Способ управления воздухом в установке сжигания газа и устройство для сжигания газа - RU2129236C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к установке для сжигания газообразного топлива и, в частности, к способу подачи газа к установке, которая включает в себя горелку атмосферного типа, и к устройству, реализующему этот метод.

Изобретение может быть использовано особенно в установке с горелкой с гиперстехиометрическим предварительным смешением, такой в которой воздух примешивают к газу внутри горелки в количествах больших, чем количество, требуемое для стехиометрического горения.

Установка с атмосферной горелкой описана в Italian Patent Applpcation N M192A002510, поданной 2 ноября 1992 г. этим заявителем. Установка состоит, дополнительно к атмосферной горелке, из камеры сгорания и средства для создания внутри камеры сгорания разрежения относительно пространства у насадков. Горелка имеет насадки для истечения газа, всасывающие и смесительные каналы, соосные с насадками, и рассеиватели, связанные с каналами для подачи смеси газа и первичного воздуха в камеру сгорания. Установка также состоит из конструкции коробчатого типа, присоединенной к камере сгорания и покрывающей всасывающие и смесительные каналы. У этой конструкции есть стенка, расположенная поперек между насадками и каналами, и для каждого насадка впускной проход, через который всасывается первичный воздух в канал, и впускные проходы для вторичного воздуха рядом с впускным проходом для первичного воздуха. Струи первичного воздуха и вторичного воздуха через их соответствующие проходы текут вдоль параллельных между собой направлений.

Данная установка обеспечивает равномерное и полное сгорание газа, используя весьма простые конструктивные приемы. Однако можно еще разрабатывать проблемы зажигания, т. е. начала ее работы, а также случай, когда вместо стандартного газа, для которого установка предназначена, используют газ, склонный к разложению на части пламени, из того же семейства, что и упомянутый стандартный газ, или так называемый "плохо горящий" газ, или так называемый "хлопающий" газ (с обратным ударом пламени) из того же семейства.

Температура распылителя может случайно достичь критически опасной величины, в некоторых других случаях пламя может быть нестабильным, а результате чего сгорание топливного газа станет неполным. Такие проблемы очщущаются более тяжело, когда количество воздуха, предварительно смешиваемого с газом, поднято выше того, которое требуется для стехиометрического сгорания, чтобы устранить вредные выбросы.

Задачей изобретения является обеспечение метода и установки, которые могут устранить проблемы, упомянутые выше.

Эта задача достигается при помощи метода и устройства, как в общем смысле определено и охарактеризовано в первом, десятом и двадцать первом пунктах формулы изобретения, прилагаемой к этому описанию.

Изобретение может быть лучше понято, если обратиться к последующему описанию некоторых примеров и неограниченных вариантов в сочетании с приложенными чертежами, где:
на фиг. 1 - вид поперечного сечения, схематично показывающий первую установку ранее упомянутой заявки на патент;
на фиг. 2 - увеличенный перспективный вид части установки с фиг. 1, включающий атмосферную горелку;
на фиг. 3A, 4, 5 и 6 - вид поперечного сечения, схематически показывающий установку в соответствии с четырьмя вариантами изобретения;
на фиг. 3B и 3C показаны разновидности установки с фиг. 3A.

Установка, показанная на фиг. 1, включает атмосферную горелку 10, камеру сгорания 11, теплообменник 12 и вентилятор 13, которые установлены внутри камеры 14, которая в этом примере расположена вертикально.

Горелка, как лучше показано на фиг. 2, содержит канал 15, имеющий в поперечном сечении квадратную форму и показанный с удаленной стенкой, который присоединен через фитинг 16 к источнику газа и несет множество насадков 17, которые вытягиваются из канала параллельно между собой. Канал 18 металлической конструкции связан с каждым из насадков 17 и выполнен в форме трубки Вентури, имеющей входной конец, размещенный на определенном расстоянии от насадка и в этом примере соосный с насадком для всасывания первичного потока воздуха и смещения его газом, вытекающим из насадка. Каждая трубка Вентури 18 направляет смесь газа и первичного воздуха через соединительный канал 18' в рассеивающий элемент 19 коробчатого типа, который имеет многочисленные проходы 20 через его сторону, направленную к камере сгорания.

