Пристрій пальниковий інфрачервоного випромінювання

Корисна модель відноситься до конструктивного виконання нагрівальних пристроїв для спалення природного або скрапленого газу, і може знайти застосування для виготовлення терморадіаційних панелей з проникними керамічними елементами одиничною потужністю 10-60кВт. Вказані панелі інфрачервоного випромінювання в цей час знаходять широке застосування для обігріву великих приміщень з висотою більше за 4 метри, а також для інших різноманітних те хнічних застосувань в промисловості, сільському господарстві, будівництві, на транспорті, в металургії, харчовій промисловості, житлово-комунальному господарстві. Газові інфрачервоні випромінювачі, в основу яких закладений принцип безполум'яного спалення газу, відомі і знаходять широке застосування для опалювання вже більше за 50 років. У порівнянні з газовими пальниками факельного типу, при більш раціональній витраті газу, вони дають більший ефект при створенні необхідного комфорту для людини і інших застосувань. Принцип дії газових пальників інфрачервоного випромінювання різної конструкції однаковий і полягає в наступному: Газ, виходячи з сопла з певною швидкістю, інжектує повітря в кількості, достатній для його повного спалення, бажано з коефіцієнтом надлишку повітря не більше за 1,05-1,1. Далі в інжекційному змішувачі газ інтенсивно перемішується з повітрям і надходить в дифузор, в якому швидкість газоповітряної суміші істотно зменшується для виключення значних гідравлічних втрат по тракту її просування до керамічних елементів. З дифузора газоповітряна суміш проходить в розподільну камеру, з якої через розподільник, що забезпечує рівномірну її подачу, поступає до отворів випромінюючих керамічних насадок. Діаметр отворів 1...1,5мм. Газоповітряна суміш горить в отворах на глибині 1,5...2мм від зовнішньої площини керамічної насадки, і при цьому нагріває її до температури 800°...900°С. Керамічна насадка стає джерелом інфрачервоного випромінювання з довжиною хвилі 1,3...7мкм. Незначне відхилення від оптимальних значень коефіцієнта надлишку повітря різко знижує ефект безполум'яного спалення газу. При збільшенні його до 1,25...1,4 падає температура випромінювача, а при подальшому його збільшенні випромінювач стає темним і газ горить нестійко, відбувається неповне спалення газу. Відома досить велика науково-технічна і патентна інформація з проблеми, що розглядається, (див., наприклад, Богомолов А.Й., Вігдорчик Д.Я., Маєвський М.А., "Газові пальники інфрачервоного випромінювання і їх застосування", М.Москва, 1967р.). По а.с. СРСР №844928; 1163091, F23D14/12, №1455136, F23D4/12 відомі газові інфрачервоні пальники для розігрівання асфальто- бетонних покриттів. По а.с. СРСР №273909, F24D14/14; №954709. F23D14/12; №1769796. F23D14/12 відомі газові радіаційні пальники, що включають інжектор з соплом, забезпечений на вході діафрагмою для точного регулювання заданої кількості повітря. Відомі також численні патенти США, Німеччини, Англії, Японії і інших країн з проблеми, що розглядається. При цьому для забезпечення працездатності вказаних, пальників при регулюванні їх теплової потужності значна увага приділяється точності виготовлення всіх деталей і вдосконаленню аеродинаміки усього газово-повітряного тракту. Наприклад, в описі до патенту США №5306140, F23D14/12, НКИ 431-328 на спосіб генерування інфрачервоних променів приведений пальник, що містить корпус, в якому розташована камера спалення суміші. У вказаній камері розташовані проходячі вздовж неї дві лежачі на відстані одна від іншої перегородки. Окремий механізм змінює як у бік зменшення, так і у бік збільшення відстань між перегородками для регулювання розміру камер. Пальник має пористу керамічну пластину, це дозволяє регулювати потік гарячої суміші. Аналогічні рішення по керуванню формою стінок камери широко застосовувалися в терморадіаційних панелях із звичайними газовими пальниками (див., наприклад, а.с. СРСР №№577371, F26B3/30, 3/32; №924474, F26В3/30, 3/32; №883624, F26В3/3О, F23D13/14). Так по вказаному а.с.