Радиационная горелка

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Футько Сергей Иванович Добрего Кирилл Викторович Волосюк Анатолий Иванович Жданок Сергей Александрович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена им. А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Радиационная горелка, содержащая корпус со сквозной полостью, связанный с системой подготовки и подачи газововоздушной смеси, газовый рассекатель потока, установленный по ходу движения смеси, и излучательный экран, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность корпуса снабжена дополнительно установленным по его периметру конфузором, поверхность которого вместе с внутренней поверхностью корпуса покрыта теплоизоляционным слоем излучательный экран герметически состыкован с корпусом и выполнен в виде ряда не менее трех наложенных друг на друга металлических сеток с ячейками, причем нижние слои сеток имеют ячейки меньше, а верхние больше критического диаметра, а на внутренней и наружной поверхностях экрана установлены термопары система подготовки и подачи газововоздушной смеси, герметически связана с корпусом и состоит из диффузора и инжектора, а в качестве газа используют водород, поступающий из водородной магистрали, на которой установлен электромеханический клапан, для перекрытия подачи водорода в зависимости от показаний термопар. 37822007.08.30 2. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что излучательный экран имеет плоскую форму. 3. Горелка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что излучательный экран имеет выпуклую форму. 4. Горелка по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что излучательный экран выполнен из многослойной пенообразной керамики. 5. Горелка по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что излучательный экран выполнен из многослойной керамической засыпки.(56) 1. Патент 6851947, МПК 23 13/00, 2005. 2. Патент 4850859, МПК 23 12/10, 1989. 3. Патент 4437833, МПК 23 13/14, 1984. Предлагаемое техническое решение относится к горелкам для сжигания газообразного топлива, в частности к радиационным горелкам, обеспечивающим экологически чистые технологии в водородной энергетике, и может найти применение, например, в технологических процессах сушки бумаги, пластиков, керамики, термической обработки продуктов питания, зерна, для обогрева помещений и аппаратов нагрева воды (бойлеров). Известна водородная нагревательная горелка 1, состоящая из полости, в которой располагается слой катализатора, разогреваемый электрическим источником, и далее, вниз по потоку, расположен теплообменник. Данное устройство применяется для подогрева циркулирующей жидкости (например, воды) теплом, генерируемым в каталитических реакциях окисления водорода, в частности для обогрева внутренней части автомобиля на водородном топливном элементе. Недостатками данного устройства являются применение дорогостоящих катализаторов и трудность масштабирования устройства для использования в промышленности. Известен водородный нагреватель, работающий на жидком топливе 2, состоящий из корпуса, с установленным в нем катализатором, для разложения подаваемого жидкого водородсодержащего топлива, полупроницаемой мембраны, для отделения образующегося водорода, и второго слоя катализатора, предназначенного для сжигания водорода. Данный водородный нагреватель может использоваться для обогрева воздуха в помещениях. Недостатками этого устройства являются его техническая сложность и применение дорогостоящих мембран и катализаторов. Наиболее близкой по технической сущности является радиационная горелка 3, содержащая корпус с полостью, через которую протекает газовоздушная смесь, поступающая из системы подготовки и подачи смеси, в которой образуется предварительно перемешанная смесь из подводимых через магистрали газа и воздуха. В нижней части корпуса горелки установлен газовый рассекатель, находящийся на пути движения потока газа. В верхней части горелки установлен излучательный экран в виде керамической решетки. Между боковой поверхностью керамической решетки и корпусом установлен слой теплоизоляции. Над решеткой, на некотором расстоянии, расположена металлическая сетка. Горение газовоздушной смеси осуществляется непосредственно над керамической решеткой. Недостатками прототипа является невозможность использования вододрода в газовоздушной смеси, так как конструкция горелки не может обеспечить взрывобезопасность горелки при работе на водородосодержащей смеси. Задачей предлагаемого технического решения является создание эффективной и экологически чистой радиационной горелки, работающей на водородосодержащей смеси, которая не требует использования дорогостоящих материалов и обеспечивает повышенную взрывобезопасность по отношению к самовоспламенению водорода и проскоку пламени. 2 37822007.08.30 Задача решается следующим образом. Известная горелка содержит корпус со сквозной полостью, через которую пропускается газовоздушная смесь, поступающая из системы подготовки и подачи смеси, в которой образуется предварительно перемешанная смесь из газа и воздуха. На пути движения потока газа установлен газовый рассекатель, способствующий равномерному распределению смеси внутри горелки и излучательный экран. Согласно предлагаемому решению внутренняя поверхность корпуса горелки по периметру снабжена конфузором, который обеспечивает повышенную стабилизацию пламени внутри корпуса горелки. Поверхность конфузора вместе с внутренней поверхностью самого корпуса покрыта теплоизоляционным слоем для усиления тепловой разгрузки горелки. Излучательный экран горелки выполнен из ряда не менее трех наложенных друг на друга металлических сеток с ячейками, причем нижние слои сеток имеют ячейки меньше,а верхние больше критического диаметра для обеспечения проскока газовоздушного пламени. Экран герметически состыкован с корпусом горелки, а на внутренней и наружной поверхности экрана установлены термопары. Корпус горелки герметически