Размеры трубки Вентури, проходов 25 и вообще все физические и конструктивные параметры установки выбраны такими, чтобы первичный воздух подмешивался к топливному газу в переменных количествах, чтобы удовлетворить индивидуальным требованиям и (или) выходной энергии, от величин реально равных количествам, требуемым для стехиометрического сгорания газа, до величин, превосходящих эти количества на 50-60%.

Трубки Вентури 18, их соответствующие соединительные каналы 18' и распылители 19 установлены, как можно видеть, в конструктивно одинаковых агрегатах, расположенных рядом на некотором расстоянии между собой с перфорированными сторонами рассеивателей 19, находящимися в одной плоскости, чтобы сформировать плиту, вытянутую в этом примере горизонтально, откуда будут истекать факелы.

Донная часть горелки 10 закрыта внутри конструкции коробчатого типа 23, показанной на фиг. 2 с удаленной из нее частью, у которой края подходят к стенкам камеры сгорания 11 в стенке 24, протягивающейся между насадками 17 и трубками Вентури в поперечном направлении относительно осей последних. Эта стенка сформирована в местах расположения каждого насадка с круглым проходом 25 и рядом с несколькими проходами меньшего размера 26. Под действием разрежения, создаваемого вентилятором 13 внутри камеры сгорания по отношению к пространству у насадков, первичный воздух (AP) засасывается в соответствующие трубки Вентури через проходы 25. Дополнительные проходы 26 расположены снаружи площадей, направленных к выпускным отверстиям трубок Вентури 18, но рядом с областями, где приложено эжектирующее действие потоков газа, истекающих из насадков 17, и воздух соответственно втягиваются в трубки Вентури. Таким образом, вторичный воздух (AS) может только быть втянут в камеру сгорания через упомянутые дополнительные проходы. Струи первичного воздуха (AP) и вторичного воздуха (AS), как обозначено стрелками на чертежах, текут практически параллельно друг другу во впускном конце конструкции коробчатого типа 23.

На фиг. 3A, где подобные или соответствующие представленным на фиг. 1 части обозначены одинаковыми справочными номерами, показана установка, соответствующая изобретению, с некоторыми из ее составляющих, представленных в виде функциональных блоков.

Под номером 13' там показано соединение к дымоходу. Понятно, однако, что изобретение может быть применено к конструктивному варианту, использующему вентилятор, как и в предшествующей установке, соответствующей фиг. 1.

Здесь дно горелки 10 не закрыто внутри конструкции коробчатого типа, как это показано под номером 23 на фиг. 1, но понятно, что изобретение может быть приложено к устройствам горелки, использующим эту конструкцию. Далее, в последующем описании будут сделаны ссылки на горелку, имеющую единственный насадок 17 и единственную трубку Вентури, связанную с ним, которая содержится в соответствующем рассеивающем элементе 19 коробчатого типа, но понятно, что горелка может быть с многочисленными насадками и соответствующими трубками Вентури и рассеивателями, подобно той, что описана по отношению к фиг. 1. Изобретение можно также приложить к вариантам с многочисленными насадками с несколькими простыми переделками в пределах способностей специалиста.

Как можно видеть, вокруг насадка 17 установлена втулка 58, которая может скользить поверх насадка при помощи стержня 51, который прикреплен к одному концу втулки и несет на другом конце зубчатую рейку 52 для зацепления с ведущей шестерней 53, закрепленный шпонкой на валу электрического двигателя 54. Последний может быть шаговым двигателем и снабжаться через устройство обработки данных и управления, представленное как блок 55. Датчик давления 56 соединен к каналу снабжения газом 15, чтобы определить скорость потока газа, истекающего из насадка 17, и посылать соответствующий электрический сигнал G в устройство 55. Датчик температуры 57, такой как терморезистор, смонтирован на поверхности рассеивателя 19 или поблизости от нее и обеспечивает измерение температуры, определяемой устройством 55. В устройстве 55 также введена справочная температура T1, которая задана через установочное приспособление 59, такое, как управляемый вручную проселектор.

