Горелки стола бытовых газовых плит

Изложены результаты патентного поиска. Дан анализ тенденций развития конструкций горелок стола бытовых газовых плит. С точки зрения Теории решения изобретательских задач показаны приёмы и принципы, а также физические эффекты, которые используются при разработке новых устройств горелок. Указаны перспективы развития горелок плит.

Англичанин Джон Райт изобрёл газовую плиту с горелкой из огнеупорной глины в 1900 г. В Москве первые бытовые газовые плиты появились в 1907 г. За прошедшее столетие газовая плита, как техническая система, получила значительное развитие. В настоящее время в России эксплуатируется свыше 38 млн. газовых плит. Газом в быту пользуется свыше 100 млн. человек. В год потребляется до 6 млрд. м³ природного и до 1 млн т сжиженного газа. Поэтому дальнейшее повышение экономичности плит и обеспечение санитарно-гигиенических требований является важной хозяйственной задачей.

Несмотря на многообразие конструкций производимых горелок, их устройство типично. Во всех современных горелках плит, как отечественного, так и зарубежного производства, осуществляется промежуточный (смешанный) способ сжигания газа: первичный воздух, предварительно смешивается с газом, а вторичный воздух поступает непосредственно к микрофакелам головки горелки. Крышка обычно имеет отбортовку (буртик), благодаря которой при горении создаётся верхнее стабилизирующее пламя и обеспечивается беглость огня, т. е. передача горения от одного огневого канала другому [1 -3].

 Патентный поиск по устройствам горелок стола плит показал, что основной целью изобретений является повышение КПД и санитарно-гигиенических показателей горелок. Произошёл переход от горелок с горизонтальным смесителем к горелкам с вертикальным смесителем. Переход стал возможен вследствие повышения давления газа в газораспределительных сетях. В результате однородная газовоздушная смесь создаётся в более коротких эжекторах. Этому же способствовал переход от горелок, изготавливаемых из чугуна, к горелкам из алюминия. Последние менее металлоёмки и имеют более гладкую поверхность, что уменьшает гидравлические потери на трение о внутренние стенки смесителя.

 Установлено, что подогрев газовоздушной смеси повышает устойчивость и полноту сгорания. С этой целью горелки по авторским свидетельствам (а. с.) 404996, 560107 и 937892 содержат теплопроводные элементы. В результате смесь подогревается. Интенсивный подогрев смеси происходит при размещении в полости головки горелки вставки с центральным каналом и кольцевой полостью (а. с. 602744), радиальных рёбер (а. с. 1267110), конусной обечайки (а. с. 787794, 976220, 1062472 и 1645760), каналов и камер (а. с. 1270506) или трубок (а. с. 1573304). Необходимо отметить, что в конструкции горелки по а. с. 1270506 воздух и газ подогреваются раздельно перед смесеобразованием. Авторы изобретения по а. с. 918675 предлагают для интенсификации подогрева смеси выполнять на внутренней поверхности корпуса и крышки горелки турбулизирующие волнообразные выступы.

 Интенсификация смесеобразования и однородность газовоздушной смеси являются важными условиями для повышения полноты сжигания. В устройствах горелок по а. с. 673817, 724877 и по патенту РФ 2035660 (Северинец Г. Н. и др.), предлагается огневые каналы располагать под углом друг к другу, чтобы происходило соударение струй и их турбулизация. Эта же цель достигается с помощью спирального рассекателя (а. с. 688772) и цилиндрических выступов с огневыми каналами (а. с. 761788).

 Устойчивость горения достигается созданием стабилизирующего пламени. Чаще всего в горелках используется верхнее стабилизирующее пламя, которое создаётся с помощью отбортовки крышки. Изобретатель Ефремов Ю. Ф. предложил (а. с. 563540) снабжать корпус горелки кольцевым буртиком с прорезями. У горелки по а. с. 663968 крышка снабжена по периферии козырьком, нависающим над огневыми отверстиями. При работе данной горелки часть газовоздушной смеси, выходящей из огневых отверстий, отсекается козырьком, что обеспечивает беглость пламени и устойчивость горения. В крышке горелки по а. с. 717491 выполнен кольцевой паз, который создаёт зону завихрения у выхода огневых каналов и тем самым обеспечивает устойчивое горение при переменных режимах и повышенных скоростях истечения смеси. Нижнее стабилизирующее (запальное) пламя создаётся в горелках по а. с. 787794, 859763, 1062472, 1216566, 1333964 и по патенту РФ 2063578, а также в большинстве зарубежных горелок. Устойчивость пламени обеспечивается и путём расположения огневых каналов в два ряда (а. с. 724877), причём каналы наклонены под углом 30–60˚. У горелок по а. с. 1038713 и 1067296 огневые отверстия верхнего и нижнего ряда расположены в шахматном порядке. Факелы нижнего ряда огневых отверстий короче факелов верхнего ряда и исполняют роль стабилизаторов горения.