связан с системой подготовки и подачи смеси, состоящей из диффузора и инжектора, а в качестве газа используют водород, поступающий из водородной магистрали, на которой установлен электромеханический клапан, перекрывающий подачу водорода в зависимости от показаний термопар. Кроме того, излучательный экран, имеет плоскую или выпуклую форму для оптимизации эффективности лучистого теплообмена в зависимости от объекта нагрева, например нагрев больших внутренних помещений целесообразно осуществлять с применением выпуклого излучательного экрана, нагрев локальных объектов - с применением плоского экрана. Излучательный экран с использованием многослойной пенообразной керамики целесообразно использовать для увеличения срока бесперебойной эксплуатации горелки,а многослойные керамической засыпки могут быть использованы в радиационных горелках больших габаритов. На фиг. 1 представлена схема общего вида водородной радиационной горелки. На фиг. 2 - плоский излучательный экран. На фиг. 3 - выпуклый излучательный экран. Радиационная горелка содержит корпус 1, внутри которого установлен конфузор 2,обеспечивающий ускорение газового потока вблизи излучательного экрана 3, что затрудняет проскок пламени. Внутренняя поверхность корпуса 1 горелки и конфузора 2 покрыта теплоизоляционным слоем 4, препятствующим самовоспламенению водородовоздушной смеси в корпусе 1 горелки. Излучательный экран 3, расположен на выходе из корпуса 1 и состоит из ряда (не менее трех) наложенных друг на друга металлических сеток. Нижние сетки 5 имеют размер ячеек меньше критического диаметра для проскока газовоздушного пламени, а верхние сетки 6 - с размером ячеек больше критического диаметра для проскока водородовоздушного пламени. Излучательный экран 3 герметично соединен с корпусом горелки слоем герметизации 7,препятствующим проскоку пламени в корпус горелки. В нижней части корпуса установлен газовый рассекатель 8, способствующий равномерному распределению смеси внутри горелки. Система смешения и подготовки смеси состоит из диффузора 9, инжектора 10,подключенного к водородной магистрали, 11. Диффузор 9 герметично соединен с корпусом 1. Водород поступает в горелку из водородной магистрали 11 через инжектор 10. При этом предварительно перемешанная водородовоздушная смесь образуется в диффузоре 9,при вовлечении в него воздуха струей водорода из инжектора 10. На верхней и нижней поверхностях излучающего экрана 3 установлены термопары 12,соединенные с автоматической системой измерения температуры (на схеме не показана). На водородной магистрали 11 установлен электромеханический клапан 13, который регулирует подачу водорода в зависимости от показаний термопар 12. Радиационная горелка работает следующим образом. Водород под давлением, через инжектор 10 поступает внутрь диффузора 9, смешиваясь там с воздухом, увлекаемым 3 37822007.08.30 струей водорода через открытое входное отверстие диффузора 9 и равномерно распределяется внутри горелки с помощью рассекателя потока 8. Горение водородовоздушной смеси инициируется с внешней стороны излучательного экрана 3 высокотемпературным источником (искровой разряд, открытый факел или электронагреватель на схеме не показан), который далее отключается. По мере прогрева сеточного слоя и корпуса 1 горелки фронт горения продвигается внутрь излучательного экрана 3 и стабилизируется внутри него. Тепло, выделяющееся в реакции окисления водорода, посредством конвективных и кондуктивных механизмов передачи тепла, разогревает излучательный экран 3, который формирует направленный вовне радиационный поток. Горение водорода протекает внутри излучательного экрана 3 по беспламенному механизму горения, что обеспечивает быстрый,эффективный разогрев излучательного экрана 3 и низкие показатели наработки оксидов азота. При этом для оптимизации эффективности лучистого теплообмена излучательный экран 3, может иметь плоскую (фиг. 2) или выпуклую (фиг. 3) форму в зависимости от объекта нагрева, например нагрев больших внутренних помещений целесообразно осуществлять с применением выпуклого излучательного экрана, нагрев локальных объектов - с применением плоского экрана. Кроме того, для увеличения срока бесперебойной эксплуатации горелки целесообразно использовать излучательный экран из многослойной пенообразной керамики, а в радиационных горелках больших габаритов могут быть использованы излучательные экраны из многослойной керамической засыпки. Отсутствие проскока пламени обеспечивается подбором металлических сеток излучательного экрана 3, герметичной состыковкой края излучательного экрана 3 с корпусом 1 слоем герметизации 7, повышением скорости потока газа вблизи излучательного экрана 3 с помощью конфузора 2 и тепловой разгрузкой корпуса 1 горелки внутренним теплоизоляционным слоем 4. Нижние сетки 5 излучательного экрана 3 имеют размеры ячеек меньше критического для проскока водородовоздушного пламени, а верхние 6 - с большим размером ячеек для снижения гидродинамического сопротивления сеточного слоя. Для гарантированного предотвращения проскока пламени и взрыва водородовоздушной смеси внутри корпуса горелки осуществляется автоматизированный контроль температур внешней и внутренней поверхностей излучательного экрана 3 термопарами 12. Так как проскоку пламени предшествует медленное движение зоны реакции горения внутри излучательного экрана 3 вверх по потоку смеси, то температура на нижней термопаре 12 при этом падает, а на верхней - растет. Поэтому, в случае превышения температуры на нижней термопаре 12 некоторого заданного значения (100-200 С) подача водорода в инжектор 10 автоматически прекращается блокировкой электромеханического клапана 13,расположенного на водородной магистрали 11. Таким образом, предлагаемая горелка обеспечивает эффективный нагрев промышленных изделий и помещений экологически чистым способом и поэтому может найти широкое применение в промышленности и в быту. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4