МНОГОСОПЛОВАЯ ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНАЯ ГОРЕЛКА

Изобретение относится к горелкам для газопламенной обработки материалов, конкретнее к многосопловым водородно-кислородным горелкам, используемым в производствах кварцевых оптических волокон и монокристаллов.

Технология вышеуказанных производств сопряжена с необходимостью нагревать участки поверхности сжиганием водородно-кислородной смеси, выходящей из сопел горелки со скоростью не более 30-60 м/с. Для этого повсеместно используют водородно-кислородные горелки внешнего смешения, несмотря на их худшие теплотехнические характеристики по сравнению с горелками предварительного смешения, а также на взрыво- и пожароопасность баллонов со сжатыми (или танков со сжиженными) газами, которые необходимы для их питания. Использовать взрывобезопасные электролизно-водные генераторы для питания горелок внешнего смешения невозможно, т.к. генераторы вырабатывают смесь водорода с кислородом, а не каждый из этих газов отдельно. Также невозможно заменить горелки внешнего смешения промышленными газокислородными горелками предварительного смешения, т.к. на требуемых малых скоростях водородно-кислородной смеси происходит так называемый «обратный удар» - втягивание фронта пламени в горелку.

Предметом настоящего изобретения является водородно-кислородная горелка предварительного смешения, устойчиво работающая при выходе газовой смеси из сопел горелки со скоростями до 30-60 м/с.

Экспериментально установили, что для сжигания водородно-кислородной смеси с такими малыми скоростями диаметр сопла должен быть не более 0,55-0,30 мм, его длина - не менее 5 мм и на стенках не должно быть поперечных неровностей, завихряющих поток газа. Промышленные газокислородные горелки имеют сопла диаметром 0,60 мм и больше [1, 2]. Поэтому они не могут работать на требуемых скоростях подачи водородно-кислородной смеси.

Наиболее близкой к предлагаемой, принятой за прототип, является горелка фирмы «ТЕТРА ЛАВАЛЬ ХОЛДИНГС ЭНД ФАЙНЭНС С.А.» [3]. Сопловая пластина этой горелки представляет собой стопку плоских металлических листов толщиной 0,5-2,0 мм, в которых сделаны точно позиционированные сквозные отверстия. Листы собраны в стопку так, что хотя бы часть отверстий совмещена друг с другом, образуя сопла. Эта конструкция позволяет выполнять отверстия достаточно малого диаметра (например, лазером) и формировать длинные сопла. Однако при этом невозможно получить сопла с гладкими стенками. Поток газа обязательно будет завихряться на границах листов. Кроме того, уменьшение диаметра сопел горелки приводит к значительному уменьшению ядра пламени. Из-за этого сопловую пластину необходимо близко придвигать к нагреваемой поверхности, и она будет сильно нагреваться как потоком газов, отраженным от нагреваемой поверхности, так и ее излучением. Поэтому для длительной непрерывной работы, необходимой и при изготовлении кварцевого оптического волокна, и при выращивании монокристаллов сопловую пластину нужно интенсивно охлаждать. Однако эта конструкция горелки не позволяет организовать жидкостное (водяное) охлаждение сопловой пластины.

В предлагаемой горелке соплами являются металлические капиллярные трубки, герметично закрепленные в сквозных отверстиях металлической или керамической сопловой пластины, заподлицо с ее наружной поверхностью. Промышленность выпускает металлические капиллярные трубки внутренним диаметром 0,10-0,12 мм и более с различной толщиной стенки (см. ГОСТ 14162-79 и др.). Поэтому всегда можно подобрать трубку с требуемым внутренним диаметром и с таким наружным диаметром (0,6 мм и больше), что отверстия под капилляры в сопловой пластине выполнимы без затруднений. Описываемая горелка показана на фиг. 1. Капиллярные трубки 1 закреплены в сопловой пластине 2, установленной в корпусе 3, в полость «А» которого подают газовую смесь. При этом сопловая пластина может быть прямоугольной, круглой или любой другой формы сообразно требуемой форме пятна нагрева. Кроме того, она может быть не плоской, как на фиг. 1, а произвольно изогнутой, например, как на фиг. 2.