СРСР №883624 з метою регулювання температури на поверхні тепловипромінюючого екрана, розділова стінка в камері виконана гнучкою і забезпечена механізмом для зміни її форми. Зміна швидкості гарячих газів викликана зміною форми розділової стінки, дає можливість встановити необхідний температурний градієнт на випромінюючій поверхні екрана, що дозволяє проводити сушку виробів різної конфігурації на оптимальному режимі. Відомої конструкції вітчизняних газових пальників інфрачервоного випромінювання приведені фіг.1 "Пальник інфрачервоного випромінювання ГК-27У-1" і фіг.2 "Пальник інфрачервоного випромінювання ГИЇБл" з книги В. В.Харіна "Автоматизація управління газовими пальниками інфрачервоного випромінювання", Ленінград, Надра, 1989. Пальник призначений для опалювання виробничих приміщень і для теплової обробки різних матеріалів і складається з металевого корпусу, в який вмонтовано 16 керамічних плиток. У розподільникові показаний розсікач службовець для рівномірного розподілу потоку газоповітряної суміші в зону горіння. Пальники можна монтувати в будь-якому положенні, але у всіх випадках кут між площиною випромінюючої насадки і лінією горизонту повинен бути не менше за 20° і газ повинен надходити знизу. Блоковий газовий пальник ГИЇБл застосовується в закритих приміщеннях, що вентилюються. Він являє собою елемент, який дає можливість компонувати панелі (блоки) інфрачервоного випромінювання різних форм і розмірів. Як прототип корисної моделі, що заявляється, вибрана приведена вище конструктивна схема (див.фіг.) пальника інфрачервоного випромінювання ГК-27У-1, співпадаюча по функції, що виконується (В.В. Харін "Автоматизація управління газовими пальниками інфрачервоного випромінювання", Ленінград, Надра, 1989, стор.6-13). До нестач прототипу потрібно віднести відому недосконалість приведеної на фіг.1 аеродинамічної форми камери змішування газу і повітря, в т.ч. дифузора з прямолінійними створюючими, а також розсікача і розподільника. Різкі повороти потоку істотно позначаються на величині аеродинамічного опору, а також на рівномірності розподілу топливоповітряної суміші по всій поверхні керамічних елементів. Досвід роботи ведучи х інофірм в області техніки, що розглядається, наприклад, німецької фірми Schwank GmbH, свідчить, що відпрацюванню аеродинаміки, починаючи з ретельного і високоточного виготовлення сопла подачі газу, приділяється значна увага. Особливо актуальною ця проблема стає при виготовленні довгих панелей інфрачервоного випромінювання великої одиничної потужності в діапазоні 10-60кВт і більше. У цьому випадку довжина розподільної камери може становити 1-2 метри і більше. Тому гідравлічні опори по тракту повинні бути зведені до мінімуму, так як в цьому випадку рух газоповітряної суміші здійснюється тільки за рахунок інжекції повітря струменем газу із сопла. Потрібно зазначити, що значний вплив на стабільність подачі газоповітряної суміші, надає зовнішнє обтікання пальника повітрям при різних кута х нахилу площини кераміки до горизонту. Загальними ознаками прототипу і корисної моделі, що заявляється є: - корпус пальника, забезпечений місцями кріплення керамічних плиток і приєднання вузла подачі газу з соплом і вузла підготовки газоповітряної суміші; - розподільна камера, забезпечена розподільником потоку для рівномірної подачі газоповітряної суміші; - рефлектор; - вузол регулювання, запалювання і контролю у вигляді автоматичного контролера запалювання газового регулювальника тиску; - електрода запалювання і датчика наявності полум'я, закріпленого безпосередньо на корпусі в безпосередній близькості від поверхні керамічних плиток; - кронштейни підвіски. У основу корисної моделі поставлена задача удосконалення пальників інфрачервоного випромінювання, переважно панельних з великою одиничною потужністю в діапазоні 10-60кВт і більш, в яких за рахунок особливостей конструктивного виконання розподільчої камери і розподільника, забезпечується рівномірний розподіл газоповітряної суміші по поверхні керамічних елементів при різних кута х нахилу площини керамічних