HRP20000088A2 - Burner - Google Patents

Description

Ovaj izum odnosi se na plinski gorionik pogodan za upotrebu u pećima za spaljivanje, bojlerima, aparatima za grijanje prostora i pećnicama, pećima ili reaktorima na velike temperature koji se, na primjer, koriste u industriji. Gorionik s držačem plamena također je veoma pogodan za upotrebu u plamenom dimnjaku.

Plin koji se koristi kao gorivo može biti bilo koji gorivi plin koji se obično koristi za plinske gorionike. Na primjer, plin može biti butan, propan, prirodni plin i ugljikovodični plin proizveden plinifikacijom organskih materijala, kao što su komercijalni ili općenito kućanski otpad.

Gorionik opisan u nastavku zamišljen je da osigura potpuno miješanje goriva i zraka ili kisika, te da ih prima u komoru-miješalicu u gorioniku samo u točnom stoihiometrijskom odnosu kojeg gorivo zahtijeva za potpuno sagorijevanje istodobno pružajući stabilan plamen na smanjenoj razini s minimalnim odnosom 60:1.

Preferirani gorionik za sagorijevanje plinskog goriva sastoji se od gorioničke cijevi otvorene na jednoj strani i zatvorene na drugoj, s držačem plamena u kojem gorivo gori uz otvoreni kraj, a držač plamena prepriječen je prolazima za gorivo i zrak koji trebaju biti konzumirani, gorionik ima ulaze uz zatvoreni kraj za zrak ili kisik i za gorivo, a ulazi su opremljeni mjernim izljevima za odvojeno ubacivanje zraka i goriva, u biti radijalno u cijev koja tvori miješajuću zonu između ulaza i držača plamena, dok mjerni izljevi imaju otvore s presječnim područjima koji koreliraju sa stoihiometrijskim odnosom zraka i goriva zbog čega gorivo u potpunosti izgori.

Gorionik ovoga izuma dobro podnosi velike varijacije razine tijeka zraka i plina, tj., ima visok odnos smanjivanja. Konvencionalni gorionici imaju odnos smanjivanja reda 4 ili 5 naprema 1. Tako do vodna razina zraka i goriva može biti smanjena na jednu četvrtinu ili petinu maksimalnoga kapaciteta takvih gorionika. Više smanjivanja rezultiralo bi nestabilnošću plamena; na kraju se plamen istroši i ugasi.

Ovaj izum teži pružiti gorionik s puno višim odnosom smanjivanja. Sukladno tome, pruža gorionik za sagorijevanje plinske mješavine plinskog goriva s pomoćnim plinom, kao što su kisik ili zrak, sastojeći se od gorioničke cijevi otvorene najednom kraju i zatvorene na drugom s držačem plamena na kojem gorivo sagorijeva uz otvoreni kraj, držač plamena prepriječen je prolazima za plinsku mješavinu, gorionik ima ulaze uz zatvoreni dio povezane s dopremnim linijama za pomoćni plin i plinsko gorivo, a jedna od linija ima kontrolni ventil kojim se kontrolira veličina plamena, te ta linija ima i pretvarač pritiska ili tijeka, a druga linija ima varijabilni pojačivač ili smanjivač koji odgovara na pretvarač, radi uravnotežavanja dopreme zraka i goriva u gorionik kako bi osigurali da plinska mješavina ostaje stoihiometrijska bez obzira na veličinu plamena i takva da je najniži odnos tijeka mješavine plinskog goriva najmanje 1/60 od razine najvišeg tijeka mješavine plinskog goriva, svaki prolaz ima plameni izlaz na kraju koji je bliži otvorenom kraju gorionika, svaki prolaz dimenzioniranje tako da se ni pri najvećoj mogućoj razini tijeka mješavine plinskog goriva plamenovi ne dižu iznad držača plamena, a pri najnižoj razini tijeka brzina mješavine plinskog goriva u nekom trenutku u prolaska dovoljna je da spriječi povratak plamena kroz držač plamena.

Gorionik iz ovog izuma predstavlja znatan napredak u odnosu na dosadašnju kvalitetu gorionika utoliko što gorionik pruža stabilan plamen na držaču plamena i pri smanjenoj razini, a ipak može pružiti povećanje od 60 puta tijeka plinskog goriva i pomoćnog plina što može pružiti dovoljno velike pritiske da omogući, pri visokoj razini tijeka, dovoljan pad pritiska na prolaze držača plamena kako bi postigao zahtjevanu razinu tijeka.

Gorionik ovog izuma može pružiti odnos smanjenja reda 60:1, te se tako održava stabilan plamen čak i kad je dovod zraka i goriva smanjen na jednu šezdesetinu maksimalnog kapaciteta.

