Патент на изобретение №2315239

(54) ФАКЕЛЬНАЯ ГОРЕЛКА

(57) Реферат:

Изобретение относится к газогорелочным устройствам, работающим с использованием эффекта Коанда, и может быть применено, например, в газовой промышленности для сжигания продувочных газов ремонтируемых скважин. Факельная горелка содержит корпус с соосно установленной трубой, снабженной по периферии участка, выведенного за пределы корпуса, рассекателем в виде тела Коанда, размещенным с зазором относительно верхнего торца корпуса, при этом участок трубы, выведенный за пределы корпуса, выполнен в виде сопла Лаваля. Внутри трубы установлены полые профилированные тела, каждое из которых имеет одно минимальное проходное сечение, причем число полых профилированных тел определено из соотношения n=Р_вх/Р_вых·k, где n – число полых тел; Р_вх – давление на входе в трубу; P_вых – давление на выходе из трубы (атмосферное); k – коэффициент восстановления полного давления, равный 0,7-0,8. Площадь минимального проходного сечения каждого последующего тела больше площади минимального проходного сечения предыдущего. Полые профилированные тела выполнены либо в виде сопел Лаваля, либо в виде чередующихся конфузоров и диффузоров, либо в виде ряда конфузоров, установленных с определенным шагом. Изобретение позволяет обеспечить улучшенные условия смесеобразования и максимально возможную полноту сгорания газов с уменьшенным шумом и вибрациями при работе горелки. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к газогорелочным устройствам, работающим с использованием эффекта Коанда, и может быть применено, например, в газовой промышленности для сжигания продувочных газов ремонтируемых скважин.

Одной из проблем, возникающих при сжигании продувочных и попутных газов, особенно содержащих конденсат и сероводородные соединения, является обеспечение максимально возможной полноты сгорания газов, получение продуктов сгорания с минимальным содержанием сероводородных соединений, не превышающих предельно допустимые нормы и уменьшение шума при работе горелки.

Известна горелка, содержащая корпус с соосно установленной трубой, снабженной по периферии участка, выведенного за пределы корпуса, рассекателем в виде тела Коанда, размещенным с зазором относительно верхнего торца корпуса, при этом в трубе дополнительно установлена отсасывающая трубка, нижний конец которой выведен в корпус, и на участке трубы, размещенном в корпусе, выполнено уширение с отверстиями по его образующей, при этом отношение площади зазора к площади выходного сечения трубы составляет 0,75-1,3 (А.с. СССР №643719 от 06.01.77. МКИ F23D 13/20).

Недостатками известной горелки является неполное сгорание газа и конденсата, повышенное содержание вредных примесей в продуктах сгорания.

Известной и наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является горелка, содержащая корпус с соосно установленной трубой, снабженной по периферии участка, выведенного за пределы корпуса, рассекателем в виде тела Коанда, размещенным с зазором относительно верхнего торца корпуса, при этом в трубе дополнительно установлена отсасывающая трубка, нижний конец которой выведен в корпус, и на участке трубы, размещенном в корпусе, выполнено уширение с отверстиями по его образующей, при этом отношение площади зазора к площади выходного сечения трубы составляет 0,75-1,3, участок трубы, выведенный за пределы корпуса, выполнен в виде сопла Лаваля, а верхний торец отсасывающей трубки размещен на входе в указанное сопло (А.с. СССР №937888 от 01.10.80, дополнительное к а.с. №643719, МКИ F23D 13/20 – прототип).

Указанная горелка работает следующим образом.

Сбрасываемый из скважины газ подается к трубе и разделяется на два потока. Первый поток газа поступает к соплу Лаваля, а второй поток – через отверстия трубы – в корпус горелки. При выходе из отверстий газ в начальный момент времени движется в направлении нижней части корпуса, а затем изменяет направление движения на противоположное и движется к боковому кольцевому зазору. При изменении направления движения газ отделяется от жидкой фазы (конденсата), которая собирается в нижней части корпуса. Очищенный поток газа, выходя из бокового кольцевого зазора, вследствие возникающего эффекта Коанда, прилипает к поверхности рассекателя и создает вокруг него зону пониженного давления, в которую вовлекается окружающий воздух. Воздух смешивается с поступающим газом и полученная газовоздушная смесь движется в направлении образующей конического участка рассекателя, к выходу первого потока газа.

Первый поток газа, выходя по трубе из сопла Лаваля, подсасывает из корпуса при помощи отсасывающей трубки конденсат. Поток конденсата за счет повышенной скорости газа в узком сечении сопла Лаваля дробится на мелкодисперсные капли, смешивается с первым потоком газа и вторым газовоздушным потоком. Полученная смесь газа, воздуха и конденсата бездымно сгорает.

