Гибко регулируемая прямоточная горелка с камерой завихрения

008661 Настоящее изобретение относится к горелке с внешним смешением, имеющей головку, а также по меньшей мере одну трубку для подачи горючего газа и по меньшей мере одну трубку для подачи кислородсодержащего газа, выходные отверстия которых находятся в головке горелки. Изобретение относится далее к способу управления работой горелки с внешним смешением, которая имеет по меньшей мере одну трубку для подачи горючего газа и по меньшей мере одну трубку для подачи кислородсодержащего газа, по которым поток горючего газа, соответственно поток кислородсодержащего газа, поступает в головку горелки. Горелки с внешним смешением используются в самых разнообразных областях. Так, например, для нагревания и расплавления металлов или стекла используют множество горелок различного конструктивного исполнения. Однако в настоящее время не существует горелки, которую можно было бы использовать на всех стадиях процесса плавления и при различных нагрузках печи. Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать горелку, которая допускала бы возможность ее эффективного применения во многих областях и на любой стадии того или иного процесса. Поставленная в изобретении задача решается благодаря тому, что у горелки предусмотрены газоподводящие трубопроводы для горючего газа и кислородсодержащего газа, которые соединены с источниками горючего и кислородсодержащего газов соответственно и по меньшей мере один из которых эксцентрично входит в камеру завихрения, которая расположена между газоподводящим трубопроводом для горючего газа и трубкой для подачи горючего газа и/или между газ оподводящим трубопроводом для кислородсодержащего газа и трубкой для подачи кислородсодержащего газа. В одном из предпочтительных вариантов выполнения предлагаемой в изобретении горелки по меньшей мере один из газоподводящих трубопроводов разветвляется по ходу потока перед камерой завихрения на два трубопровода, один из которых эксцентрично входит в камеру завихрения, а другой из них непосредственно входит в трубку для подачи горючего газа, соответственно в трубку для подачи кислородсодержащего газа. В особенно предпочтительном варианте выполнения предлагаемой в изобретении горелки в газоподводящих трубопроводах, прежде всего в той их части, которая расположена за местом разветвления по меньшей мере одного из них на два трубопровода, предусмотрены клапаны, с которыми функционально связано устройство управления степенью их открытия или регулирования степени их открытия,изменение которой позволяет регулировать форму пламени горелки. Указанные клапаны целесообразно выполнять в виде электромагнитных клапанов. Такие электромагнитные клапаны позволяют дискретно изменять форму пламени. При повышенных же требованиях к регулированию формы пламени вместо части или вместо всех электромагнитных клапанов можно использовать регулирующие клапаны. Подобные регулирующие клапаны позволяют плавно изменять форму пламени. В предпочтительном варианте камера завихрения имеет в поперечном сечении плоскостью, перпендикулярной продольной оси трубки для подачи горючего газа, круглую форму. В особенно предпочтительном варианте газоподводящий трубопровод тангенциально входит в камеру завихрения. Эти варианты по отдельности позволяют уменьшить, а совместно - минимизировать трение закрученного потока. В отношении способа указанного в начале описания типа поставленная в изобретении задача решается благодаря тому, что горючий газ и/или кислородсодержащий газ эксцентрично подают в камеру завихрения, в которой поток горючего газа, соответственно поток кислородсодержащего газа подвергают закрутке и после выхода из которой горючий газ, соответственно кислородсодержащий газ направляют в трубку для подачи горючего газа, соответственно в трубку для подачи кислородсодержащего газа. В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа управляют расходом и/или регулируют расход подаваемых в единицу времени в горелку через камеру завихрения и не через нее горючего и кислородсодержащего газов, подавая их при этом через клапаны,степенью открытия которых управляют или степень открытия которых регулируют таким образом, чтобы формируемое горелкой пламя имело требуемую и настраиваемую путем управления и/или регулирования форму. Топливно-кислородные горелки часто используют, например, для