Tako velik odnos smanjivanja ima i velike prednosti, jer je moguće kontrolirati izlaz topline u širokom rasponu. Štoviše, ovakav gorionik idealan je za upotrebu u situacijama gdje opskrba plinom varira, kao što se može dogoditi u slučaju plamenih dimnjaka.

Ulazi mogu biti opremljeni mjernim izljevima radi odvojene isporuke zraka i goriva neaksijalno, npr. bitno radijalno u cijev koja tvori mješajuću zonu između ulaza i držača plamena, a mjerni izljevi imaju otvore s presječnim područjima tijeka suodnosnima sa soihiometrijskim odnosom zraka i goriva, zbog čega u biti gorivo izgori u potpunosti.

Preferira se da su ulazi smješteni u cijevi radi isporuke zraka i goriva u smjerovima koji se sudaraju, tako da se stvara turbulencija i miješanje unutar cijevi, na primjer smještanjem ulaza dijametralno suprotno jedan naprema drugom unutar cijevi.

Zgodno je što držač plamena omogućava da na njega bude postavljen upaljač sa uzemljavajućom elektrodom, te, po želji, može biti i postolje za ionizatorsku sondu.

Gorionik po mogućnosti uključuje monitorni i kontrolni sustav sa sondom, radi prekidanja dovoda goriva dogodi li se da neizgoreni ugljik prijeđe predviđenu razinu.

Pri ovakvom ostvarenju može se postaviti i ventil u liniji za dovod zraka te pojačivač ili smanjivač u liniji za gorivo, ili se postavi ventil na liniji za gorivo, a ventilator promjenjive brzine na zračnoj liniji.

Držač plamena može se sastojati od dva ili više radijalno usađenih cjevčica, te da svaki par susjednih cjevčica tvori time jedan od navedenih prolaza držača plamena za plinsko gorivo, ali i drugi načini određivanja prolaza mogu se upotrijebiti, primjerice nekolicinom rupa na disku.

Cjevčice (30a, 30b, 30c) mogu biti u položaju relativnom jedna prema drugoj pomoću jednog ili više poprečnih klinova (33) te uključivati središnju rupu s platnenim izlazom.

Svaki plameni izlaz može svoj terminalni dio imati definiran unutarnjim i vanjskim cilindričnim zidovima koji su paralelni sa longitudinalnom osovinom držača plamena.

Sad ćemo opisati gorionik ovog izuma, isključivo putom primjera, uz pozive na priložene crteže, na kojima:

Nacrt 1. je stražnji pogled na gorionik, uključujući ostvarenje držača plamena sukladno ovom izumu;

Nacrt 2. je uzdužni presjek gorionika s Nacrta 1., na crti II - II Nacrta 1; i

Nacrt 3. je uzdužni presjek kraja držača plamena gorionika s Nacrta 1, na crti III – III Nacrta 1.

Gorionik 10 ilustriran na crtežima sadrži cjevastu kutiju od toplinski otpornoga materijala kao stoje nehrđajući čelik, te ima montažnu flanšu 13 na kojoj se učvršćuje upaljivač koji nije prikazan. Upaljivački aparat može biti bojler, neka plinska naprava za grijanje prostora, peć ili plameni dimnjak, na primjer.

Prednji kraj 11' gorionika otvorenje da bi otuda plamen izlazio, dok je suprotni, stražnji kraj 11" zatvoren i zapečaćen sintetičkim prozorom 12.

Uz stražnji kraj nalaze se ulazi 14 i 16 za zrak (kisik) i gorivo, tj., gorivi plin. Ulazi 14 i 16 iznutra su spiralno vlaknasti kako bi se na njih mogle spajati odgovarajuće opskrbne linije zraka ili goriva.

Ulaz za gorivo 16 manji je od zračnog ulaza 13. Oba ulaza 14, 16 iznutra su spiralno vlaknasti te u sebi imaju mjerne izljeve 18, 20. Mjerni izljev 18 ima rupu 22 koja je bitno većeg promjera nego rupa 24 mjernog izljeva 20.

Poprečni presjeci područja tijeka rupa 22, 24 u odnosu su koji odgovara stoihiometrijskom odnosu goriva i zraka, po kojem zapaljivo gorivo biva u potpunosti oksidirano, tj. izgori. Da bi došlo do potpunog izgaranja, različita goriva traže različite količine zraka (ili kisika), te će stoga stoihiometrijski varirati od jednog do drugog goriva.