Теперь будет описана работа горелки в установившемся режиме с предварительно заданным расходом потока газа из насадка 17.

Горелка должна быть установлена для идеальной работы на стандартном газе из семейства топливных газов, например, городском газе (чистый метан) из семейства "природных" газов. Характерно, что скользящую втулку 58 передвигают к трубке Вентури 18 так, что при воспламенении при помощи изменения струи газа из насадка 17 количество засасываемого первичного воздуха AP будет иметь сравнительно низкую начальную величину. Этим путем получают смесь газа и воздуха, которая предпочтительна для сжигания с еще холодной горелкой или во время, когда она становится нагретой. Справочную величину температуры T1 устанавливают так, чтобы обеспечить оптимальное сгорание стандартного газа. Например, Т1 должна быть задана величиной, которая соответствует температуре внутри диапазона от 250 до 450^oC на поверхности рассеивателя. Измеренную температуру непрерывно сравнивают со справочной величиной и результат сравнения использует устройство 55, чтобы выработать управляющий сигнал для двигателя 54. На последний подают энергию через устройство 55, чтобы переместить втулку 58 от входного отверстия в трубку Вентури 18 в положение, в котором поток первичного воздуха AP подходит для установления желательной температуры у рассеивателя.

Когда с этими уставками регулируемых величин установки вместо стандартного газа подают газ, который имеет склонность к разложению на части пламени, из того же семейства, к которому принадлежит стандартный газ, например газ, известный как G25, желательная температура будет достигнута у рассеивателя с меньшим расходом потока первичного воздуха, чем требуется для стандартного газа, т.е. со втулкой 58, установленной ближе к входному отверстию в трубку Вентури 18, и наоборот, когда вместо стандартного газа подают плохо горящий газ, известный как G21, расход потока первичного газа должен быть увеличен, то есть втулка 58 двигателя еще дальше от входного отверстия в трубку Вентури 18.

Когда вместо стандартного газа подают газ, склонный к "хлопкам", такой как газ G22, расход потока первичного воздуха для достижения желаемой температуры у рассеивателя должен быть слегка ниже, чем тот, что требуется для плохо горящего газа.

Сигнал G от датчика давления 56 обрабатывает устройство 58, чтобы установить управляющий сигнал, подводимый к двигателю 54 в соответствии с расходом потока газа, истекающего из насадка 17. Для многих применений, таких как с двухпозиционным управлением мощностью (включено - выключено) установки, описанной здесь далее, это регулировка не важна, и датчик давления 56 и схема, обрабатывающая сигнал расхода потока, могут быть исключены.

Для определения применений может оказаться полезным измерение других температур установки в дополнение к той, что измеряют на рассеивателе или альтернативно вне его, например, такой как температура внутри камеры сгорания. В случае, когда обеспечено несколько сигналов температуры, они могут быть обработаны устройством 55 с использованием предварительно установленного алгоритма для обеспечения оптимального сгорания газа при любых условиях подачи посредством регулирования первичного воздуха и, необязательно, вторичного воздуха. Более того, следует принимать во внимание, что даже если обеспечены большие проходы для вторичного воздуха, последние могут вполне отсутствовать, если вход первичного воздуха сделан особенно легким.

На фиг. 3B представлена разновидность установки, соответствующей изобретению, в которой использовано управление скорее двухпозиционного типа, чем непрерывное. Соленоид 54' использован здесь в качестве привода, который перемещает стержень 51', прикрепленный к втулке 58'. Это устройство не снабжено датчиком давления 56, а блок обработки данных и управления спроектирован так, чтобы вырабатывать управляющий сигнал, который может иметь только две величины, а именно первую и вторую величины, соответствующие обнаруженной более или менее высокой температуре соответственно, чем справочная температура Т1. При этих величинах от соленоида отключают энергию и включают соответственно, посредством чего втулка 58' будет соответственно расположена в первом положении, близком к входному отверстию трубки Вентури 18 или втором положении, более отдаленном от упомянутого входного отверстия, когда обнаруженная температура ниже или выше соответственно, чем предварительно установленная температура.