огневого разогрева промышленных печей, в которых расплавляют металлы или стекло. При сжигании топлива в смеси с воздухом содержащийся в нем в качестве его основного компонента азот является балластным газом. Поэтому для сокращения объема образующихся при сгорании горючей смеси отходящих газов в горелках в качестве окислителя стали использовать кислородсодержащий газ, содержание кислорода в котором превышает содержание кислорода в воздухе. Связанное с этим преимущество состоит в повышении температуры пламени благодаря сниженному содержанию азота в горючей смеси и в уменьшении теплосодержания отработавших газов, что позволяет повысить термический КПД и эффективно сократить количество образующихся при сгорании горючей смеси оксидов азота. Для применения в качестве окислителя согласно изобретению пригоден и воздух, и кислородсо-1 008661 держащий газ с повышенным по сравнению с воздухом содержанием кислорода. Преимущество, связанное с использованием воздуха в качестве окислителя, состоит в его постоянной и бесплатной доступности. Преимущества же, связанные с повышенным содержанием кислорода в окислителе, уже рассмотрены выше. В принципе в качестве кислородсодержащего газа можно использовать и воздух. Воздух представляет собой бесплатный, повсеместно доступный окислитель. В соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения в качестве кислородсодержащего газа используют обогащенный кислородом воздух. Преимущество, связанное с использованием обогащенного кислородом воздуха, состоит в том, что он все еще остается достаточно дешевым окислителем и вместе с тем уже частично обладает преимуществами, связанными с применением кислорода для сжигания топлива и заключающимися в пониженном по сравнению с воздухом содержанием в нем азота и возможности достижения более высокой температуры горения. Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения в качестве кислородсодержащего газа используют газ, содержание кислорода в котором превышает содержание кислорода в воздухе, прежде всего превышает 30 об.%. Описанные непосредственно выше преимущества, которые для процесса горения обеспечивает присутствие кислорода в окислителе, в этом варианте осуществления изобретения проявляются более ярко. В особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения в качестве кислородсодержащего газа предлагается использовать газ, содержание кислорода в котором превышает 70 об.%, прежде всего превышает 99,5 об.%. В этом варианте преимущества, обеспечиваемые присутствием кислорода в окислителе, проявляются в максимальной степени, однако при этом возрастают затраты на окислитель, и поэтому на практике в каждом конкретном случае необходимо достаточно тщательно оценивать, какое именно содержание кислорода в соответствующем газе является технически целесообразным или необходимым и экономически оправданным. В предпочтительном варианте закрутке предлагается подвергать поток горючего газа. Связанное с этим преимущество состоит в эффективном перемешивании горючего газа с кислородом при формировании несколько укороченного пламени. В другом предпочтительном варианте закрутке предлагается подвергать поток кислородсодержащего газа. Преимущество этого варианта также состоит в некотором укорачивании пламени и некотором упрощении конструкции горелки и тем самым в упрощении ее изготовления. В наиболее предпочтительном варианте предлагается подвергать поток горючего газа и поток кислородсодержащего газа однонаправленной закрутке. Достигаемое при этом преимущество заключается в формировании исключительно короткого и спокойного пламени. В другом варианте осуществления изобретения поток горючего газа и поток кислородсодержащего газа предлагается подвергать разнонаправленной закрутке. Этот вариант рекомендуется использовать при необходимости создания предельно короткого, разветвляющегося пламени. Существенное преимущество изобретения состоит в возможности плавного изменения длины пламени (без необходимости изменять расход горючего газа при работе горелки). При этом отсутствует также необходимость внесения конструктивных изменений в горелку (например, смены форсунок). Так,в частности, предлагаемое в изобретении решение позволяет уменьшать мгновенную длину пламени до одной трети от его максимально возможной длины. Предлагаемое в изобретении решение наиболее пригодно для использования в