УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА Российский патент 1994 года по МПК F23C3/00 

Изобретение относится к устройствам, обеспечивающим сжигание газовоздушных смесей, например метановоздушных смесей, с концентрацией ниже нижнего предела воспламенения, и может быть использовано в различных энергетических установках.

Известно устройство для сжигания топлива, выполненное в виде горелки, включающей в себя корпус, газовую трубу с многосопловым наконечником и смесительную камеру. На газовой трубе перед соплом установлены неподвижно восемь лопастей [1] .

В указанной горелке газ подается в закрученный поток воздуха, чем достигается хорошее перемешивание смеси.

Недостатком известного устройства является сложность и громоздкость конструкции из-за наличия в нем лопастей, закручивающих поток. Для хорошего перемешивания компонентов смеси необходима точная установка этих лопастей в соответствии с результатами экспериментальных проверок для различных параметров. Это усложняет монтажные операции. Кроме того, эффективность перемешивания воздуха и топлива на сравнительно небольшом участке горелки часто является недостаточной.

Известно также устройство для сжигания топлива, содержащее камеру сгорания с кипящим слоем, установленную внутри циклонной камеры дожигания, снабженной патрубками подвода воздуха и сброса продуктов сгорания. В камеру сгорания подводится первичный воздух и топливо [2] .

Известное устройство довольно сложно при эксплуатации из-за использования камеры сгорания с кипящим слоем, потребляемой пылевидное топливо, что вызывает необходимость подвода вторичного воздуха. Это усложняет регулирование процессом горения.

Другим недостатком указанного устройства является невозможность осуществления в нем сжигания углеводородных смесей с концентрацией ниже нижнего предела сжигания без подачи дополнительного топлива, что повышает стоимость устройства, снижает качество сжигания газовых смесей.

Наиболее близким к изобретению техническим решением из известных является устройство для сжигания топлива, содержащее камеру сгорания с патрубком отвода продуктов сгорания и установленную в камере с кольцевым зазором трубу, снабженную тангенциальным патрубком ввода газовоздушной смеси [3] .

В данном устройстве благодаря тангенциальному подводу газовоздушной смеси образуется вихревой жгут в центральной трубе, подогреваемой продуктами сгорания, что способствует лучшему перемешиванию компонентов смеси и определенной стабилизации горения.

Недостатком известного устройства является недостаточно стабильный процесс горения. Это происходит от того, что горящий вихревой жгут, расположенный на периферии трубы, не имеет четких границ по поперечному сечению, в связи с чем образуются нежелательные центростремительные токи горячих частей в холодную зону.

Неразделенность горячего и холодного потоков приводит к образованию пробок и затормаживанию движения газовоздушной смеси. Недостаточно эффективен также обогрев продуктами сгорания поступательно двигающегося жгута.

Указанные причины не способствуют интенсификации процесса и горения и ухудшают эксплуатационные свойства устройства, ограничивая возможности его использования.

Целью изобретения является улучшение эксплуатационных свойств устройства для сжигания топлива путем обеспечения стабилизации фронта пламени вихревого жгута благодаря разделению горячего и холодного потоков и интенсификации процесса горения за счет направленного отвода продуктов сгорания из трубы.

Для достижения указанной цели в устройстве для сжигания топлива, содержащем камеру сгорания с патрубком отвода продуктов сгорания и установленную в камере с кольцевым зазором трубу, снабженную тангенциальным патрубком ввода газовоздушной смеси, в трубе соосно ей установлена вторая труба для отвода продуктов сгорания, причем один ее свободный торец размещен за пределами первой трубы в камере сгорания, а противоположный торец - в полости первой трубы, кроме того, диаметр первой трубы в 1,25-2,5 раза больше диаметра второй трубы.

Установка дополнительной трубы внутри первой трубы создает кольцевой зазор по длине труб, в котором располагается вихревой жгут, образующийся посредством тангенциальной подачи газовоздушной смеси. Благодаря подогреву вихревого жгута с двух сторон он имеет устойчивый фронт пламени с направленным движением в сторону камеры сгорания. Отвод продуктов сгорания из средней холодной зоны по второй трубе осуществляется вследствие эффекта Ранка (Меркулов А. П. Вихревой эффект и его применение в технике. М. : Машиностроение, 1969, с. 7-9). Это исключает образование застойных тормозящих зон с высоким гидросопротивлением, существенно повышая интенсификацию процесса горения.

Экспериментальные данные показали, что в достаточно большом диапазоне применяемых типоразмерах труб предпочтительно поддерживать отношение диаметров первой и второй труб в пределах 1,25-2,5.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен общий вид устройство для сжигания топлива.

В корпусе устройства выполнена камера сгорания 1, в которой с кольцевым зазором установлена труба 2. К трубе 2 подсоединен тангенциальный патрубок 3 ввода газовоздушной смеси (например, метановоздушной смеси). В камере сгорания 1 выполнен патрубок 4 отвода продуктов сгорания. Внутри трубы 2 соосно ей размещена дополнительная труба 5 для отвода продуктов сгорания. Открытый торец 6 трубы 5 размещен в полости трубы 2, а противоположный торец 7 расположен за пределами трубы 2 в камере сгорания. Для предварительного нагрева трубы 2 в устройстве может быть выполнен топливный патрубок (не показан).

Камера сгорания 1 имеет внешнюю металлическую обшивку 8 и теплоизоляцию 9. В предпочтительном варианте отношение диаметра трубы 2 к диаметру трубы 5 поддерживается в пределах 1,25-2,5.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Рассматриваемое устройство предназначено для сжигания стехиометрических смесей любых горючих газов с воздухом, в том числе метановоздушных смесей, имеющих объемную долю метана ниже нижнего предела воспламенения.

Предварительно нагретую газовоздушную смесь подают в трубу 2 через тангенциальный патрубок 3. Между стенками труб 2 и 5 образуется газовый вихревой шнур. Скорость поступательного движения вихря в несколько раз ниже скоростей внутри него. В одном из вариантов конструкции линейная скорость поступательного движения может быть в пределах 1,5-3,5 м/с, в то время как скорость тангенциального ввода смеси составляет 25-60 м/с. Для горения газов смесь необходимо подогреть до возникновения воспламенения вихревого шнура между стенками обеих труб.

В данном устройстве благодаря эффекту Ранка продукты сгорания противотоком идут по дополнительной трубе 5 и выбрасываются из открытого конца, расположенного у тангенциального патрубка 3. В центре шнура формируется ядро горючих газов, а снаружи - воздух или кислород в результате энергетического перераспределения газов из-за разности их плотностей, От высокой температуры стенок труб горючий газ воспламеняется и горит устойчивым пламенем. Стенки обеих труб стабилизируют вихревой фронт горения с двух сторон.

Продукты сгорания, вытекающие из трубы 2, попадая в камеру сгорания 1 омывают внешнюю поверхность этой трубы, подогревая вихревой поток. Из камеры сгорания смесь газов через патрубок 4 отвода продуктов сгорания идет на использование в энергетических установках. Блок предложенных устройств может быть установлен в газовых турбинах мощностью до сотни мегаватт.

Длина вихревого участка определяется расчетным путем, исходя из конкретных условий подачи горючей смеси (температура, давление, плотность горючего газа и воздуха и т. п. ).

Результаты экспериментальных исследований показали, что при использовании газовоздушной смеси с концентрацией горючего газа ниже нижнего предела воспламенения количество тепла, необходимое для нагрева смеси в данном устройстве, приблизительно в два раза меньше, чем при подогреве без вихревого эффекта.

Преимуществом предложенного устройства является возможность использования бедных метановоздушных смесей (ниже 5% ), которые являются попутным продуктом добычи угля, выбрасываемым в атмосферу. (56) 1. Трифонов Г. А. Эксплуатация котельных, работающих на шахтном метане. М. : Недра, 1975, с. 42-43, рис. 7.

2. Авторское свидетельство СССР N 868259, кл. F 23 C 6/04, опублик, 1979.

3. Авторское свидетельство СССР N 1314191, кл. F 23 C 5/00, опублик. 1985.

Использование: в различных энергетических установках для сжигания газовоздушных смесей, например метановоздушных смесей, с концентрацией ниже нижнего предела воспламенения. Сущность изобретения: устройство для сжигания топлива содержит камеру сгорания, в которой с кольцевым зазором установлена труба. К этой трубе подсоединен тангенциальный патрубок ввода метановоздушной смеси. В камере сгорания выполнен патрубок отвода продуктов сгорания. Внутри первой трубы соосно ей установлена вторая труба для отвода продуктов сгорания. Один открытый торец второй трубы размещен в полости первой трубы, а противоположный торец - за пределами первой трубы в камере сгорания. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА, содержащее камеру сгорания с патрубком отвода продуктов сгорания и установленную в камере с кольцевым зазором трубу, снабженную тангенциальным патрубком ввода газовоздушной смеси, отличающееся тем, что в упомянутой трубе соосно с ней установлена вторая труба для отвода продуктов сгорания, причем один ее свободный торец размещен за пределами первой трубы в камере сгорания, в противоположный торец - в полости первой трубы. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что диаметр первой трубы в 1,25 - 2,5 раза больше диаметра второй трубы.