Основным недостатком данной горелки является то, что газ, поступающий по центральной трубе, поступает к профилированному соплу с давлением, значительно больше атмосферного, и повышенной скоростью, дополнительно разгоняется в сопле, что приводит к образованию скачков уплотнения за рассекателем, повышенному шуму и вибрациям при работе горелки, ухудшению условий смесеобразования и увеличению длины факела. Это влечет за собой уменьшение полноты сгорания не до конца очищенных газов и увеличению содержания вредных выбросов, в частности сероводорода и его соединений, в продуктах сгорания.

Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и создание горелки, конструкция которой позволяет обеспечить улучшенные условия смесеобразования и максимально возможную полноту сгорания газов с уменьшенным шумом и вибрациями при работе горелки.

Поставленная задача достигается за счет факельной горелки, содержащей корпус с соосно установленной трубой, снабженной по периферии участка, выведенного за пределы корпуса, рассекателем в виде тела Коанда, размещенным с зазором относительно верхнего торца корпуса, при этом участок трубы, выведенный за пределы корпуса, выполнен в виде сопла Лаваля. Согласно изобретению внутри трубы установлены полые профилированные тела, каждое из которых имеет одно минимальное проходное сечение, причем число полых профилированных тел определено из соотношения n=Р_вх/Р_вых·k, где n – число полых тел; Р_вх – давление на входе в трубу; Р_вых – давление на выходе из трубы (атмосферное); k – коэффициент восстановления полного давления, равный 0,7-0,8.

Площадь минимального проходного сечения каждого последующего тела больше площади минимального проходного сечения предыдущего.

Полые профилированные тела выполнены либо в виде сопел Лаваля, либо в виде чередующихся конфузоров и диффузоров, либо в виде ряда конфузоров, установленных с определенным шагом.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявляемом устройстве, в отличие от конструктивного выполнения прототипа, внутри трубы установлены полые профилированные тела, каждое из которых имеет одно минимальное проходное сечение, расположенное в его выходной части, выполненные, например, в виде сопел Лаваля, чередующихся конфузоров и диффузоров, чередующихся конфузоров, установленных с определенным шагом.

Таким образом, совокупность существенных признаков заявляемого технического решения, благодаря наличию новых признаков, обеспечивает получение технического результата, выражающегося в улучшении условий смесеобразования потоков газа, поступающих через корпус и трубу, значительном снижении уровня шума, возникающего при работе горелки и длины факела и получении повышенной полноты сгорания газовоздушной смеси за счет улучшения условий смесеобразования.

Указанные существенные признаки в совокупности, характеризующей сущность заявляемого технического решения, не известны в настоящее время для горелок и устройств для сжигания топлива. Аналог, характеризующийся идентичностью всем существенным признакам заявляемого изобретения, в ходе исследований не обнаружен, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «Новизна».

Существенные признаки заявляемого изобретения не могут быть представлены как комбинация, выявленная из известных решений с реализацией в виде отличительных признаков для достижения технического результата, из чего следует вывод о соответствии критерию «Изобретательский уровень».

В связи с тем, что представленное техническое решение предназначено для использования в рамках реальной системы дожигания газов и подготовлено заявителем для внедрения в производство, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость».

Сущность изобретения иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 показан осевой разрез предложенной горелки с профилированными телами, выполненными в виде сопел Лаваля; на фиг.2 – с профилированными телами в виде конфузоров.

Основными элементами предложенной факельной горелки являются:

1 – корпус;

2 – труба;

3 – периферийный участок;

4 – рассекатель;

5 – кольцевой зазор;

6 – профилированное сопло;

7 – фланец;

8 – отсасывающая трубка;

9 – полость;

10 – отверстия;

11 – полое профилированное тело;

12 – минимальное сечение.

Горелка содержит корпус 1 с соосно установленной внутри корпуса трубой 2, снабженной по периферии участка 3, выведенного за пределы корпуса 1, рассекателем 4 в виде тела Коанда. Рассекатель 4 установлен с кольцевым зазором 5 относительно верхнего торца корпуса 1.

Верхняя часть трубы 2 выполнена профилированной в виде сопла 6, например сопла Лаваля, и размещена внутри рассекателя 4. На нижней части трубы 2 установлен ответный фланец 7 для стыковки с газоводом.

В трубе 2 установлена отсасывающая трубка 8, нижний конец которой выведен в стенку трубы 2 и сообщается с кольцевой полостью 9, образованной трубой 2 и корпусом 1. На участке трубы 2, установленном в корпусе 1, выполнены отверстия 10 в виде щелей. В трубе 2 установлены полые профилированные тела 11 с минимальным сечением 12.