елементів до горизонту. За рахунок цього досягається підтримка в заданих межах коефіцієнта надлишку повітря і значень рівня оксидів СО і NOx в продукта х спалювання. Зрештою це сприяє розширенню меж стійкої роботи пальника інфрачервоного випромінювання і діапазону регулювання, а також підвищенню випромінюванного і загального коефіцієнта корисної дії. 2. Поставлена задача вирішується тим, що в газовому пальнику інфрачервоного випромінювання, утримуючого корпус пальника, забезпеченого місцями кріплення керамічних плиток і приєднання вузла подачі газу і вузла підготовки газоповітряної суміші в розподільну камеру, яка забезпечена розподільником потоку для рівномірної подачі газоповітряної суміші, рефлектор, вузол регулювання, запалювання і контролю у вигляді автоматичного контролера запалювання і газового регулювальника тиску, електрод запалювання і датчик наявності полум'я, закріплений безпосередньо на корпусі пальника, в безпосередній близькості від поверхні керамічних плиток, кронштейни підвіски. Згідно з корисною моделлю, на корпусі пальника розміщена розподільча камера коробчатого перетину, що розділена похилою перегородкою на більший і менший об'єми при їх співвідношенні в межах 2:1-3:1, з формуванням меншого об'єму, що звужується до нижньої кромки меншого об'єму в зоні керамічних плиток, а отвори в перегородці виконані площею в 2-2,3 рази більше сумарної площі отворів в керамічних плитках. В нижній частині більшого об'єму горизонтально розміщені сопло подачі газу і вузол підготовки газоповітряної суміші у ви гляді конфузора, камери змішення і дифузора. Конкретною відмінністю вищезгаданого газового пальника інфрачервоного випромінювання є те, що розподільча камера розділена похилою перегородкою на більший і менший в зоні керамічних плиток об'єми при їх співвідношенні в межах 2:1-3:1. Іншою відмінністю є те, що кут нахилу вказаної перегородки з отворами до вертикальної осі перетину розподільчої камери виконаний рівним 60-70°. Ще одна конкретна відмінність вказаного газового пальника полягає в тому, що для підвищення точності регулювання загальної витрати повітря на вході в конфузор встановлена калібрована діафрагма. Відмінністю також є те, що форма перетину розподільчої камери визначена співвідношенням ширини до його висоти в діапазоні 0,4-0,5 при номінальному розмірі ширини 150-170мм. На кресленні фіг.1 схематично показаний загальний вигляд газового пальника інфрачервоного випромінювання, що заявляється, а на фіг.2 представлений поперечний розріз розподільчої камери. Вказаний пальник являє собою панель у вигляді корпусу коробчатого перетину 1 з місцями для закріплення прямокутних керамічних плиток поз.2 і вузла приготування і подачі газоповітряної суміші з соплом подачі газу поз.3. На кронштейні вузла підготовки газоповітряної суміші перед соплом закріпляється блок поз.4 регулювання, запалювання і контролю, що складається з автоматичного контролера запалювання і комбінованого газового регулювальника тиску. Для підключення до цехової газової магістралі використовується пристрій (поз.5) в складі кульового газового крана, рукава для газу і комплекту фитингов. Електрод розпалювання (поз.6) і датчик наявності полум'я (поз.7) закріпляються на корпусі пальника в безпосередній близькості від поверхні керамічної насадки(фіг.2). Безпосередньо за газовим соплом (поз.3), розташовується вузол підготовки газоповітряної суміші; в складі налагоджувальної (змінної) діафрагми (поз.8), конфузора (поз.9), камери змішування (поз.10) і дифузора (поз.11). Вузол підготовки газоповітряної , суміші розміщується в нижній торцевій частині розподільчої камери (поз.12), з лівого або правого боку площин (поз.13) і (поз.14). Розподільна камера (поз.12) по всій довжині розділена на дві нерівні по об'єму частини (порожнини І і II), перегородкою (розподільник потоку поз.15). Вхідна порожнина І розподільної камери (поз.12), велика по об'єму і розташована з боку вузла підготовки газоповітряної суміші. Вихідна порожнина II розподільної камери (поз. 12), менша по об'єму і розташована