двухпоточная газовая горелка

Формула изобретения

Двухпоточная газовая горелка, содержащая конфузорный смеситель с отверстиями, подключенный на входе к корпусу, а на выходе к цилиндрическому соплу с выходной тороидальной амбразурой, кольцевой коллектор с патрубком подачи газа, смеситель подключен к коллектору рядами отверстий, отличающаяся тем, что оси отверстий смесителя направлены под острым углом к радиальным плоскостям, отверстия в стенках конфузорного смесителя выполнены в виде конических камер закручивания с центральными струйными отверстиями и винтовыми шнековыми каналами, причем конические камеры направлены меньшими основаниями внутрь конфузорного смесителя, горелка снабжена расположенным в корпусе центральным цилиндрическим соплом с перфорациями в стенках, и заглушенным со стороны выхода и соединенным с патрубком подачи газа, горелка также снабжена патрубком подачи воздуха, подсоединенным тангенциально к корпусу на входе и под острым углом к его оси с направлением в сторону выхода для придания вращения воздушному потоку, корпус имеет форму усеченного конуса, ориентированного меньшим основанием к выходу, перфорации центрального сопла выполнены в виде отверстий с осями, направленными под острым углом к радиальным плоскостям и к образующим сопла в сторону выхода и в направлении вращения воздушного потока в корпусе, в отверстиях сопла выполнены винтовые каналы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для сжигания газов в топках теплонапряженных технологических установок и может быть использовано в нефтехимической, энергетической, металлургической промышленности и других отраслях народного хозяйства.

Известна газовая горелка, содержащая корпус с установленными на входе коллектором, наклонные сопла которого размещены между лопатками завихрителя, причем сопла коллектора на выходе снабжены газоструйными вихревыми генераторами акустических колебаний [1].

Вращающийся поток воздуха, образующийся лопатками завихрителя, взаимодействует с пульсирующими вихревыми потоками газа, образованными вихревыми генераторами акустических колебаний, в результате чего происходят высокотурбулентное перемешивание газа и воздуха и интенсификация химических реакций горения, чем обеспечивается полнота сгорания газового топлива.

Недостатком известной газовой горелки является низкая эффективность сжигания газового топлива, особенно в широком диапазоне производительности, что является следствием сосредоточенного взаимодействия газа в виде вихревых потоков только в одном поперечном сечении потока воздуха, что не может обеспечить достижения полного и однородного смешения потоков воздуха и газа, особенно в широком диапазоне производительности.

Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому эффекту является вихревая газовая горелка, содержащая конфузорный смеситель с отверстиями, подключенный на входе к корпусу, а на выходе к цилиндрическому соплу с выходной тороидальной амбразурой, кольцевой коллектор с патрубком подачи газа, причем смеситель подключен к коллектору рядами отверстий [2].

Известная горелка обеспечивает высокую эффективность сжигания топливного газа в горелке за счет получения однородной смеси в результате рассредоточенного взаимодействия струй газа и воздуха в объеме конфузора смесителя.

Недостатком известной вихревой газовой горелки является понижение эффективности сжигания газового топлива в горелке при изменении производительности, особенно в широком диапазоне производительности.

Задача изобретения - повышение эффективности сжигания газового топлива в горелке за счет интенсивного мелкомасштабного смешения газа с воздухом с помощью газоструйных вихревых генераторов акустических колебаний в двух сечениях потока воздуха.

Задача достигается тем, что в газовой горелке оси отверстий смесителя направлены под острым углом к радиальным плоскостям, отверстия в стенках конфузорного смесителя выполнены в виде конических камер закручивания с центральными струйными отверстиями и винтовыми шнековыми каналами, причем конические камеры направлены меньшими основаниями внутрь конфузорного смесителя, горелка снабжена расположенным в корпусе центральным цилиндрическим соплом с перфорациями в боковых стенках и заглушенным со стороны выхода, соединенным с патрубком подачи газа, патрубок подачи воздуха подсоединен тангенциально к корпусу на входе и под острым углом к его оси с направлением в сторону выхода для придания вращения воздушному потоку, корпус имеет форму усеченного конуса, ориентированного меньшим основанием к выходу, перфорации сопла выполнены в виде отверстий с осями, направленными под острым углом к радиальным плоскостям и к образующим сопла в сторону выхода и в направлении вращения воздушного потока в корпусе, в отверстиях сопла выполнены винтовые каналы.

Предлагаемая двухпоточная газовая горелка за счет своих отличительных признаков обеспечивает решение поставленной технической задачи - повышение эффективности сжигания газового топлива в горелке за счет интенсивного мелкомасштабного смешения газа с воздухом с помощью газоструйных вихревых генераторов акустических колебаний.

На фиг. 1 изображена предлагаемая двухпоточная газовая горелка, продольный разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 2; на фиг. 5 - разрез Г-Г на фиг. 3.

Двухпоточная газовая горелка (фиг. 1-5) содержит конфузорный смеситель 1, подключенный на входе к корпусу 2 с тангенциально подсоединенным патрубком 3 подачи воздуха и под острым углом к оси корпуса 2 с направлением в сторону входа для придания вращения воздушному потоку. Корпус 2 имеет форму усеченного конуса, ориентированного меньшим основанием к выходу, что обеспечивает увеличение интенсивности вращения воздушного потока по мере перемещения его к выходу. К конфузорному смесителю 1 подсоединен кольцевой коллектор 4 с патрубком подачи газа 5. В смесителе 1 выполнены равномерными рядами отверстия 6 с осями, направленными под острым углом к радиальным плоскостям и к образующей смесителя 1 в сторону выхода. Отверстия 6 в стенках конфузорного смесителя 1 выполнены в виде конических камер закручивания с центральными струйными отверстиями и винтовыми шнековыми каналами, причем конические камеры направлены меньшими основаниями внутрь конфузорного смесителя 1.