процессах расплавления твердого материала до жидкого состояния, поскольку в таких процессах происходит изменение формы плавящихся материалов, с которым можно согласовать форму пламени. Еще одно существенное преимущество изобретения состоит в возможности плавного изменения длины пламени и в возможности начать, а также вновь прекратить непосредственно в процессе работы горелки закрутку потоков газов без необходимости выключения горелки и внесения в нее каких-либо конструктивных изменений, таких, например, как смена обычного дискового завихрителя. Форму же пламени варьируют, изменяя режим истечения по меньшей мере одного из обоих потоков газов исключительно путем регулирования степени открытия описанных выше клапанов с помощью предусмотренного изобретением устройства управления или регулирования. Предлагаемая в изобретении горелка с внешним смешением наиболее пригодна для расплавления металлов или стекла. Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере одного из вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано на фиг. 1 - предлагаемая в изобретении горелка; на фиг. 2 - разрез горелки плоскостью А-А и на фиг. 3 - разрез горелки плоскостью В-В. На прилагаемых к описанию чертежах, в частности, показана горелка 1 с головкой 2, трубкой 4 для подачи кислородсодержащего газа и трубкой 3 для подачи горючего газа (на фиг. 1 не показана). Обе трубки расположены концентрично друг другу, и, в частности, трубка 3 для подачи горючего газа расположена внутри трубки 4 для подачи кислородсодержащего газа. Горелку 1 подобной конструкции назы-2 008661 вают также прямоточной горелкой. В качестве горючего газа в такой горелке используется, например,природный газ. Ниже в качестве примера рассмотрена работа горелки 1 в режиме с однонаправленной закруткой обоих газовых потоков. Природный газ при открытом клапане 10 поступает из газоподводящего трубопровода 6 по трубопроводу 6 а в камеру 8 завихрения. В ней происходит закрутка потока природного газа. Клапан 11 при этом закрыт. Обогащенный кислородом воздух поступает по газоподводящему трубопроводу 7 и трубопроводу 7 а в камеру 9 завихрения. В ней поток обогащенного кислородом воздуха закручивается в одном с потоком природного газа направлении. Клапан 12 при этом открыт, а клапан 13 закрыт. Выходящий из камеры 9 завихрения поток обогащенного кислородом воздуха попадает в трубку 4. Поток же природного газа попадает из камеры завихрения в трубку 3. На выходе из головки 2 горелки оба потока газов смешиваются между собой с образованием горючей смеси, при сгорании которой возникает характерное пламя. Форма возникающего при сгорании горючей смеси пламени зависит непосредственно от того, закрыт или открыт каждый из клапанов 10, 11,12 и 13. При подаче потока горючего газа в головку горелки, например, при открытом клапане 11 и закрытом клапане 10, т.е. без закрутки потока природного газа, пламя удлиняется. При этом пламя удлиняется по сравнению с пламенем, возникающем в рассмотренном выше примере с закруткой обоих потоков газов. Равным образом закручивать можно только поток природного газа, а поток кислородсодержащего газа можно без закрутки подавать в трубку 4 по трубопроводу 7b через открытый клапан 13. При выполнении клапанов 10, 11, 12 и/или 13 в виде регулирующих клапанов их затворы можно устанавливать в промежуточные положения, т.е. можно регулировать степень открытия этих клапанов. Подобная возможность позволяет плавно регулировать или изменять форму пламени. Изменение формы пламени в процессе работы горелки 1 осуществляется без каких-либо проблем устройствами управления клапанами 10, 11, 12, 13 или устройствами их регулирования. Форма пламени не должна зависеть от расхода подаваемых в горелку горючего и кислородсодержащего газов. Единожды выбранный расход этих газов остается постоянным в процессе работы горелки. Изменение формы пламени от короткой, разветвляющейся и широкой до удлиненной и узкой осуществляется лишь путем выбора состояний каждого из клапанов 10, 11, 12, 13, т.е. позиции затворов в них. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Горелка (1) с внешним смешением, имеющая головку (2), а также по меньшей мере одну трубку(3) для подачи горючего газа и по меньшей мере одну трубку (4) для подачи кислородсодержащего газа,выходные отверстия которых находятся в головке (2) горелки, отличающаяся тем, что предусмотрены газоподводящие трубопроводы (6, 7) для горючего газа и кислородсодержащего газа, которые соединены с источниками горючего и кислородсодержащего газов соответственно, и по меньшей мере один из которых эксцентрично входит в камеру (8, 9) завихрения, которая расположена между газоподводящим трубопроводом (6) для горючего газа и трубкой (3) для подачи горючего газа и/или между гаоподводящим трубопроводом (7) для кислородсодержащего газа и трубкой (4) для подачи кислородсодержащего газа. 2. Горелка (1) по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один из газоподводящих трубопроводов (6, 7) разветвляется по ходу потока перед камерой (8, 9) завихрения на два трубопровода (6 а, 6b,7 а, 7b), один (6 а, 7 а) из которых эксцентрично входит в камеру (8, 9) завихрения, а другой (6b, 7b) из них непосредственно входит в трубку (3) для подачи горючего газа, соответственно в трубку (4) для подачи кислородсодержащего газа. 3. Горелка (1) по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в газоподводящих трубопроводах (6, 7), прежде всего в той их части, которая расположена за местом разветвления по меньшей мере одного из них на два трубопровода (6 а, 6b, 7 а, 7b), предусмотрены клапаны (10, 11, 12, 13), с которыми функционально связано устройство управления степенью их открытия или регулирования степени их открытия, изменение которой позволяет регулировать форму пламени горелки (1). 4. Горелка (1) по одному из пп.1-3, отличающаяся тем, что клапаны (10, 11, 12, 13) выполнены в виде электромагнитных клапанов (10, 11, 12, 13). 5. Горелка (1) по одному из пп.1-4, отличающаяся тем, что камера (8, 9) завихрения имеет в поперечном сечении плоскостью, перпендикулярной продольной оси трубки (3) для подачи горючего газа,круглую форму. 6. Горелка (1) по п.5, отличающаяся тем, что газоподводящий трубопровод (6, 7, 6 а, 7 а) тангенциально входит в камеру (8, 9) завихрения. 7. Способ управления работой горелки (1) с внешним смешением, которая имеет по меньшей мере одну трубку (3) для подачи горючего газа и по меньшей мере одну трубку (4) для подачи кислородсодержащего газа, по которым поток горючего газа, соответственно поток кислородсодержащего газа по-3 008661 ступает в головку (2) горелки, отличающийся тем, что горючий газ и/или кислородсодержащий газ эксцентрично подают в камеру (8, 9) завихрения, в которой поток горючего газа, соответственно поток кислородсодержащего газа подвергают закрутке и после выхода из которой горючий газ, соответственно кислородсодержащий газ направляют в трубку (3) для подачи горючего газа, соответственно в трубку (4) для подачи кислородсодержащего газа. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что управляют расходом и/или регулируют расход подаваемых в единицу времени в головку (2) горелки через камеру (8, 9) завихрения и не через нее горючего и кислородсодержащего газов, подавая их при этом через клапаны (10, 11, 12, 13), степенью открытия которых управляют или степень открытия которых регулируют таким образом, чтобы формируемое горелкой (1) пламя имело требуемую и настраиваемую путем управления и/или регулирования форму. 9. Способ по п.7 или 8, отличающийся тем, что в качестве кислородсодержащего газа используют воздух. 10. Способ по п.7 или 8, отличающийся тем, что в качестве кислородсодержащего газа используют обогащенный кислородом воздух. 11. Способ по п.7 или 8, отличающийся тем, что в качестве кислородсодержащего газа используют газ, содержание кислорода в котором превышает содержание кислорода в воздухе, прежде всего превышает 30 об.%. 12. Способ по п.11, отличающийся тем, что в качестве кислородсодержащего газа используют газ,содержание кислорода в котором превышает 70 об.%, прежде всего превышает 99,5 об.%. 13. Способ по одному из пп.7-12, отличающийся тем, что закрутке подвергают поток горючего газа. 14. Способ по одному из пп.7-13, отличающийся тем, что закрутке подвергают поток кислородсодержащего газа. 15. Способ по одному из пп.7-14, отличающийся тем, что поток горючего газа и поток кислородсодержащего газа подвергают однонаправленной закрутке. 16. Способ по одному из пп.7-14, отличающийся тем, что поток горючего газа и поток кислородсодержащего газа подвергают разнонаправленной закрутке. 17. Применение горелки (1) с внешним смешением по одному из пп.1-6 для расплавления металла или стекла.