Во многих изобретениях обеспечение полноты сгорания газа и снижение содержания вредных веществ в продуктах сгорания достигается подогревом первичного воздуха, организованной подачей и подогревом вторичного воздуха, организацией рециркуляции продуктов сгорания, а также совместным использованием подогрева воздуха и рециркуляции продуктов сгорания.

Эффективная подача вторичного воздуха в горелке Сладкова С. П., которая имеет центральный канал в рассекателе [1]. Подача вторичного воздуха в центр головки горелки снижает температуру в зоне сгорания газа, что способствует снижению образованию оксидов азота (NО_х) в пламени. В горелках с вертикальным смесителем организовать подвод вторичного воздуха сложнее. Так изобретатели из «Мосгазпроекта», как уже отмечалось выше, предлагают (а. с. 596778) выполнить в корпусе головки горелки наклонные каналы, которые обеспечивают организованную подачу воздуха непосредственно к корням факелов, истекающих из огневых каналов. В дополнительном изобретении (а. с. 905576) они разработали вариант горелки, который проще в изготовлении. Авторы считают, что организованный подвод вторичного воздуха в зону горения может обеспечить одновременное снижение концентраций оксида углерода (СО) и NО_х в продуктах сгорания.

В горелке по а. с. № 754165 (Ридер К. Ф. с соавторами) на выходе из газового сопла установлен акустический резонатор. При воздействии акустических колебаний на газовоздушную смесь и микрофакелы горелки последние увеличиваются по объёму, что приводит к увеличению теплопередачи к теплоприёмнику.

Снабдить головку горелки вертикальными каналами для подвода вторичного воздуха предложено в а. с. 821841, 1038713, 1067295 и 1067296. Каналы выполнены в нижних стенках огневых каналов. Это способствует укорочению факелов нижнего ряда и тем самым обеспечивается лучший доступ вторичного воздуха для факелов верхнего ряда. В результате обеспечивается более полное сгорание газа.

 В устройстве горелки по а. с. 1216566 газовоздушная смесь, проходя по огневым каналам, инжектирует воздух и продукты неполного сгорания стабилизирующего пламени. Басаргин Т. Л. и его соавторы разработали горелку (а. с. 1333964), у которой крышка имеет больший диаметр, чем наружный диаметр корпуса, и на её внутренней поверхности выполнена кольцевая проточка, образующая с насадком смесительную полость. В эту полость инжектируется из окружающего пространства дополнительный воздух.

 Взяв за прототип патент Франции № 13335280, авторы а. с. 802705 разработали горелку, которая имеет три головки. В каждой головке имеются каналы (втулки) для подачи вторичного воздуха к огневым отверстиям. Каналы снабжены отражателями. Воздух, поступающий как через вертикальные втулки, так и с периферии к центру, увеличивает полноту сгорания газа, снижая содержание токсичных составляющих в продуктах сгорания.

 Нестеров А. К. с коллегами предложили горелку с центральной подачей вторичного воздуха и рециркуляцией продуктов сгорания (а. с. 1477984). Этот же коллектив изобретателей разработал горелку (а. с. 1490388), которая имеет трубу для подвода вторичного воздуха и три ряда огневых отверстий. Организация двухстадийного сжигания газа обеспечивает полное его сжигание и уменьшение выхода NО_х.

 Весьма оригинально подсос вторичного воздуха организован в горелке по а. с. 1603140. Для этого вокруг головки горелки установлено кольцо с образованием зазора. Кольцо лучше выполнять каплевидным в поперечном сечении. Причём, заострённая часть кольца направлена в сторону огневых отверстий под углом 40–80˚ к плоскости нижней кромки огневых отверстий.

 Изобретение по а. с. 1168778 интересно тем, что в разработанном устройстве газовой плиты камера-смеситель в форме усечённого конуса с цилиндрическим отводом выполнена в рабочем столе плиты. Огневой насадок установлен на цилиндрический отвод.

Горелка, разработанная изобретателями Дружковского завода (а. с. 1252549), снабжена крышкой, установленной над головкой с зазором и с возможностью поворота и установки в двух фиксированных позициях. В одном положении крышки обеспечивается эффективное сжигание природного, а в другом – сжиженного газа.

Изобретатели а. с. 1615465 предложили повышать экономичность горелки путём обеспечения рециркуляции и подогрева газовоздушной смеси. Для этого в головке горелки выполнены отверстия, а смеситель размещён в кожухе. Забор прогретого первичного воздуха производится через каналы в смесителе из пространства под пламенем горелки.