В отличие от прототипа, предложенная конструкция позволила получать длинные сопла малого диаметра с гладкими стенками.

Варианты конструкции горелки с водоохлаждаемой сопловой пластиной показаны на фиг. 3 и фиг. 4. В обоих случаях трубки 1, являющиеся соплами, закреплены герметично в сквозных отверстиях сопловой 2 и дополнительной 4 пластинах, установленных в корпусе 3 параллельно друг другу (варианты отличаются закреплением трубок в дополнительной пластине 4). В полость «А» подают газ, в полость «В» - воду. Вместо воды можно использовать и другие охлаждающие жидкости. Такая горелка, в отличие от прототипа, не перегревается и потому может непрерывно работать неограниченно долго.

Конструкция, показанная на фиг. 3 и фиг. 4, технологична только при серийном производстве. При штучном и мелкосерийном изготовлении таких горелок сложно обеспечить как соосность отверстий в сопловой и дополнительной пластинах, так и надежную герметизацию многочисленных зазоров между капиллярными трубками и стенками отверстий в обеих пластинах. Горелка, показанная на фиг. 5, более технологична. На ее сопловой пластине 2 сделаны гребни-выступы, которые проходят через пазы в дополнительной пластине 4 в полость «А» горелки. В гребнях-выступах просверлены ряды отверстий под капиллярные трубки 1. Поэтому для обеспечения герметичности по газу достаточно герметизации зазоров между капиллярными трубками 1 и сквозными отверстиями в гребнях-выступах, а для герметизации по охлаждающей по воде - герметизации зазоров между гребнями-выступами и пазами в перегородке 4.

Количество гребней-выступов на сопловой пластине может быть разным и в каждом из них может быть по несколько рядов отверстий, а не один. Примеры - на фиг. 6 и фиг. 7. На фиг. 6 показана горелка с пятью гребнями-выступами на сопловой пластине 1 и одним рядом отверстий в каждом из них (капиллярные трубки не показаны). При этом дополнительная пластина 2 является и частью корпуса горелки, формирующей полость водяного охлаждения. Отверстия в гребнях-выступах сделаны ступенчатыми, чтобы облегчить сверление. Вместо ряда отверстий большего диаметра можно выполнить в гребне-выступе одну сплошную прорезь. На фиг. 7а показана горелка с одним гребнем-выступом и семью рядами отверстий в нем, а на фиг. 7б - горелка с четырьмя гребнями-выступами, в двух из которых по одному ряду отверстий, а в двух других - по три ряда (капиллярные трубки на фиг. 7 не показаны, как и на фиг. 6). Диаметры капиллярных трубок в гребнях-выступах сопловой пластины могут быть как одинаковыми, так и разными.

Предложенная горелка заменяет водородно-кислородные горелки внешнего смешения, используемые в производствах оптического кварцевого волокна и при выращивании монокристаллов. Такая замена

- делает указанные производства взрыво- и пожаробезопасными, т.к. позволяет использовать взрывобезопасные электролизно-водные генераторы вместо баллонов со сжатыми или танков со сжиженными водородом и кислородом, которые повсеместно используют в настоящее время;

- снимает ограничения на места размещения таких производств, обусловленные пожароопасностью;

- сокращает производственные расходы, т.к. электроэнергия, потребляемая электролизно-водными генераторами, обходится в 5-10 раз дешевле перезаправки соответствующего количества баллонов.

Опыт эксплуатации таких горелок при изготовлении кварцевого оптоволокна со специальными свойствами доказал их эффективность и надежность при продолжительной работе.

Литература

[1] Газопламенная пайка металлов. - Всесоюзный научно-исследовательский институт автогенной обработки металлов. Руководящие материалы. Выпуск 7. Москва, МАШГИЗ, 1955 г.

[2] Нечаев В.Д. Горелки с внешним и внутрисопловым смешением. - В кн. Труды Всесоюзного научно-исследовательского института автогенной обработки металлов. Выпуск 7. Автоматическая газовая сварка, кислородная и газоэлектрическая резка. Москва, Машиностроение, 1964 г. с. 71-91.

[3] RU 2483247 С2, F23D 14/56 F23D 14/10, 20.01.2009.