В другой разновидности, показанной на фиг. 3C, приводной стержень соленоида 54' соединен имеющим насадки каналом 15' с возможностью поворачиваться вокруг оси поворота 60. Канал 15' не прикреплен жестко к конструкции установки, как в устройстве по фиг. 3A и 3B, но скорее по поворотному типу относительно оси 61, перпендикулярной к плоскости листа. В этом примере упомянутая ось является продольной осью канала 15', однако она может быть установлена так, чтобы находиться вне центра и изменять поток первичного воздуха в соответствии с предварительно установленными критериями работы.

Настройка, которая также представляет двухпозиционный тип, результатом своего действия имеет то, что насадок движется между двумя устойчивыми положениями, а именно положением, в котором у насадка 17 его ось совпадает с осью трубки Вентури 18, и другими положением, в котором ось насадка 17 сдвинута на предварительно установленный угол от оси трубки Вентури. Как должен признать специалист в технике, в результате смещения насадка из центра уменьшается поток первичного воздуха, увлекаемого струей газа через трубку Вентури, подобно действию, получаемому с регулированием, показанным на фиг. 3A и 3B. Конечно этот метод изменения потока первичного воздуха может также быть использован для непрерывного управления, как описано применительно к фиг. 3A.

Более того во всех случаях устройство может быть приспособлено для использования измерения температуры датчиком 57, чтобы преграждать течение газа в насадок 17 в случае достижения температурой опасных величин.

На фиг. 4, где части, подобные или соответствующие частям на фиг. 1, обозначены теми же справочными номерами, показана установка, соответствующая изобретению, которое использует горелку с трубкой Вентури, наклоненной от горизонтального положения. Однако понятно, что изобретение можно также с пользой применить с установкой, оборудованной горелками как та, что показана на фиг. 1, или любой горелкой атмосферного типа, имеющей впускной и смесительный канал (каналы), закрытые внутри коробки, включающей рассеиватель.

В варианте, представленном на фиг. 4, в донной стенке конструкции 23 коробчатого типа есть дополнительный проход 30, который в этом примере - круглый, и средства управления потоком воздуха через этот проход. В этом примере упомянутые средства заключают в себе закрывающее звено в форме круглой металлической пластины 31, приспособленной для перекрытия краев регулировочного проема 30 и поддерживаемой в центре стержнем 32, элемент, чувствительный к температуре внутри камеры сгорания, в форме металлического стержня 33, проходящего через камеру сгорания и часть конструкции коробчатого типа 23, и рабочих органов привода в данном случае в форме коромысла 34, поворачивающегося в точке 35 на кронштейне, прикрепленном к конструкции 23 и соединенном шарнирно как с концом стержня 33, так и с пальцем 32. Круглая пластина 31 может скользить вверх вдоль стержня 32, преодолевая силу упругости пружины сжатия 36, и удерживается от скольжения вниз кольцом 37, прикрепленным к стержню 32.

Различные элементы так установлены и имеют такие размеры, что когда горелка выключена, закрывающая пластина будет расположена на некотором расстоянии от донной стенки конструкции коробчатого типа, позволяя таким образом обильному количеству вторичного воздуха A проходить через регулировочный проход 30. Обеспеченный таким образом большой поток вторичного воздуха приводит в результате к тому, что поток первичного воздуха уменьшают по отношению к тому, который обеспечивают для установившегося режима горения стандартного газа, т.е. газа, для которого настроена горелка, так что степень предварительного смешивания будет относительно низкой и не будет происходить разделение на части даже, когда используют газ, склонный к разделению пламени на части. Как только температура внутри камеры сгорания поднимается и длина стержня 33 увеличивается из-за расширения, пластина 31 двигается вниз коромыслом 34, приводимым в движение стержнем, уменьшая таким образом поперечное сечение для прохода вторичного воздуха через дополнительный проход 30. У предварительно установленной температуры в пределах диапазона 550 - 600^oC, например, проход 30 закрыт полностью и поток вторичного воздуха ограничен до потока, проходящего через проходы 26 в стенке 24, что является оптимальным потоком для полного сгорания стандартного газа в установившемся режиме работы. Любое дальнейшее расширение стержня 33 не будет действовать на закрывающую пластину 31, потому что стержень 33 имеет возможность скользить, преодолевая пружину 36.