Предложенная горелка работает следующим образом.

Сбрасываемый из скважины газ после входа в трубу 2 разделяется на два потока. Первый поток газа поступает к соплу Лаваля 6, а второй поток – через отверстия 10 в трубе 2 – в полость 9 между корпусом 1 и трубой 2. Первый поток поднимается вверх по трубе 2, попадает в сужающуюся часть полого профилированного тела 11, сужается, проходит минимальное сечение 12 и снова расширяется. За счет сжатия и последующего расширения газа происходит уменьшение давления газа на выходе из расширяющейся части, и в сужающуюся часть следующего профилированного тела газ поступает уже с меньшим давлением, чем в предыдущее, и соответственно, меньшим, чем давление на входе в трубу 2. Таким образом, пройдя через несколько последовательно установленных профилированных тел и теряя на каждом из них давление за счет чередующихся процессов сжатия-расширения, газ поступает к профилированному соплу 6 с заданным давлением, близким к атмосферному.

Во втором потоке, при движении его вверх в полости 9, за счет разницы скоростей и плотностей конденсат отбрасывается на стенку трубы 2 и стекает вниз по трубе 2. При выходе из щелевых отверстий 10 газ с конденсатом в начальный момент времени распределяется между отсасывающей трубкой 8 и полостью 9 между корпусом 1 и трубой 2. За счет разницы плотностей и скоростей движения конденсат стекает в зону установки нижнего конца отсасывающей трубки 8, а газ, очищенный от жидкости, поступает к кольцевому зазору 5 между корпусом 1 и рассекателем 4.

Очищенный поток газа, выходя из бокового кольцевого зазора 5, вследствие возникающего эффекта Коанда, прилипает к поверхности рассекателя 4 и создает вокруг него зону пониженного давления, в которую вовлекается окружающий воздух. Воздух смешивается с поступающим газом и полученная газовоздушная смесь движется в направлении образующей конического участка рассекателя 4, к выходу первого потока газа.

Первый поток газа, выходя по трубе 2 из сопла Лаваля 6, подсасывает за счет разности скоростей из кольцевой полости 9, образованной корпусом 1 и трубой 2 при помощи отсасывающей трубки 8 конденсат. За счет того, что оставшийся поток конденсата подается к выходной части сопла 6, обеспечиваются его повышенная турбулентность и скорость на выходе из сопла 6 и поток первоначально более эффективно дробится на мелкодисперсные капли, а затем перемешивается с первым потоком газа и вторым газовоздушным потоком. Полученная смесь газа, воздуха и конденсата бездымно сгорает, обеспечивая при сгорании пониженное содержание вредных примесей в продуктах сгорания.

Использование предложенного технического решения позволит более эффективно организовать процесс подготовки смеси перед сгоранием, уменьшить длину факела и шум при работе горелки, повысить полноту сгорания конденсатосодержащих газов и уменьшить содержание вредных примесей в продуктах сгорания за счет улучшения условий сгорания газовоздушной смеси.

Формула изобретения

1. Факельная горелка, содержащая корпус с соосно установленной трубой, снабженной по периферии участка, выведенного за пределы корпуса, рассекателем в виде тела Коанда, размещенным с зазором относительно верхнего торца корпуса, при этом участок трубы, выведенный за пределы корпуса, выполнен в виде сопла Лаваля, отличающаяся тем, что внутри трубы установлены полые профилированные тела, каждое из которых имеет одно минимальное проходное сечение, причем число полых профилированных тел определено из соотношения n=Р_вх/Р_вых·k, где n – число полых тел; Р_вх – давление на входе в трубу; Р_вых – давление на выходе из трубы (атмосферное); k – коэффициент восстановления полного давления, равный 0,7-0,8.

2. Факельная горелка по п.1, отличающаяся тем, что площадь минимального проходного сечения каждого последующего тела больше площади минимального проходного сечения предыдущего.

3. Факельная горелка по п.1, отличающаяся тем, что полые профилированные тела выполнены в виде сопел Лаваля.

4. Факельная горелка по п.1, отличающаяся тем, что полые профилированные тела выполнены в виде чередующихся конфузоров и диффузоров.

5. Факельная горелка по п.1, отличающаяся тем, что полые профилированные тела выполнены в виде ряда конфузоров, установленных с определенным шагом.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 28.07.2008

Извещение опубликовано: 27.12.2009 БИ: 36/2009

NF4A – Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 10.01.2010

Извещение опубликовано: 10.01.2010 БИ: 01/2010