з боку керамічних плиток (поз.2). У перегородці (розподільник потоку поз.15), що розділяє розподільчу камеру (поз.12), по всій довжині виконані отвори (поз.16), в один або більше рядів. Отвори в перегородці (розподільникового потоку поз.15) розташовані в протилежній частині від вузла підготовки і введення в розподільчу камеру (поз.12) газоповітряної суміші. Зовні розподільної камери перед керамічними плитками для підвищення випромінюючої здатності пальника встановлений рефлектор (поз.17). Пристрій, що заявляється, працює таким чином: За допомогою елементів автоматики (поз. 4, 5, 6, 7) подають газ заданого тиску через сопло (поз.3) на вхід конфузора (поз.9), який за рахунок досить високої швидкості закінчення ежектує в необхідній кількості повітря для підготовки газоповітряної суміші із заданим коефіцієнтом надлишку повітря. Це забезпечується шляхом точного розрахунку і підбору геометричних розмірів сопла, розмірів і гідравлічних опорів всіх елементів газово-повітряного тракту. Швидкість газоповітряної суміші на виході з диффузора (поз.11) не повинна перевищувати декількох метрів за секунду. Далі газоповітряна суміш з вказаного більшого об’єму порожнини І, що використовується як проміжний заспокоювач потоку надходить через отвори (поз.16) перегородки (поз.15) в меншу по об'єму порожнину II розподільчої камери (поз.12) і далі безпосередньо до поверхні керамічних плиток, (поз. 2), в яких виконані калібровані отвори Æ1...1,5мм. Причому, для зниження опору руху газоповітряної суміші, площа отворів (поз. 16), вибрана принаймні в два рази більшою сумарної площі всіх о творів у всіх встановлених в корпусі (поз.1) пальника керамічних плитках (поз.2). За рахунок конфузорної (що звужується) форми меншого об'єму (порожнини II) забезпечується рівномірне надходження газоповітряної суміші до поверхні керамічних плиток (поз. 2) при різних кута х на хилу корпусу пальника до площини. У основу конструкції корисної моделі, що заявляється були встановлені дослідження і технічні розробки, а також результати експериментальних досліджень, виконані в процесі доведення на "Краматорському заводі Теплоприлад" панельних газових пальників інфрачервоного випромінювання типу ППІВ потужністю 10-60кВт. Як базова модель для випробування різних модифікацій був вибраний пальник потужністю 30кВт. Як еталон порівняння для неї був вибраний газовий пальник інфрачервоного випромінювання ведучої в даній області техніки німецької фірми Schwank GmbH також потужністю 30кВт. Метою порівняльних випробувань різних модифікацій пальника газового інфрачервоного випромінювання було визначення оптимальних конструктивних рішень і технічних параметрів, що забезпечують виконання вимог ДСТУ 2200-93. Випробування проводилися на стенді для проведення приймально-здавальних випробувань встановленою потужністю від 10 до 60кВт з використанням природного газу середнього тиску з теплотою спалювання 8000ккал/м 3 по ГОСТ 5542-87. Стенд для випробування пальників складається з рами, на якій змонтовані: вузол кріплення пальника, що випробовується, система газопроводів і пульт управління з розводкою електроживлення. Для проведення випробувань стенд укомплектований контрольно-вимірювальними приладами: 1. Лічильник газовий CALLUS 2000; 2. Манометр U-подібний з межею вимірювання ± 400мм вод. ст.; 3. Газоаналізатор TESTO 300; 4. Секундомір; 5. Пірометр візуальний з межею вимірювань 700-1200°С; 6. Радіометр енергетичної освітленості цифровий РАТ-2П; 7. Термометр термоелектричний цифровий ТТ-Ц016П з межею вимірювань до 600°С. Встановлені прилади дозволяють визначити в процесі випробування всі необхідні дані для перевірки основних параметрів і розмірів пальника (температура поверхні, що випромінюється, температура корпусу, зміст шкідливих викидів), а також розрахувати втрати тепла і коефіцієнт корисної дії пальника. Всі вимірювання проводилися після роботи пальника на номінальній тепловій потужності протягом не менш 15 хвилин. Головною метою випробувань була перевірка показників роботи пальника в різних положеннях її установки: від горизонтального розташування випромінюючої поверхні до вертикального. Крім того, були перевірені конструктивні рішення, що забезпечують необхідне співвідношення газ-повітря, що в свою чергу забезпечує мінімальні викиди з газами, що відходять і ефективне використання природного газу. Для цієї мети використовувалися діафрагми, які встановлювалися на всмоктуванні інжектуємого повітря. Була перевірена робота пальників, не тільки в різних положеннях випромінюючої поверхні, але і робота пальника з розташуванням вузла підготовки і подачі газоповітряної суміші у верхній і нижній частинах розподільної камери пальника (по вертикалі). Виміряні в процесі випробувань параметри роботи пальників використовувалися для проведення на їх основі розрахунків тепловтрат і ККД. Як ілюстрація приведена залежність, отримана для чотирьох конструктивних варіантів пальників потужністю 30кВт на близьких режимах по витраті газу і для шести положень через 15° в діапазоні кутів 0-90°; де: фіг.3 залежність променистого ККД від кута розташування випромінювача; фіг.4 залежність вмісту в продукта х спалювання оксидів NO від кута розташування випромінювача; фіг.5 залежність коефіцієнта надлишку повітря від кута розташування випромінювача. На фігурах позначкою ромба показані дані по ППІВ-30 німецької фірми "Schwank": отвір сопла 4,55мм; діафрагма на вході в конфузор відсутня; тиск газу перед соплом 130мм водяного стовпа; витрата газу 3,26м 3/годину. На графіках позначкою квадрата - показані дані по ППІВ-30, варіант №1 з верхнім розташуванням вузла підготовки і подачі газоповітряної суміші в коробі розподільної камери: діаметр сопла 4,2мм; діаметр діафрагми на вході в конфузор 65мм; тиск газу перед соплом 190мм вод. ст.; витрата газу 3,24м 3/годину. На графіках позначкою трикутника показані дані по ППІВ-30, варіант №2 з нижнім розташуванням вузла підготовки і подачі газоповітряної суміші в коробі розподільної камери: діаметр сопла 4,2мм; діаметр діафрагми на вході в конфузор 65мм; тиск газу перед соплом 190мм вод. ст.; витрата газу 3,24м 3/годину. На графіках позначкою хрест -X- показані дані по ППІВ-30, варіант №3 з нижнім розташуванням вузла підготовки і подачі газоповітряної суміші; діафрагма на вході в конфузор відсутня; витрата газу 3,32м 3/годину. Порівняння аналогічних параметрів всіх пальників, що досліджуються дозволяє встановити, що: - загальним для всіх випробуваних пальників є погіршення показників їх роботи при переході від горизонтального розташування випромінюючої поверхні до вертикального. Зростає коефіцієнт надлишку повітря ((альфа)( і, як наслідок, зниження ККД як променистого, так і загального;)) - значення змісту СО і NOx в нерозбавлених продуктах згоряння при цьому знижується (збільшення ( забезпечує краще згоряння);) - з трьох випробуваних пальників (крім пальника фірми "Schwank" ) найбільш нестійку роботу при зміні кута установки показав пальник №1 вузол підготовки і подачі газоповітряної суміші розташований вгорі корпуси (значне зростання a;) - пальник №3 і №2 працюють стійко, показники яких трохи відрізняються від показників пальника фірми "Schwank". На основі сказаного можна зробити висновок: 1. Пальник по варіанту №2 з тиском перед соплом 190мм вод. ст., а особливо пальник по варіанту №3 з тиском 130мм вод. ст., працюють стійкіше за пальник по варіанту №1. Нижнє розташування вузла підготовки і подачі газоповітряної суміші потрібно вважати переважним для вибраної конструкції. 2. Показники пальників по варіантах №№2 і 3 не поступаються показникам пальника фірми "Schwank", що говорить про їх те хнічний рівень. Отримані дані по стійкості процесу горіння і можливості регулювання його при різних кутах нахилу випромінювачів до горизонту в діапазоні 0-90° підтверджують перспективність варіантів №№2,3 для застосування в газопальникових пристроях інфрачервоного випромінювання потужністю 10-60кВт. Таким чином, подані дані свідчать про новину і високий науково-технічний рівень розробки ППІВ, придатного для промислового виготовлення і використання в різних умовах.