Zato se razmišlja da izljevi 18, 20 budu sukladni stoihiometrijskim zahtjevima pojedinog goriva koje treba izgorjeti. Tako bi jedan ili oba izljeva 18, 20 bili promijenjeni da odgovaraju gorivu svaki put kad se promijeni izgarajuće gorivo kako bi se maksimizirala efikasnost izgaranja, a plinovi da budu dopremani izljevima 18 i 20 pod istim pritiskom kako bi tijek goriva i zraka bio proporcionalan rupama 22, 24 izljeva 18, 20, a ti će se uvjeti jednakoga pritiska podrazumijevati u nastavku opisa.

Zahtijevani odnos poprečnog presjeka područja tijeka rupa 22, 24 reda je 10:1 za goriva koji sadrže ugljikovodične plinske mješavine, na zračnim i plinskim pritiscima reda 30" vodomjere (76 mbr). Usporedbom, postojeći gorionici pod pritiskom mogu djelovati na 2-3" vodomjere (5,1-7,6 mbar). Standardni komercijalni gorionici obično rade na 0,5" vodomjere (1,3 mbar) zračnog pritiska i 2" vodomjere (5,1 mbar) plinskog pritiska.

Unutar gorioničke kutije 11 nalazi se fiksirani držač plamena 30 sukladno ovom izumu izrađen od koaksijalnih čeličnih prstenova. Držač plamena 30 u biti definira prstenaste mlaznice iz kojih izlazi mješavina goriva i zraka. Postoji i upaljač iskrom da bi se mlaznice upalile. Upaljač se sastoji od iskreće elektrode 32 i uzemljujuće elektrode 34. Elektroda 32 je elektroizolirana od držača plamena 30. Elektrode 32 i 34 protežu se prema natrag do i kroz prozor do svojih terminala 36, 38 da bi bili povezani s izvorom struje.

Držač plamena 30 sačinjen je od tri koaksijalne cijevi 30a, 30b, 30c smještene u fiksnim razmacima pomoću aksijalno razmaknutih, poprečnih brončanih klinova 33 (vidi Nacrt 3.) koji su postavljeni u poredanim dijametralnim rupama kroz cijevi 30a, 30b, 30c. Držač plamena, kao jedinica, utvrđen je i smješten unutar kutije gorionika 11 pomoću klinova 31.

Cijevi 30a, 30b, 30c dimenzionirane su i konfigurirane kako bi pružile relativno uske prstenaste prolaze 52, 54, 56 i 58 između cijevi 30a i kutije gorionika 11 između cijevi 30a i 30b, između cijevi 30b i 30c te između cijevi 30c i elektrode 30. Svi ovi prolazi imaju plamene izlaze 60 na kraju držača plamena 30 bliže otvorenom kraju 11' cijevi gorionika 11.

Tri cijevi nalaze se na ilustraciji ostvarenja, ali izabrani broj, od jedan naviše, određenje maksimalnom izlaznom snagom koju zahtijeva gorionik 10.

Svaka od cijevi 30b i 30c ima par uzdužnih polucilindričnih žljebova uz pomoć kojih se stvaraju dva općenito cilindrična prolaza za ulaganje i zadržavanje elektrode 32 i sonde 40, kako je prikazano na Nacrtu l, a ostatak prstenastog prolaza između cijevi 30b i 30c isti je kao između cijevi 30a i 30b, kako je i vidljivo na Nacrtu 3.

Prolazi i plameni izlazi dimenzionirani su tako da je na maksimalnoj zacrtanoj razini tijeka zapaljive mješavine plamen zadržan na držaču plamena i da pri najnižoj zacrtanoj razini tijeka zapaljive mješavine brzina zapaljive mješavine kroz uske dijelova prolaza 52 i 58 dovoljna da spriječi "povratak plamena", tj. povratno prenošenje plamena u komoru za miješanje.

Također izolirano smještena u držaču plamena 30 nalazi se ionizacijska sonda 40 koja se opet proteže unatrag kroz ploču 12 do terminala 42. Upotrebom ionizacijske sonde 40 i uzemljavajuće elektrode 38, ugljični sadržaj plamena može se nadzirati. Ako se otkrije da je ugljični sadržaj niži od predviđene razine, što ukazuje na neadekvatno sagorijevanje, monitor se može na poznati način urediti da pokrene kontrolni sustav koji prekida dovod goriva. Tako se može ugasiti plamen.

U konvencionalnim ispušnim plinskim gorionicima, plinsko gorivo izbacuje se iz izljeva na kraju gorioničke cijevi, a plamen se tamo i upali. Plin se prenosi do izljeva putom aksijalno postavljene vodilice unutar cijevi. Zrak potreban za sagorijevanja dolazi pomoću zračnog ventilatora, kroz otvore na cijevi, gore do izljeva. Zrak se miješa s plinom koji izlazi iz izljeva na mjestu paljenja.