В работах с использованием газа, которые склонны к разделению на части пламени даже в устойчивом состоянии, дополнительный проход может быть оставлен частично открытым, если предварительно установленная температура не достигнута в камере сгорания с такими газами.

В практике поэтому использование газа, склонного к разделению на части пламени, следует распознавать автоматически и расход потока первичного газа регулировать соответственно. Характерно, что его следует поддерживать более низким, чем требуемый расход потока, где газ является стандартным газом.

С установкой, соответствующей этому варианту изобретения, дополнительно к устранению проблем с разделением на части пламени в период воспламенения, особенно с газом, склонным к разделению на части пламени, может находиться под контролем отношение первичного воздуха к вторичному воздуха даже в течение нормального горения, в частности, в момент модуляции (изменения состояния), когда питание горелки прервано, чтобы ограничить выход тепловой энергии. Фактически, основанные на температуре внутри камеры сгорания, которая обратно пропорциональна избытку воздуха по сравнению со стехиометрической величиной, требуемой для сгорания, что прямо пропорционально величине CO₂ в процентах, размеры и установка элементов устройства управления могут быть выбраны так, чтобы расширение стержня 33, в свою очередь пропорциональное температуре в камере сгорания, будет управлять поперечным сечением прохода вторичного воздуха через дополнительный проход 30, чтобы обеспечить наилучшее отношение воздуха к вторичному воздуху в любых условиях. Наиболее подходящим является расположение дополнительного прохода для этой цели близко ко входам в трубки Вентури.

В варианте, проиллюстрированном на фиг. 5, где элементы, подобные и соответствующие элементам с фиг. 4, обозначены такими же справочными номерами, установка отличается от описанной перед ней тем, что ось поворота 35 для коромысла 34 не зафиксирована на конструкции коробчатого типа 23, но расположена на стержне 38 преобразователя давления в форме датчика давления 39, приводимого в действие диафрагмой. Стержень 38 жестко соединен с диафрагмой 40, которая разделяет датчик давления на две камеры и нагружена пружиной сжатия 41 в донной камере, которая сообщается с наружной стороной через перепускной канал 42, выполненный в стенке конструкции 23. Верхняя камера датчика давления соединена трубкой 43 с газовым каналом 15 так, что давление газа будет действовать на диафрагму 40 против действия пружины 41. Таким образом, высота оси поворота 35 будет зависеть от давления газа внутри канала, и следовательно, от расхода потока газа и насадкам так, что зависимость температуры в камере сгорания от поперечного сечения прохода вторичного воздуха через проход 30 может быть изменена в соответствии с расходом потока газа. Характерно, что с устройством управления, показанным на фиг. 4, более слабые потоки приводят к полному закрыванию прохода 30 при более низких температурах в камере сгорания.

В разновидности этого изобретения количеством первичного воздуха, которое засасывается в направлении камеры сгорания, управляют путем регулирования общего количества воздуха, вводимого в установку, например, уменьшением разрешения внутри камеры сгорания по отношению к пространству у насадков. Это может быть осуществлено или уменьшением скорости вращения вентилятора 13 в установке, показанной на фиг. 1, или закрытием задвижки в выходном дымовом тракте, если в состав установки включен газоход, или открытием перепуска в воздушном тракте.

Пример устройства управления последнего типа показан в установке, соответствующей четвертому варианту изобретения, проиллюстрированному на фиг. 6, где элементы подобные и сравнимые с элементами на фиг. 4, обозначены теми же справочными номерами с возможным добавлением штриха.