По центру корпуса 2 в его крышке установлено центральное цилиндрическое сопло 7 с перфорациями в виде отверстий 8 с осями, направленными под острым углом к радиальным плоскостям и к образующим сопла в сторону выхода и в направлении вращения воздушного потока в корпусе 2, причем в отверстиях 8 сопла 7 выполнены винтовые каналы. К цилиндрическому соплу 7 прикреплен патрубок 9 подачи газа. К конфузорному смесителю 1 подсоединено осесимметрично цилиндрическое сопло 9 с тороидальной амбразурой 10. Направления осей отверстий 6 в конфузорном смесителе 1 и отверстий 8 в центральном сопле 7 под острым углом к радиальным плоскостям выбраны так, чтобы происходил тангенциальный ввод газа во вращающийся поток воздуха, что должно способствовать равномерному смешению газа с воздухом за счет дополнительных импульсов в сторону закручивания потока.

Двухпоточная газовая горелка работает следующим образом.

Топливный газ подается (фиг. 1 - 5) по патрубку 9 в центральное сопло 7, проходит через отверстия 8 с винтовыми каналами в корпус 2, в котором происходит вращательное перемещение воздуха, в результате происходит смешение газа с воздухом при касательных взаимодействиях вихрей газа, выходящих из сопла 7 через отверстия 8 с винтовыми каналами.

Топливный газ также подается по патрубку 5 в полость кольцевого коллектора 4, проходит через конические камеры закручивания в стенках конфузорного смесителя 1 с центральными струйными отверстиями 6 и винтовыми шнековыми каналами, в результате внутрь конфузорного смесителя 1 рассредоточенно вводятся в тангенциальных направлениях закрученные газовые вихри, которые взаимодействуют с воздухом, поступающим из корпуса 2, образуя в конфузорном смесителе 1 закрученный газовоздушный поток, в котором происходит одновременно интенсивное мелкомасштабное смешение газа в виде вихрей с воздухом. Вращающийся газовоздушный поток из конфузорного смесителя 1 поступает в цилиндрическое сопло 10 с выходной тороидальной амбразурой и на сгорание в топку.

Конические камеры закручивания газового потока с центральными струйными отверстиями 6 и винтовыми шнеками направлены осями под острым углом к радиальным плоскостям и к образующим конфузорного смесителя 1 в сторону цилиндрического сопла 10, что обеспечивает, прежде всего, тангенциальный ввод газа в смесителе 1 и образование закрученного потока газовоздушной смеси в смесителе в направлении к цилиндрическому соплу 10, На выходе из конических камер газовые вихри взаимодействуют во вращающемся газовоздушном потоке с воздухом, в результате чего происходит интенсивное мелкомасштабное смешение газа с воздухом, обеспечивающее получение однородной газовоздушной смеси. Интенсивное мелкомасштабное смещение обеспечивается за счет конической формы камеры закручивания газового потока, так как согласно теории вихревого движения в случае прямолинейной оси вихря скорость убывает обратно пропорционально расстоянию от оси вихря, благодаря чему произведение длины кругового пути, описываемого частицей газа вокруг оси вихря, на величину скорости частицы не зависит от расстояния. Такое произведение принимается за меру интенсивности вихря.

Циркуляция вокруг бесконечно тонкой вихревой трубки равна WS, где W - модуль (абсолютное значение) вектора вихря, а S - площадь поперечного сечения трубки. Циркуляция не зависит от положения нормального сечения S по длине трубки, произведение WS является напряжением вихревой трубки. Как следует из теории вихревого движения, интенсивность вихрей в реальных условиях меняется только вследствие трения и при малой вязкости среды, например воздуха, могут перемещаться на большие расстояния в зависимости от вязкости среды.

Следует заметить, что для условий смешения топливного газа с воздухом, с целью получения однородной смеси, не требуется перемещение газовых вихрей на большие расстояния, а требуется рациональное использование энергии закрученной струи топливного газа при входе в поток воздуха для интенсивного смешения двух газов с близкими физическими свойствами, причем скорость распада струи и глубина ее проникновения в поток воздуха не имеет практического значения для достижения поставленной цели - получения однородной смеси, которая достигается во всех случаях соотношения физических свойств смешивающихся газов.

Таким образом, использование принципа вдува закрученных струй в поток с близкими к вдуваемому агенту физическими свойствами однозначно обеспечивает получение однородной газовой смеси, так как скорость распада струи характеризует интенсивность смешения газовых компонентов.

Как следует из приведенных данных, при использовании предлагаемой конической камеры газовые вихри, выходящие из ее зауженной части, будут обладать наибольшим вектором скорости, что обеспечивает максимальный эффект интенсификации мелкомасштабного смешения газа с воздухом.

Аналогичный процесс, но с меньшей интенсивностью происходит при вдувании вихрей газа в воздух через отверстия 8 с цилиндрическими винтовыми каналами в стенках сопла 7.

Технические преимущества предлагаемой двухпоточной газовой горелки по сравнению с прототипом заключаются в получении однородной газовоздушной смеси в широком диапазоне производительности газовой горелки за счет интенсивного мелкомасштабного смешения газа и воздуха.

Общественно полезные преимущества предлагаемой двухпоточной газовой горелки, вытекающие из технических преимуществ, заключаются в получении однородной газовоздушной смеси, уменьшении коэффициента избытка воздуха для горения, близкого к стехиометрическому, что обеспечивает полное сгорание топлива и повышение температурного уровня в объеме горения и уменьшение удельного расхода газового топлива.