки, пустотелая, открытая с обеих сторон полость с прямолинейной геометрической осью с торцовыми отражательными плоскостями, перпендикулярными геометрической оси, с подводом потока газа и вывода смеси по геометрической оси камеры, имеет продольно проходящую кинетическую волну и становится генератором собственных колебаний волны 1 (фиг. 2), равной удвоенной длине камеры
1= 2l; из общеволновой зависимости
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896711.gif)
или
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896712.gif)
, где V физическая, регулируемая (сигнал входа) скорость газового потока; f
1 переменная, зависимая от скорости потока и длины камеры величина
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896713.gif)
частота пульсации камеры (для системы низкого давления и низких скоростей f
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
10 HZ) и залегает по форме 1 (фиг. 2), при которой узел волны расположен в средней части камеры; в точке R пересечения оси подвода потока газа с осью подвода воздуха, что и определяет зону разрежения в средней части объема камеры.
Воздушный поток, используя подсос камеры, вызванный волновым разрежением в зоне R из объема вне топки и дымохода через теплообменник в трубопровод 5, воздушный коллектор 7 и 6, симметрично расположенных в диаметральной плоскости в средней зоне камеры пневмовыпускных отверстий 8, заполняет определенный неизменный объем камеры.
Внедренная в потоке газа доза воздуха смещается в зоне острого резонанса (P
1) подвергается воздействию высокочастотной, за счет энергии резонанса волн, механической объемной вибрации и через дроссель смеси 10 выбрасывается в трубопровод смеси 11.
Производительность "пневмоэлеватора" определяется частотой пульсации камеры, при том, что частота пульсации
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896714.gif)
или V 2l
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
f
1, зависима от переменной скорости потока газа и стабильной удвоенной длины камеры, ввиду чего от 0-скороси потока газа до (оптим-V), ограниченной F
1 ![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
10HZ горелка управляема от 0 до 100 оптимальной расчетной производительности тепла горелки.
В объеме аппарата, заполненного сжатым газом, через открытую арматуру действует основная, продольная, звуковой частоты, газовая волна 2 (фиг. 2) длиной
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896715.gif)
, где C
2 скорость звуковой волны в метане (0
oC 101325 Па); f
2 частота периодов волны, задаваемая газовым турбокомпрессором.
При соударении газового и воздушного потоков в камере возбуждается волна 3 (фиг. 2) воздушного потока
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896716.gif)
, где C
3 скорость звуковой волны в кислороде воздуха (0
oC 101325 Па); f
2 частота периодов волны, задаваемая газовым турбокомпрессором.
Смешение потоков газов, разных по физическим, прежде всего волновым параметрам, возможно при совмещении волновых параметров потоков, согласно общеволнового закона кратностей в единую периодическую синусоидную волну потока.
Условие резонанса основных волн:
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896717.gif)
1/8: 1/4: 1/2: 1: 2:3 и т.д. или
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896718.gif)
(кратная 1) или С
2 C
3.
Волновое условие смешения (слияния) газов в потоках скорости звуковой волны в газах, подлежащих смешению должны быть равны или во кратны; скорости звуковой волны в веществах являются физическими постоянными (при определенных условиях) величинами и изменяются только при изменении условий среды обитания. К условиям среды обитания волны относятся температуры среды, давление среды, влажность среды.
Имея целью изобретения слияние струй окислителя и топлива и эффективное, на молекулярном уровне, смешение потоков, волновой расчет вследствие по метану (для природного газа) и кислороду воздуха.
Для сухого природного газа и подогретого воздуха волновой расчет на влажность среды не ведется. Для системы низкого давления (500 700 кгс/см
2) поправка на давление в практический расчет не вводится, в связи с чем формулы волнового равновесия совмещения (слияния) потоков в зоне R камеры может быть универсально записана: C
2 ![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
K
т![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
t C
3![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
K
Iт![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
t
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/697.gif)
, где C
2 скорость звуковой волны для топлива (0
oC 101325 Па); C
з скорость звуковой волны в кислороде воздуха (0
oC 101325 Па); К
т, K
Iт коэффициент изменения скорости волны на единицу температуры для топлива и кислорода воздуха. t; t
1 температура газов, подлежащих смещению.
Для предлагаемого устройства формула волнового равновесия C
2+K
т![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
t = C
3+K
Iт![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
t
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/697.gif)
. Волновой расчет условий острого резонанса рабочих волн в зоне импульсного волнового давления P
1 ведется в паре метан-азот/воздуха C
2+K
т![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
t = C
I3+K
пт![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
t
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/698.gif)
, где, где C
I3 скорость звуковой волны в азоте воздуха (0
oC 101325 Па); K
пт коэффициент изменения скорости волны на единицу температуры для азота воздуха;
t'' температура азота подогретого воздуха.
При открытии запорной газовой арматуры поток газа низкого давления поступает в волновую камеру смешения, имеющей волновые признаки геометрии и длиною l = 1/4
2 (кратная 1/4).
В объеме аппарата, заполненного газом низкого давления, действует основная газовая волна 2 (фиг. 2) длиною
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896719.gif)
.
После подачи подсосом воздушной составляющей в камере возбуждается пневматическая волна 2 (фиг. 2) по кислороду
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896720.gif)
. Кинетическая волна 1 (фиг. 2), резонансные к ней волна 2 газового потока и пневматическая волна 3 укладываются в волновой камере узлами в точке R, создавая зону разрежения и естественного подсоса пучностями в зоне -P и -P
1, создавая зоны острого резонанса волн и импульсного (выше номинала) давления. Выброс импульсного волнового давления в зонах P и -P
1 перекрывает газовый дроссель, дроссель вывода смеси и пневмовпускные отверстия-камеры уходит в состояние стоп-импульса и обездвиживается. Энергия острого резонанса переходит в высокочастотную механическую вибрацию по всему объему камеры на уровне каждой молекулы топлива и кислорода, превращая газовоздушные смеси в состояние, предлагаемое изобретением.
Разрядившись, резонансная волна затухает, волновая блокада впускных и выпускных отверстий снимается, газовый поток вентилирует камеру. Доза смеси вытесняется в трубопровод, восстанавливается зона разрежения R; доза воздуха поступает в камеру, а затем цикл повторяется.
Система работает в устройством волновом автоколебательном режиме.
Обоснование выбора соотношения размеров. В связи с тем, что газовый турбокомпрессор, магистральный газопровод, газовый и воздушный контуры горелки имеют единую волновую связь, выбор размеров элементов конструкции производится в соотношении к длине рабочей волны 2-
2.. Для горелки низкого давления по газу (500 700 кгс/м
2) и O стартовое давление по воздуху с оптимальной расчетной скоростью потока в камере V 0,8 м/с при оптимальной расчетной частоте пульсации камеры f
1![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
10 HZ подобрана камера, создающая импульс разрежения R, имеющая свойства подсоса и размеры
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896721.gif)
(кратная 1/4), где l длина камеры волнового смешения при
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896722.gif)
(кратная 1), где
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896723.gif)
, точка R подвода воздуха осуществлена в узел кинетический 1 волны, так как она энергетически выгодна в связи с тем, что расположена в зоне волнового разрежения и находится на расстоянии
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896724.gif)
, равноудаленно от торцовых отражающих плоскостей.
Трубопровод вывода смеси имеет волновую связь и длину l
1= 1/2
2/ (кратная 1/2). Форма камеры и трубопровода цилиндрическая так, как труба является самым экономичным волноводом.
Мощность горелки
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896725.gif)
, где l длина камеры; f
1 расчетная оптимальная частота пульсации камеры (для предлагаемого устройства f
1![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
10 HZ); D диаметр камеры (при расчете полученный размер D производится к ближайшей величине кратной рабочей волне
2).
Для предлагаемого устройства диаметр камеры волнового смешения Д=1/8 - (кратная 1/8). Q
расхопти = 0,45 м
3/час.
При D = 1/4
2 (кратная 1/4) горелка конвертируется в аппарат значительно большой мощности.
Диаметры газовпускных и впускных отверстий определяются из соотношений объема расходуемых смесей, внутри камерной скорости потока, дисперсности смеси, скорости выброса факела смесей опытным путем подбором сменных элементов. Температура подогрева первичного воздуха для зоны R эффективного слияния окислителя и топлива t' 230
oC, для зоны острого резонанса и эффективного перемешивания P и P
1 t'' 180
oC. Температура "холодного" природного газа условно принята t 20
oC.
Рабочий параметр подогрева первичного воздуха подбирается в пределах: 180 230
oC в зависимости от назначения и условий эксплуатации горелки.
Формула изобретения
Газовая горелка низкого давления с активной струей газового потока, содержащая газовое сопло, смеситель, источник подачи первичного воздуха, насадок, отличающаяся тем, что смеситель выполнен цилиндрическим с торцевыми отражающими стенками, перпендикулярными продольной оси камеры, в одной из которых установлено газовое сопло, а в другой выполнено отверстие вывода смеси, в центральной части боковой стенки смесителя выполнены радиальные отверстия для подачи первичного воздуха, а смеситель соединен с насадком посредством трубопровода вывода смеси, горелка содержит полое кольцо - теплообменник для подогрева первичного воздуха, примыкающий к насадку, кожух, расположенный с зазором вокруг теплообменника, для подачи вторичного воздуха с горячими газами на подогрев первичного воздуха, длина l смесителя равна
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896726.gif)
диаметр D смесителя равен
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896727.gif)
длина l
1 трубопровода вместе с насадком равна
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896728.gif)
при этом
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896729.gif)
где
2 длина звуковой волны газообразного топлива, м;
C
2 скорость звуковой волны газообразного топлива при 0
oС и давлении 101325 Па, м/с;
K коэффициент изменения скорости звуковой волны при повышении температуры газообразного топлива на 1
oС;
t температура газообразного топлива;
f
2 частота периодов звуковой волны подводимого от источника сжатого газообразного топлива, Гц;
при выполнении соотношения
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896730.gif)
1, 2, 3 и так далее, где
3 длина звуковой волны в кислороде подогретого воздуха, определяемая из соотношения
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896731.gif)
где C
3 скорость звуковой волны в кислороде атмосферного воздуха при 0
oС и давлении 101325 Па, м/с;
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896732.gif)
коэффициент изменения скорости звуковой волны при повышении температуры кислорода атмосферного воздуха на 1
oС;
t' температура подогретого атмосферного воздуха.
РИСУНКИ
Рисунок 1,
Рисунок 2