Как можно видеть, канал 50, который направляет выхлопные газы к вентилятору 13 и, следовательно, из установки снабжен проходом 30, имеющим в этом случае круглую форму, который связывает этот канал с наружной стороной установки, в частности, с каналом, через который всасывается воздух для работы горелки. Круглая металлическая пластина 31, приспособленная для перекрывания краев прохода 30 и закрепленная в центре на стержне 32, образовывает рабочий орган для закрывания прохода. Металлический стержень 33, проходящий через камеру сгорания 14 и теплообменник 12, образовывает элемент, чувствительный к внутренней температуре камеры сгорания, и соединен с пластиной 31 рабочими органами привода, в данном случае в форме коромысла 34. Круглая пластина 31 может скользить вверх вдоль стержня 32, преодолевая силу упругости пружины сжатия 36, расположенной вокруг стержня 32, и удерживается от скольжения вниз кольцом 37, закрепленным на стержне 32. Средняя ось 35 поворота коромысла 34 располагается на выходном конце стержня 38 от датчика давления, работающего от диафрагмы и в целом показанного под номером 39, который неподвижно скреплен с конструкцией коробчатого типа 23. Этот стержень 38 неподвижно скреплен с диафрагмой 40, которая разделяет датчик давления на две камеры, и нагружен пружиной сжатия 41 в верхней камере, которая сообщается с наружной стороной через перепускной проход 42. Донная камера выключателя давления соединена трубкой 43 с газовым каналом 15, посредством которой давление газа будет действовать на диафрагму 40, преодолевая действие пружины 41. Высота оси поворота 35, поэтому, зависит от давления газа внутри канала 15 и, следовательно, расхода потока газа к насадкам. Как можно оценить, поперечным сечением для прохода воздуха через проход 30 управляют в соответствии с комбинированным действием расширения стержня 33 и, следовательно, температуры камеры сгорания и положения оси поворота 35 и, следовательно, расхода потока газа. Взаимное расположение различных элементов в этом варианте таково, что более низкие расходы потока приводят к полному закрытию прохода 30 при более низких температурах камеры сгорания, но в других вариантах может оказаться удобным иначе управлять комбинированным действием датчиком температуры и расхода потока.

Очевидно, что эффект от наличия управляемого течения воздуха через проход 30 заключается в изменении разрежения внутри камеры сгорания 14 по отношению к пространству у насадков. Итак, управление первичным воздухом AP достигается посредством управления общим расходом потока, подводимого к горелке воздуха при помощи разрежения, создаваемого вентилятором 13, и заключается в оптимальном управлении горением, как на этапе воспламенения, так и в случае использования газов, склонных к разделению на части пламени, при помощи регулирования отклика и взаимодействия элементов, чувствительных к температуре камеры сгорания, и датчика потока газа.

Хотя только несколько вариантов изобретения было описано и проиллюстрировано, должно быть понятно, что много изменений и модификаций может быть сделано в пределах той же концепции изобретения.

В разновидности, например, первичным воздухом управляют изменением поперечного сечения одного или более проходов, через которые втекает вторичный воздух в течение работы в установившемся режиме, т.е. никакого специального управляемого прохода не обеспечено.

В другой разновидности вторичный воздух в течение работы в установившемся режиме всасывается в конструкцию коробчатого типа через один или более проходов, устроенных в других местах, чем те, которые показаны в установках с фиг. 4, 5 и 6.

Также чувствительными к температуре элементами вместо терморезисторов или металлических стержней, как в описанных предшествующих примерах, могут быть термопары, биметаллические полоски или некоторые другие устройства, установленные внутри камеры сгорания или прикрепленные к рассеивателям; датчиками расхода потока вместо датчиков давления могут быть трубки Пито, датчики с горячей проволокой и т.п., а рабочими органами привода вместо двигателей или чисто механических элементов могут быть, соленоиды, приводы с расширением парафина, приводы с биметаллической пластинкой или другие.

Реферат

Установка содержит в основном атмосферную горелку, камеру сгорания и средства для создания вакуума внутри камеры сгорания. Технический результат от использования изобретения - обеспечить оптимальное сгорание, используя газы из одного семейства газов. Способ управления воздухом обеспечен средствами для обнаружения по крайней мере одной температуры установки и средствами для управления потоком первичного воздуха (АР) в соответствии с обнаруженной температурой, которую измеряют на поверхности рассеивателя горелки и управляют потоком первичного воздуха, чтобы поддерживать температуру ниже критической величины, а пламя стабильным. 2 с. и 26 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула