Газовый радиационный нагреватель

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Лапцевич Павел Степанович Курочкина Мария Федоровна Плетнева Лариса Николаевна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Газовый радиационный нагреватель, содержащий излучающий корпус, на входном торце которого установлены газовая горелка и подводящий газовый коллектор, включающий сопловой наконечник, связанный газопроводом с краном, и выхлопной патрубок продуктов сгорания, установленный на выходном торце излучающего корпуса, отличающийся тем, что газовая горелка представляет собой цилиндрическую камеру, снабженную вентилятором, внутри которой установлен сопловой наконечник подводящего газового коллектора, а излучающий корпус выполнен в виде металлической трубы, внутри которой по ее оси установлена, дополнительно введенная, цилиндрическая газораспределительная насадка, связанная с цилиндрической камерой газовой горелки, при этом цилиндрическая газораспределительная насадка выполнена в виде наружной и внутренней газопроницаемых боковых стенок, расположенных концентрично металлической трубе излучающего корпуса, и сплошной торцевой стенки, при этом внутри газопроницаемых боковых стенок, концентрично им, помещен газораспределитель, выполненный в виде металлической трубы с поперечными щелевидными отверстиями, над которыми установлены плоские металлические пластины, а по оси этой металлической трубы установлена конусообразная вставка, обращенная вершиной навстречу потоку газовоздушной смеси,причем газопроницаемые боковые стенки насадки установлены с зазором по отношению к излучающему корпусу. 2. Газовый радиационный нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что газопроницаемые боковые стенки насадки изготовлены из металлической сетки цилиндрической 61022010.04.30 формы, причем размеры ячеек сетки внутренней боковой стенки насадки меньше размеров ячеек сетки наружной боковой стенки насадки, а щелевидные отверстия газораспределителя выполнены с переменным шагом.(56) 1. Патент РФ 2260746 С 2, МПК 23 14/12, 2005. 2. Патент Японии 3754507 В 2, МПК 23 14/12, 2007. 3. Патент РФ 2052723, МПК 23 14/12, 1996 (прототип). Предлагаемый газовый радиационный нагреватель относится к устройствам для сжигания топлива, в частности к радиационным излучателям, преобразующим энергию сжигаемого внутри трубы газа в источник инфракрасного излучения, и может найти применение для лучистого (инфракрасного) обогрева помещений, а также для тепловой обработки материалов и изделий в металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности. Известна горелка с терморадиационной трубой 1, содержащая трубчатый металлический корпус, излучающий тепловую энергию, к торцам которого присоединены газовые горелки. Горелки содержат теплоаккумулирующие элементы для утилизации тепла продуктов сгорания топлива. Недостатком такого нагревателя является значительные местные перегревы стенки корпуса в следствие смывания факелом горелки стенок корпуса, что влечет за собой прогорание трубы и преждевременный выход ее из строя. Кроме того, такие трубы имеют высокую плотность лучистого теплового потока и не пригодны для отопления. Известен радиационный -образный инфракрасный нагреватель для газового обогрева помещений 2. Нагреватель содержит излучающие металлическую подводящую и обратную трубы, зоны теплового излучения труб с разной температурой нагрева, горелку, вентилятор и отражатели, причем зоны теплового излучения имеют отдельные отражатели. Недостаток такого нагревателя такой же, как и для терморадиационной трубы, описанной выше в зоне работы газовой горелки наблюдается перегрев корпуса и его быстрое прогорание. Кроме того, вследствие высоких температур в зоне горения продукты сгорания содержат большое количество вредных оксидов азота, которые выбрасываются в атмосферу. Ближайшим техническим решением (прототип) является теплогенератор - излучатель по патенту Российской Федерации 3. Рассматриваемый излучатель (газовый радиационный нагреватель) содержит подводящий газовый коллектор с соплом (сопловой наконечник) и краном, инжекционную газовую горелку со смесителем, излучающую панель(излучающий корпус), причем газовая горелка установлена на входном торце излучающего корпуса, а выхлопной патрубок продуктов сгорания установлен на выходном торце. Излучающий корпус в виде плоской панели снабжен коробом, расположенным сверху по всей длине излучающего корпуса и имеющим с ним общую стенку. Один торец короба со стороны выхода открыт для входа воздуха из атмосферы. Другой торец короба переходит в подводящий патрубок к газовой горелке. Недостатком такой конструкции является наличие открытого пламени с высокой температурой в зоне сгорания газа, что влечет за собой перегрев в этой зоне излучающей панели (излучателя) и неравномерный нагрев его поверхности, поэтому такая конструкция является недолговечной. Кроме того, при работе нагревателя наблюдается высокое содержание экологически опасных оксидов азота в продуктах сгорания. Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности работы нагревателя за счет повышения его надежности и долговечности, а также снижение выброса в атмосферу вредных веществ, образующихся при сжигании топлива. Задача решается следующим образом. 2 61022010.04.30 Газовый радиационный нагреватель содержит излучающий корпус, на входном торце которого установлена газовая горелка и подводящий газовый коллектор, включающий сопловой наконечник, связанный газопроводом с краном для подачи газа, а на выходном торце излучающего корпуса установлен выхлопной патрубок продуктов сгорания. Согласно предлагаемому техническому решению газовая горелка представляет собой цилиндрическую камеру, снабженную вентилятором, внутри которой установлен сопловой наконечник подводящего газового коллектора, а излучающий корпус выполнен в виде металлической трубы, внутри которой по ее оси установлена, дополнительно введенная, цилиндрическая газораспределительная насадка, связанная с цилиндрической камерой газовой горелки. Цилиндрическая газораспределительная насадка выполнена в виде наружной и внутренней газопроницаемых боковых стенок, расположенных концентрично металлической трубе излучающего корпуса, а также сплошной торцевой стенки. Внутри газопроницаемых боковых стенок, концентрично им, помещен газораспределитель, выполненный в виде металлической трубы с поперечными щелевидными отверстиями, над которыми установлены плоские металлические пластины, служащие отбойниками потока газовоздушной смеси. По оси этой металлической трубы установлена конусообразная вставка, обращенная вершиной навстречу потоку газовоздушной смеси. Причем газопроницаемые боковые стенки насадки установлены с зазором по отношению к излучающему корпусу. Кроме того, газопроницаемые боковые стенки насадки изготовлены из металлической сетки цилиндрической формы, причем размеры ячеек сетки внутренней боковой стенки насадки меньше размеров ячеек сетки наружной боковой стенки насадки, а щелевидные отверстия газораспределителя выполнены с переменным шагом. Таким образом, предлагаемая конструкция газового радиационного нагревателя позволяет осуществить сжигание топлива в виде микрофакелов без видимого пламени при более низких температурах по сравнению с пламенными горелками, исключить перегрев стенок корпуса, равномерно распределить температуру по поверхности излучателя, снизить образование и выброс в атмосферу оксидов азота. На фигуре показана схема общего вида предлагаемого газового радиационного нагревателя. Газовый радиационный нагреватель включает излучающий корпус 1, выполненный в виде металлической трубы, на входном торце которого установлена цилиндрическая камера 2. Цилиндрическая камера 2, снабженная вентилятором 4 и сопловым наконечником 5 подводящего газового коллектора, представляет собой наружную часть 3 газовой горелки. Сопловой наконечник 5 газопроводом 6 связан с краном 7 для подачи газа и смешения его с воздухом, т.е. получения газовоздушной смеси в камере 2. На выходном торце корпуса 1 установлен выхлопной патрубок 8 для выхода продуктов сгорания. Цилиндрическая камера 2, где происходит смешение газа и воздуха, связана с, дополнительно введенной, цилиндрической газораспределительной насадкой, расположенной внутри излучающего корпуса 1. Газораспределительная насадка состоит из газораспределителя 9,представляющего собой металлическую трубу с поперечными щелевидными отверстиями 10, выполненными с переменным шагом, над которыми установлены плоские металлические пластины 11, служащие отбойниками потока газовоздушной смеси, и конусообразной вставки 12, установленной по оси внутри металлической трубы. Цилиндрическая газораспределительная насадка, выполнена в виде наружной и внутренней газопроницаемых боковых стенок и сплошной торцевой стенки 15. Газопроницаемые боковые стенки представляют собой металлическую наружную сетку 13 и внутреннюю сетку 14. Сетки 