Наиболее значимыми элементами устройства плиты являются газовые горелки рабочего стола. 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. Несмотря на многообразие конструкций производимых горелок, их устройство типично. Например, на рис. 1 изображена унифицированная горелка Казанского завода газовой аппаратуры. Струя газа, истекающая из сопла 1,инжектирует в смеситель 2 первичный воздух. Вторичный воздух подводится к огневым каналам 4 головки 3 из атмосферы. Крышка 5 имеет по окружности отбортовку (буртик), благодаря которой при горении создается верхнее стабилизирующее пламя и обеспечивается беглость огня, т.е. передача горения от одного огневого канала другому. Для плит, работающих на природном газе, установлено номинальное давление — 1300,а на сжиженном— 3000 Па. Согласно ГОСТ Р 50696–94 у горелок стола нормальной мощности КПД должен быть не менее 58%, а содержание в продуктах сгорания оксида углерода СО и оксидов азота NОХ не должно превышать 0,01% объема, или 125 и 200 мг/м3 соответственно. Патентный поиск по устройствам горелок стола плит показал, что основной целью изобретений является повышение КПД и санитарно-гигиенических показателей горелок. Произошел переход от горелок с горизонтальным смесителем к горелкам с вертикальным смесителем. Переход стал возможен вследствие повышения давления газа в распределительных сетях. В результате однородная газовоздушная смесь создается в более коротких эжекторах. Этому же способствовал переход от горелок из чугуна к горелкам из алюминия. Последние менее металлоемки и имеют более гладкую поверхность, что уменьшает трение о внутренние стенки смесителя. Установлено, что подогрев газовоздушной смеси повышает устойчивость и полноту сгорания газа. С этой целью горелки по авторским свидетельствам (а.с. 404996, 560107 и 937892) содержат теплопроводные элементы, часть которых расположена в пламени. 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 ребер (а.с. 1267110),конусной обечайки (а.с. 787794, 976220, 1062472 (рис. 2) и 1645760),каналов и камер (а.с.1270506) или металлических трубок (а.с. 1573304 (рис. 3).Необходимо отметить, что в конструкции горелки (а.с. 1270506) воздух и газ подогреваются раздельно перед смесеобразованием. Авторы изобретения (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 (а.с. 673817, 724877) и патент РФ 2035660 (Г.Н. Северинец и др.) предлагается огневые каналы (рис. 4) 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. В горелке (см. рис. 1) верхнее стабилизирующее пламя создается с помощью отбортовки крышки. Изобретатель Ю.Ф.Ефремов предложил (а.с. 563540) снабжать корпус горелки кольцевым буртиком с прорезями. У горелки (а.с. 663968) крышка снабжена по периферии нависающим козырьком. В крышке горелки (а.с. 717491) выполнен кольцевой паз, который создает зону завихрения у выхода огневых каналов. Нижнее стабилизирующее (запальное) пламя создается в горелках (а.с. 787794, 859763 (рис. 5), 1062472 (см. рис. 2), 1216566 (рис. 6), 1333964 (рис. 7) и патент РФ 2063578 (рис. 8), а также в большинстве зарубежных горелок. Например, в немецкой горелке (рис. 9.) Устойчивость пламени обеспечивается и путем расположения огневых каналов в два ряда (а.с. 724877), причем 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. Эффективна организованная подача вторичного воздуха. Так, изобретатели из «Мосгазпроекта», как уже отмечалось выше, предлагают (а.с. 596778 и 905576, рис. 10) выполнить в корпусе головки горелки наклонные каналы, которые обеспечивают подачу воздуха непосредственно к корням факелов пламени. Авторы считают, что это может обеспечить одновременное снижение концентраций СО и NОХ в продуктах сгорания. 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, что обеспечивает лучший доступ вторичного воздуха для факелов верхнего ряда.В результате обеспечивается более полное сгорание газа и снижается эмиссия СО. В устройстве горелки по а.с. 1216566 (см. рис. 6) газовоздушная смесь, проходя по огневым каналам, инжектирует через зазор 11, проточку 8 и кольцевой канал 15 из окружающего пространства воздух и продукты неполного сгорания стабилизирующего пламени. Т.Л. Басаргин и его соавторы разработали горелку (а.с. 1333964, см. рис. 7), у которой крышка 2 имеет больший диаметр, чем наружный диаметр корпуса, и на ее внутренней поверхности выполнена кольцевая проточка 11, образующая с насадком смесительную полость 12.В полость 12 инжектируется из окружающего пространства дополнительный воздух. Взяв за прототип патент Франции №13335280, авторы а.с. 802705 разработали горелку, у которой 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. А.К.Нестеров с коллегами предложили горелку с центральной подачей вторичного воздуха и рециркуляцией продуктов сгорания (а.с. 1477984). Этот же коллектив изобретателей разработали горелку (а.с. 1490388), которая имеет трубу для подвода вторичного воздуха и три ряда огневых отверстий. Большая часть (60–80%) смеси поступает через огневые отверстия в зону горения. Другая часть смеси с избытком воздуха образует верхнее кольцевое пламя. Организация двухстадийного сжигания газа обеспечивает полное его сжигание и уменьшение выхода NОХ. Весьма оригинально подсос вторичного воздуха организован в горелке по а.с. 1603140 (рис. 11). Для этого вокруг головки 2 с огневыми отверстиями 3 установлено кольцо 5 с образованием зазора 6.Кольцо лучше выполнять каплевидным в поперечном сечении. Причем заостренная часть кольца направлена в сторону огневых отверстий под углом 40–80° к плоскости нижней кромки огневых отверстий. В горелке по а.с.№754165 (К.Ф. Ридер с соавторами) на выходе из газового сопла установлен акустический резонатор. При воздействии акустических колебаний на газовоздушную смесь и микрофакелы горелки, последние увеличиваются по объему, что приводит к увеличению теплопередачи к теплоприемнику. Изобретение по а.с. 1168778 (рис. 12) интересно тем, что в разработанном устройстве плиты камера-смеситель 4 в форме усеченного конуса с цилиндрическим отводом выполнена в рабочем столе 1.Огневой насадок 3 установлен 524.51на цилиндрический отвод. Изобретатели а.с. 1615465 (рис. 14) предложили повышать экономичность горелки путем обеспечения рециркуляции и подогрева газовоздушной смеси. Для этого в головке8 выполнены отверстия 10, а смеситель размещен в кожухе 3. Забор прогретого первичного воздуха производится через каналы 4 из пространства под пламенем горелки. В беспламенной горелке К.Н. Правоверова (рис. 14) 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 (рис. 15) по патенту 2094703 РФ горелочный насадок 7 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 7 происходит нагрев дискретных волокон до температуры 950–1050°С. Большой интерес представляют радиационные горелки, разработанные в Институте химической физики РАН В.М.Шмелевым и А.Д.Марголиным (патенты РФ 2151956 и 2151957). В горелке по первому патенту предложено радиационный экран выполнить в виде протяженных геометрических элементов (пластин, цилиндров), изготовленных из таких материалов как кварц или керамика. Во второй горелке— керамическая перфорированная излучающая насадка выполнена с возможностью исполнения дополнительных функций экрана и рефлектора, для чего она изготавливается в объемной конфигурации в виде полостей в различных вариантах исполнения. КПД горелок плит зависит от величины расстояния от головки горелки до теплоприемника, поэтому предложены конструкции горелок с подвижной головкой. В зависимости от тепловой мощности головка устанавливается на оптимальном расстоянии от теплоприемника. 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, если жидкость в посуде или погасает пламя. Авторы а.с. 781500 и заявки 92011020 создали горелки с предохранительным устройством, которое содержит пластину из материала с эффектом «памяти формы».Изобретатели из МВТУ им. Н.Э. Баумана (В.И.