Da bi sagorijevanje bilo potpuno i stoihiometrijski, zrak i plin moraju biti pomiješam u točnim volumenskim razmjerima. Gdje se jedan plin uštrcava u drugi, kao kod konvencionalnih ispušnih gorionika, sagorijevanje nije uvijek najefikasnije, budući da se miješanje događa istodobno kad i sagorijevanje. Rezultat toga je da miješanje zraka i goriva nije potpuno. Doslovno je nemoguće postići točnu stoihiometriju zraka i goriva preko plamena. Tako se primijeti da plamen mjestimično ima očito drugačiju boju vatre, što ukazuje na loše miješanje, variranje stoihiometrije i nesavršeno izgaranje goriva. Suprotno tome, s gorionikom sukladno ovom izumu, plamen koji izlazi iz držača plamena 30 očito je bitno jednake boje po cijeloj plamenoj fronti, jednako svijetloplavi, uz tek poneku žućkastu zonu. Plamen takvog izgleda praktična je realizacija idealnog plamena, gdje gorivo doslovno u potpunosti izgori.

Vjeruje se daje potpuno sagorijevanje koje postiže gorionik 10 rezultat dva obilježja gorionika. Prvo, gorivo i zrak unose se u točnom stoihiometrijskom odnosu kojeg prvenstveno određuju veličine rupa 22, 24 izljeva 18, 20. Drugo, vidi se na crtežu da rupe na izljevima 18, 20 uvode zrak i gorivo u kućište gorionika kao kontra-tekuće mlazove, tj. dva se mlaza sudaraju. Kako je prikazano, izljevi imaju dijametralno nasuprotne mlaznice. Takvi sudarajući mlazovi omogućuju veoma djelotvorno početno miješanje u kućištu gorionika. U biti, visokoturbulentni tijekovi stvaraju se na stražnjem kraju kućišta 11, što pruža komoru za miješanje znatne dužine između izljeva 18, 20 i izlaznog kraja držača plamena 30. Kad gorivo i zrak izljevima 18, 20 dođu do držača plamena 30, oni su već u potpuno izmiješanom stanju, idealnom za pravilno i potpuno sagorijevanje.

Rad i proizvodnja gorionika 10 može se kontrolirati na razne načine. Poželjno je da dovod zraka ima kontrolni ventil a linija dovoda zraka sadržavat će prijenosnik tijeka ili pritiska. To će zauzvrat kontrolirati balanser goriva, tj. pojačivač ili smanjivač plina. Ta će oprema zainteresiranima biti poznata, pa je ovdje nećemo detaljno opisivati. Dovoljno je pak reći daje cilj kontrolnog sustava uravnotežiti pritisak i tijek plina i zraka prema gorioniku 10, kako bi održali željenu stoihiometriju pri smanjivanju gorionika upotrebom zračnog kontrolnog ventila. S takvim postavom, jedini ventil kojim treba djelovati je zračni kontrolni ventil.

Alternativno, gorionik može biti kontroliran jednim ventilom koji djeluje na plinsku dovodnu liniju. U tom slučaju, pritisak ili tijek goriva određen je prijenosnikom koji se upotrebljava za kontrolu zračnog pritiska ili tijeka. Primjer - zračni pritisak ili tijek može se mijenjati upotrebom odgovarajućeg ventilatora ili fena s više brzina. Kod instalacija koje imaju više od jednog gorionika, kao kod industrijskih bojlera, razmišlja se da zrak i plinsko gorivo oboje dolaze pod velikim pritiskom. Tada bi samo naprave za balansiranje bile potrebne da osiguraju kako bi svi gorionici primali zrak i gorivo u ispravnim volumetrijskim odnosima.

Gorionik 10 kako je opisan može biti postavljen sam u malim aparatima, kao što su kućanski ili mali komercijalni sustavi za grijanje, ili pećnicama i roštiljima. U većim, industrijskim sustavima, peć, bojler, reaktor ili slično mogu trebati više ovakvih gorionika 10, koji bi bili najbolja dopuna običnim cijevima za zrak i gorivo. Gorionik 10 prikazan na crtežu gori izuzetno tiho, zahvaljujući veoma stabilnom plamenu. Za primjer, jedan takav gorionik ima ukupnu dužinu od 275 mm i promjer od 76 mm. Buka koju stvara manja je od one koju proizvodi ventilator koji donosi zrak potreban za sagorijevanje.