 В горелке беспламенного типа Правоверова К. Н. [4] газовоздушная смесь сгорает на поверхности перфорированного керамического диска и создает инфракрасное излучение. Для расширения диапазона регулирования горелка выполнена двойной. Достоинство горелки – высокий КПД. Недостатки – конструктивная сложность. Данная горелка не нашла практического применения. Тем не менее, в последние годы в новейших патентах РФ 2066023, 2094703, 2151956 и 2151957 изобретатели из различных научных организаций вновь активно стали разрабатывать инфракрасные горелки для бытовых плит. Есть информация об экспериментальном испытании плит с инфракрасными горелками.

У радиационной горелки по патенту 2094703 РФ горелочный насадок выполнен из пористого металлического тела, изготовленного из жаропрочного и жаростойкого сплава (например, хромоникелевого сплава). В результате горения газовоздушной смеси в каналах верхней части металловойлочного пористого тела насадка, происходит нагрев дискретных волокон до температуры 950–1050 °С.

Большой интерес представляют радиационные горелки, разработанные в Институте химической физики РАН Шмелёвым В. М. и Марголиным А. Д. (патенты РФ 2151956 и 2151957). В горелке по первому патенту предложено радиационный экран выполнить в виде протяжённых геометрических элементов (пластин, цилиндров), изготовленных из кварца или керамики. Во второй горелке – керамическая перфорированная излучающая насадка выполнена с возможностью исполнения дополнительных функций экрана и рефлектора, для чего она выполнена в объёмной конфигурации в виде полостей в различных вариантах исполнения.

КПД горелок плит зависит от величины расстояния от головки горелки до теплоприёмника, поэтому предложены конструкции горелок с подвижной головкой. В зависимости от тепловой мощности головка устанавливается на оптимальном расстоянии от теплоприёмника. В устройстве горелки по а. с. 630489 огневой насадок перемещается с помощью вилки, кинематически связанной с краном плиты. У горелки по а. с. 1746132 усовершенствован механизм преобразования поворота крана в поступательное движение огневого насадка. Наконец, у горелки по а. с. 1779881 происходит автоматическое перемещение головки в зависимости от нагрузки с помощью биметаллической пластины и обеспечивается отключение подачи газа при выкипании жидкости в посуде или погасания пламени.

 Авторы а. с. 781500 создали для газовых горелок предохранительное устройство, которое содержит регулирующую пластину, выполненную из материала, обладающего эффектом «памяти формы».

 Изобретатели из МВТУ им. Н. Э. Баумана (Крылов В. И. и др., патент РФ 2007663) предложили газовую горелку, содержащую по внешней образующей поверхности крышки проницаемое пористое кольцо.

 В патентах РФ 2068153 и 2076999 изобретателей из Белоруссии предложены легко монтируемые горелки из штампованных деталей. А горелка по патенту РФ 2105243 выполнена быстроразъёмной от патрубка крана плиты.

 Основным недостатком бытовых плит является то, что продукты сгорания поступают непосредственно в объём кухни. Частично эта проблема решается применением вытяжных зонтов и воздухоочистителей. Однако кардинально решает проблему организованный отвод продуктов сгорания. Изобретатель Кузьмин П. А. ещё в 1950 г. получил а. с. 87285 на плиту с организованным отводом продуктов сгорания в дымоход. Похожую конструкцию (а. с. 514160) предложил Шеремет П. Э. Эти плиты не нашли применения из-за пониженной величины КПД (до 40 %) и неэффективности удаления продуктов сгорания за счёт естественной тяги в дымоходе. Зарубежные аналоги таких плит оснащались вентилятором. Например, патенты США 3785364, 4235220, 4705019, заявки 2571829, Франция, 016454 ЕПВ и 60 – 53817, Япония.

 Большой интерес представляет плита газовая по а. с. 696242, автор Щёголев А. П. Данная плита содержит тепловые трубки. Испарители тепловых трубок расположены вместе с горелками в выносной огневой камере, соединённой с дымоходом, а конденсаторы выполнены в виде конфорок рабочего стола. К сожалению эти плиты, как и их зарубежные аналоги, не нашли широкого применения из-за пониженной величины КПД.

 В дальнейшем в зарубежных конструкциях плит стали применяться лучистые нагреватели в виде жаропрочных панелей из различных стеклокерамических материалов, с размещёнными под ними горелками пламенного или беспламенного типа.

 В связи с ограниченностью запасов углеводородного топлива изучается возможность использования водорода в бытовых плитах. Сообщается об использовании в США плит, работающих на водороде. К преимуществам водородных горелок относится то, что нет необходимости предварительного смешения водорода с воздухом, т. к. у водорода высокий коэффициент диффузии, и в продуктах сгорания водорода отсутствуют вредные вещества, за исключением оксидов азота.