Крылов и др., патент РФ 2007663) предложили горелку, содержащую по внешней образующей поверхности крышки проницаемое пористое кольцо. Поверхности сопряжения смесителя и крышки выполнены с нарезками, ориентированными перекрестно под равными с противоположным направлению углами относительно внутренней поверхности кольца сопряжения. В патентах РФ 2068153 и 2076999 изобретателей из Беларуси предложены легко монтируемые горелки из штампованных деталей. А горелка по патенту РФ 2105243 выполнена быстроразъемной от патрубка крана плиты. Основным недостатком плит является то, что продукты сгорания поступают непосредственно в объем кухни. Частично проблема решается применением вытяжек и воздухоочистителей. Однако кардинально решает проблему организованный отвод продуктов сгорания. Изобретатель П.А.Кузьмин в 1950 г. получил а.с. 87285 на плиту с отводом продуктов сгорания в дымоход. Похожую конструкцию (а.с. 514160) предложил П.Э.Шеремет. Эти плиты не нашли применения из-за пониженной величины КПД (до 40%) и неэффективного удаления продуктов сгорания за счет естественной тяги в дымоходе. Зарубежные аналоги таких плит оснащались вентиляторами. Например, патенты США 3785364, 4235220, 4705019, заявки 2571829 Франция, 016454 ЕПВ и 60— 53817 Япония. Особый интерес представляет плита газовая по а.с. 696242, автор А.П.Щеголев, которая содержит тепловые трубки. Испарители тепловых трубок расположены вместе с горелками в выносной огневой камере, соединенной 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 размещенными под ними горелками пламенного или беспламенного типа. С 80-х гг. прошлого века в США (и особенно в Японии) в большом количестве патентуются плиты с микропроцессорными устройствами, которые обеспечивают программную работу горелок стола и духового шкафа. В начале ХХI в. появились плиты и встраиваемые (варочные) панели, оснащенные чашеобразными горелками с укороченным смесителем (например, заявка 2004127198). Характерной их особенностью является то, что забор первичного и вторичного воздуха осуществляется из объема над рабочим столом плиты. В результате подогрева воздуха и рециркуляции продуктов сгорания обеспечивается более высокая эффективность работы при низкой эмиссии токсичных веществ в атмосферу кухни. На рис. 16 изображена чашеобразная горелка плиты «Дарина», а на рис. 17 над горелкой установлена кастрюля. Горелка работает следующим образом. Струя газа истекает из сопла 1 и подсасывает первичный воздух из объема над рабочим столом. В смесителе 5 газ и воздух перемешиваются. Однородная газовоздушная смесь истекает из огневых отверстий 3 и сгорает. Вторичный воздух также подводится из объема над рабочим столом, из-под пламени горелок. Проведенные автором исследования показали, что горелки плиты «Дарина» обеспечивают высокую эффективность работы при низкой эмиссии токсичных веществ в атмосферу газифицированного помещения. Изучалась возможность использования водорода в бытовых плитах. К преимуществам водородных горелок относится то, что нет необходимости предварительно смешивать водород с воздухом, т.к. у водорода высокий коэффициент диффузии, а 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 приемы и принципы разрешения технических противоречий и используются различные физические эффекты. Прежде всего, во всех устройствах горелок реализован прием дробления: головка создает множество микрофакелов. Это позволяет стабилизировать горение, не допускать отрыва и проскока пламени при достаточно высокой полноте сгорания газа. Ярко выражен прием 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 «матрешки» выполнены горелки Ю.А.Рагозина (а.с. 821839) и Правоверова. Горелка пониженной мощности размещена внутри горелки нормальной мощности. Из зарубежных горелок по принципу «матрешки» выполнены горелка «Финдлей» (Канада) и двухинжекторная горелка форсированного нагрева (Швеция).Прием 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. Нашел 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» применен в горелке по а.с. 781500 и по заявке 92011020 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 (см. рис. 12) 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 позволяет сделать прогноз направлений дальнейшего развития и совершенствования конструкций горелок стола плит: 1. Повышение КПД горелок. Наиболее перспективными представляются инфракрасные горелки, т.к. они 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. Возможно использование водорода в отдаленной перспективе.