Claims (14)

1. Gorionik za sagorijevanje plinske mješavine plinskoga goriva s pomoćnim plinom, kao što je zrak ili kisik, sastojeći se od gorioničke cijevi (11) otvorene najednom kraju (11') i zatvorene na drugom (11"), s držačem plamena (30) na kojem gorivo izgara uz otvoreni kraj (11'), a držač plamena (30) prepriječen je prolazima (52, 54, 56, 58) za plinsku mješavinu, gorionik (10) ima ulaze (14, 16) uz svoj zatvoreni kraj (11") povezane sa do vodnim linijama za pomoćni plin i plinsko gorivo, od kojih jedna ima kontrolni ventil kojim se kontrolira veličina plamena, te ta rečena linija ima prijenosnik pritiska ili tijeka, dok druga ima varijabilni pojačivač ili smanjivač koji odgovara prijenosniku, radi uravnotežavanja zraka i goriva dovođenog u gorionik (10) kako bi osigurali da plinska mješavina ostane stoihiometrijska bez obzira na veličinu plamena te takva daje najniža razina mješavine plinskog goriva najmanje 1/60 najveće razine tijeka mješavine plinskog goriva, svaki prolaz (52, 54, 56, 58) ima plameni izlaz (60) na kraju bližem otvorenom kraju (11') gorionika (11), svaki prolaz dimenzioniranje tako da se pri najvećoj mogućoj razini tijeka mješavine plinskog goriva plamenovi ne dižu iznad držača plamena, a na najnižoj razini tijeka brzina mješavine plinskog gorive u datom trenutku unutar prolaza (52, 54, 56, 58) dovoljna je da spriječi povratak plamena do držača plamena.

2. Gorionik prema zahtjevu nekog od prethodnih zahtjeva na kojem ulazi (14, 16) imaju mjerni izljev (18, 20) za odvojenu neaksijalnu dopremu zraka i goriva, npr. radijalno u cijev (11) što tvori zonu miješanja između ulaza (14, 16) i držača plamena (30), mjerni izljevi imaju otvore (22, 24) s presječnim zonama tijeka suodnosnima prema stoihiometrijskim odnosom zraka i goriva zbog čega u biti gorivo sagorijeva u potpunosti.

3. Gorionik sukladno zahtjevu 2., gdje su ulazi (14, 16) smješteni u cijevi (11) radi isporuke zraka i goriva u smjerovima koji se sudaraju, radi stvaranja turbulencije i miješanja unutar cijevi.

4. Gorionik sukladno zahtjevu 3., gdje su ulazi (14, 16) smješteni dijametralno suprotno jedan prema drugom u cijevi (11).

5. Gorionik sukladno bilo kojem od zahtjeva 1.-4., gdje je odnos presječnih područja tijeka otvora (22, 24) 10 naprema 1.

6. Gorionik sukladno bilo kojem od zahtjeva 1.-5., gdje držač plamena (30) služi za montiranje upaljača (32) i pripadajuće uzemljujuće elektrode (34).

7. Gorionik sukladno zahtjevu 6., gdje držač plamena (30) nadalje služi za montiranje ionizacijske sonde (40) radi otkrivanja nesagorenog ugljika u plamenu.

8. Gorionik sukladno zahtjevu 7., u kombinaciji s monitornim i kontrolnim sustavom uz sondu (40), služeći za prekidanje dovoda goriva dogodi li se da nesagoreni ugljik premaši predviđenu razinu.

9. Gorionik sukladno zahtjevu 8., gdje se ventil nalazi na liniji dovoda zraka, a pojačivač ili smanjivač na liniji dovoda goriva.

10. Gorionik sukladno zahtjevu 9., gdje se ventil nalazi na liniji dovoda goriva, a ventilator promjenjive brzine na zračnoj liniji.

11. Gorionik prema zahtjevu iz bilo kojeg od prethodnih zahtjeva koji se sastoji od dvije ili više radijalno postavljene cjevčice od kojih svaki par susjednih cjevčica tvori između sebe jedan od navedenih prolaza držača plamena (30) za plinsko gorivo.

12. Gorionik prema zahtjevu 11., u kojem se cjevčice (30a, 30b, 30c) nalaze u položaju relativnom jedna prema drugoj pomoću jednog ili više poprečnih klinova.

13. Gorionik prema zahtjevu 12., uključujući središnju rupu s plamenim izlazom.

14. Gorionik prema bilo kojem od zahtjeva 10.-l3., u kojem svaki plameni izlaz ima svoj terminalni dio definiran unutarnjim i vanjskim cilindričnim zidovima koji su paralelni s uzdužnom osovinom držača plamena.