13 и 14 выполнены из жаропрочного металла, имеют цилиндрическую форму и расположены концентрично стенкам излучающего корпуса 1. Наружная металлическая сетка 13 установлена с зазором по отношению к излучающему корпусу 1 и выполнена с ячейками, размер которых превышает размер ячеек внутренней металлической сетки 14,что позволяет пламени свободно проходить через сетку 13. Внутренняя сетка 14 установ 3 61022010.04.30 лена с зазором по отношению к сетке 13 и имеет меньшие размеры ячеек, что не позволяет пламени проскакивать внутрь газораспределителя 9. Сетки 13 и 14 закреплены на торцевой стенке 15 газораспределительной насадки и входном торце 16 излучающего корпуса 1. Размеры ячеек сеток 13 и 14 определены экспериментально и составляют для наружной сетки 13 - не менее 2 мм, а для внутренней сетки 14 - не более 0,6 мм. Для поджига газовоздушной смеси установлено, например, запальное устройство 17, расположенное между корпусом 1 и наружной сеткой 13. Предлагаемый нагреватель работает следующим образом. Газообразное топливо через запорный кран 7 по газопроводу 6 через сопловый наконечник 5 газового коллектора, заключенного в цилиндрической камере 2 вместе с вентилятором 4, в виде струй вдувается в поток воздуха, нагнетаемого этим вентилятором 4. Полученная газовоздушая смесь поступает в газораспределитель 9 цилиндрической газораспределительной насадки, где распределяется по отверстиям 10. Поскольку по мере выхода газовоздушной смеси через отверстия 10 газораспределителя 9 расход смеси уменьшается,конусообразная вставка 12 уменьшает сечение для прохода газовоздушной смеси по длине газораспределителя 9 и тем самым выравнивает скорость движения этой смеси. Давление газовоздушной смеси, ее скорость выхода и ее расход благодаря отверстиям 10 уменьшаются по длине газораспределителя 9. Соответственно для сглаживания неравномерности расхода газовоздушной смеси уменьшается и шаг отверстий 10 по длине газораспределителя 9. Отверстия 10 выполнены в виде тонких щелей с переменным шагом, исходя из того, что при одинаковой площади с круглыми отверстиями щелевидные позволяют увеличить поверхность выхода газовоздушной смеси и более равномерно распределить ее по периметру сеток 13 и 14, закрепленных на торцевой стенке 15 газораспределительной насадки и входном торце 16 излучающего корпуса 1. Этой же цели служат плоские пластины 11, являющиеся отбойниками потока газовоздушной смеси, которые гасят скорость струй, выходящих из отверстий 10. Форма отбойников в виде плоских металлических пластин 11 выбрана, исходя из экспериментальных данных с учетом простоты и эффективности предлагаемого устройства. Благодаря такой конструкции газораспределителя 9 газовоздушная смесь, образованная в наружной части 3 газовой горелки, равномерно распределяется по поверхности наружной и внутренней сеток 13 и 14 и поджигается с помощью запального устройства 17. После воспламенения в течение нескольких секунд над поверхностью наружной сетки 13 образуется пламя, которое после ее прогрева проскакивает через нее и дальнейшее сгорание газовоздушной смеси происходит в виде невидимых микрофакелов в пространстве между наружной сеткой 13 и внутренней сеткой 14. За счет теплообмена с микрофакелами и продуктами сгорания газа сетки 13, 14 раскаляются и равномерно по всей поверхности излучают тепловую энергию к внутренней поверхности излучающего корпуса 1. За счет отвода тепла к сеткам 13 и 14 температура в зоне сгорания существенно снижается при сохранении количества передаваемого тепла. Снижение температуры не только исключает перегрев излучающего корпуса 1 в зоне сгорания газа, но и резко уменьшает образование оксидов азота и их выброс в атмосферу. Нагрев излучающего корпуса 1 на следующих за зоной сгорания участках осуществляют дымовыми газами, которые выходят из цилиндрической газораспределительной насадки и движутся по трубе излучающего корпуса 1 к выхлопному патрубку 8. Таким образом, предлагаемый газовый радиационный нагреватель обеспечивает повышение надежности и долговечности его работы за счет ликвидации топливного факела и его контакта со стенками излучающего корпуса при снижении температуры в зоне сгорания топлива. Кроме того, повышается эффективность работы нагревателя за счет равномерного распределения температуры по поверхности излучающего корпуса, что позволяет снизить образование и выброс в атмосферу токсичных оксидов азота. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4