 Анализируя результаты патентных исследований с позиций Теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) следует отметить, что в конструкциях горелок стола бытовых плит реализуются многие приёмы и принципы разрешения технических противоречий и используются различные физические эффекты. Прежде всего, во всех устройствах горелок реализован приём дробления: головка создаёт множество микрофакелов. Это позволяет стабилизировать горение, не допускать отрыва и проскока пламени, при достаточно высокой полноте сгорания газа. Ярко выражен приём дробления в устройстве по а. с. 802705 – предложена горелка с тремя огневыми головками. А в устройствах радиационных горелок по патентам РФ 2151956 и 2151957 имеет место дробление излучающей поверхности на отдельные ячейки или соты.

По принципу «матрёшки» выполнены горелки Рагозина Ю. А. (а. с. 821839) и Правоверова К. Н. [4]. Горелка пониженной мощности размещена внутри горелки нормальной мощности. Из зарубежных горелок по принципу «матрёшки» выполнены горелка «Финдлей» (Канада) и двухинжекторная горелка форсированного нагрева (Швеция).

Приём динамизации горелки как технической системы реализован в части известных изобретений. Так предложены огневые каналы (прорези) с регулируемым сечением (а. с. 563540, 937892, 1267110) и вертикально перемещаемая огневая головка в зависимости от тепловой нагрузки горелки (а. с. 630489, 1746132 и 1779881).

Физические эффекты, связанные со струйным течением, турбулизацией, завихрением, соударением струй и их смешением, используются во многих изобретениях. Здесь можно отметить а. с. 399686, 602744, 673817, 688772, 712609, 724877, 859763, 877232 и патент РФ 2035660. Нашёл применение и эффект рециркуляции продуктов сгорания и газовоздушной смеси (а. с. 1216566, 1477984, 1615465). Как отмечалось выше, во многих конструкциях горелок имеются детали или устройства, обеспечивающие подогрев газовоздушной смеси. Например, а. с. 404996, 976220, 1062472, 1270506 и др. Создавать акустическое поле предложено в а. с. 754165, т. к. наложение акустического поля на пламя повышает КПД и снижает содержание СО в продуктах сгорания. Эффект «памяти формы» применён в горелке по а. с. 781500 для обеспечения безопасности работы. Эффект теплового расширения используется с помощью биметаллической пластины в устройстве горелки по а. с. 1779881.

Значительный интерес представляют инфракрасные горелки (патенты РФ 2066023, 2094703, 2151956, 2151957), реализующие эффект поверхностного горения на огнеупорных материалах. Следует отметить, что огнеупорные поверхности оказывают и каталитическое воздействие (химическое поле) на процесс горения.

В конструкциях газовой плиты по а. с. 1168778 можно усмотреть частичный переход в надсистему, т. к. часть функций горелки, а именно смесеобразование, происходит в рабочем столе плиты, в котором выполнены камеры-смесители.

Из тризовских полей в горелках плит используются, главным образом, механическое и тепловое, а также их сочетание. Только в некоторых изобретениях нашли применение акустическое и химическое поля. В горелках плит, по-видимому, из-за их небольших размеров, не нашло применение электрическое поле. Хотя известно, что в промышленных горелках электрическое поле (ионизация, озонирование, прохождение тока через пламя) применяется достаточно широко.

Анализ результатов патентных исследований позволяют сделать прогноз направлений дальнейшего развития и совершенствования конструкций горелок стола плит.

1. Повышение КПД горелок. Наиболее перспективными представляются инфракрасные горелки, т. к. имеют высокий КПД при низком уровне эмиссии оксидов азота.

2. Снижение содержания токсичных веществ в продуктах сгорания. Это возможно при использовании в горелках различных физических эффектов, рециркуляции и наложение полей на пламя горелки.

3. Изготовление горелок из керамических материалов. В результате снизятся потери теплоты в горелку и детали плит.

4. В отдалённой перспективе возможно использование водорода.

  Литература

1. Рагозин А. С. Справочник по аппаратуре, арматуре и приборам для бытового газоснабжения. – Л.: Недра, 1976. - 264 с.

2. Хусанжанова Р. И. Горелочные устройства бытовых плит. – М.: ВНИИЭГазпром, 1976. - 38 с.

3. Пелипенко В. Н. Горелки бытовых газовых плит. – Тольятти: ТГУ, 2004, 138 с.

4. Правоверов К. Н. Газовая плита с конфорочными горелками беспламенного типа. – Л.: АКХ СССР, 1962. - 45 с.

Пелипенко В. Н., доцент, канд. техн. наук, профессор

Тольяттинский государственный университет, Россия

Материалы Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции», 23 – 25 ноября 2005, МГСУ