УСТРОЙСТВО ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ГОРЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК F23C11/04 

Изобретение относится к камере пульсирующего горения и способу ее работы.

Цель изобретения разработать камеру пульсирующего горения, которую можно использовать в качестве источника тепла для водонагревателя или бойлера с высоким коэффициентом полезного действия.

Прототип изобретения патент США 4 846 149, опубл. 1989, "Нагреватель жидкости с пульсирующим горением".

Несмотря на то что конструкция, описанная в патенте США 4 846 149, позволяет достичь высокой скорости теплопередачи через стенки к охлаждающей среде, например воде, форма устройства не способствует уменьшению размеров водонагревателя.

В других известных конструкциях при попытке применить камеру пульсирующего горения для нагрева воды столкнулись с проблемой снижения шумов, создаваемых устройством. В частности, известные камеры пульсирующего горения, как правило, имеют форму "бутылки" с удлиненным горлышком (выхлопная трубка). Процесс горения протекает в основной части "бутылки". Было обнаружено, что в таких известных конструкциях выхлопная труба, к сожалению, должна быть весьма длинной с тем, чтобы обеспечить достаточно большую поверхность теплопередачи. В устройствах с длинной выхлопной трубой частота пульсирующего горения обычно лежит в области низких частот, в типичном случае составляет порядка 50 Гц. Такой низкочастотный шум очень сложно заглушить, и, как результат, водонагреватели или бойлеры, в которых используются камеры пульсирующего горения такого типа, отличаются повышенным шумом.

И, наконец, существует необходимость в конструкциях камер пульсирующего горения, в которых процесс горения характеризуется повышенной устойчивостью, его сложно нарушить при воздействии внешних шумов.

Цель изобретения разработать камеру пульсирующего горения с повышенной устойчивостью пульсаций.

Другая цель изобретения разработать камеру пульсирующего горения для водонагревателей или бойлеров, имеющих относительно высокую рабочую частоту, которая легко заглушается.

Последняя цель изобретения разработать компактную конструкцию для водонагревателя или бойлера с высокой скоростью теплопередачи.

Предлагаемая камера пульсирующего горения содержит
камеру сгорания практически полой цилиндрической формы, имеющую внутреннюю цилиндрическую стенку, внешнюю цилиндрическую стенку, охватывающую названную внутреннюю стенку, и торцовую стенку, соединяющую внутреннюю и внешнюю стенки;
выхлопную трубку практически полой цилиндрической формы, имеющую внутреннюю цилиндрическую стенку и наружную цилиндрическую стенку, радиальный зазор между стенками выхлопной трубки меньше, чем радиальный зазор между стенками камеры сгорания;
соединительную часть, соединяющую камеру сгорания с выхлопной трубкой, соединительная часть имеет сходящиеся, если смотреть в осевом сечении, наружную и внутреннюю стенки;
трубку подвода топлива для подачи топлива в камеру сгорания;
средства подвода воздуха для подачи воздуха в камеру сгорания;
воспламеняющие средства для инициирования пульсирующего горения в камере сгорания, и
средства удаления выхлопных газов для удаления выхлопных газов из названной выхлопной трубки.

Далее, предложен способ работы камеры пульсирующего горения, включающий следующее:
а) использование камеры пульсирующего горения, содержащей: камеру сгорания практически полой цилиндрической формы с внутренней цилиндрической стенкой и наружной цилиндрической стенкой, охватывающей названную внутреннюю стенку, и торцовую стенку, соединяющую внутреннюю и наружную стенки, выхлопную трубку полой цилиндрической формы с внутренней цилиндрической стенкой и наружной цилиндрической стенкой, причем радиальный зазор между внутренней и наружной стенками выхлопной трубы меньше, чем радиальный зазор между внутренней и наружной стенками камеры сгорания, соединительную часть, соединяющую камеру сгорания с выхлопной трубой, соединительная часть имеет внутреннюю и наружную стенки, которые сходятся, если смотреть в осевом сечении, трубку подвода топлива для подачи топлива в камеру сгорания, средства подвода воздуха для подачи воздуха в камеру сгорания, воспламеняющие средства для инициирования пульсирующего горения внутри камеры сгорания, выхлопные средства для удаления выхлопных газов из названной выхлопной трубки;
б) подачу топлива и воздуха в названную камеру сгорания;
в) инициирование пульсирующего горения внутри названной камеры сгорания;
г) удаление выхлопных газов из выхлопной трубы.

На фиг. 1 показана схематично в разрезе камера пульсирующего горения, конструкция которой подобна конструкции, описанной в патенте США 4 846 149, выданном заявителю;на фиг. 2 и 3 трехмерный вид и вид в разрезе соответственно новой конструкции камеры пульсирующего горения; на фиг: 4 вид частично в разрезе по области подвода воздуха камеры пульсирующего горения согласно изобретению; на фиг. 5 вид по стрелкам 5-5 на фиг. 4; на фиг. 6 - осевое сечение водонагревателя или бойлера с камерой пульсирующего горения, показанной на фиг. 2 и 3; на фиг. 7 другой вариант конструкции средства подачи топлива для устройства, показанного на фиг. 6.

Конструирование с учетом резонансных частот.

Рассмотрим первую особенность представленного изобретения, которая касается способа оптимизации рабочих характеристик камеры пульсирующего горения.

Процессы пульсирующего горения стали изучать уже в начале этого века и было разработано большое число различных типов пульсирующих печей с использование как пластинчатых откидных клапанов, так и аэродинамических устройств подачи топлива.

Выполненные заявителем исследования по лопастной камере пульсирующего горения, описанной в патенте США 4 846 149, выданном заявителю, показали, что желательно добиться согласования резонансных частот между трубкой подвода топлива и самой камерой пульсирующего горения. В общем случае идея согласования частот рассматривает условие, при котором колебательная система отвечает на периодическую возбуждающую силу с максимальной амплитудой. Это условие выполнено, если частота возбуждающей силы совпадает с собственной частотой колебательной системы.

Таким образом, пульсирующая печь, работающая в резонансном режиме, обеспечивает самые лучшие возможности для получения:
а) волны давления с максимальной амплитудой,
б) максимального теплового потока,
в) максимально полного сгорания.

Согласование частот дает особые преимущества при использовании высоких частот, что будет коротко рассмотрено ниже.

Как уже отмечалось, преимущество использования высоких частот в промышленных камерах пульсирующего горения заключается в возможности контролирования шума печи благодаря более короткой длине шумов волны. Это означает, что для контроля рабочего шума камеры пульсирующего горения можно использовать отводящий канал с меньшим резонансным объемом. Дополнительное преимущество состоит в снижении содержания соединений NO_X, что также обусловлено меньшей продолжительностью импульса, которая влияет на кинетику образования соединений NO_X.

Однако до недавнего времени трубчатые устройства с высокой частотой (более 350 Гц) изготовляли весьма редко и в качестве лабораторной диковинки
вследствие их малой емкости отсутствовали конструкции, пригодные для промышленного применения. В настоящее время выпускаются высокоэффективные камеры пульсирующего горения, но они отличаются низкой резонансной частотой, составляющей порядка 50 Гц. Это является следствием того, что для получения бытовых печей приемлемого для практического применения размера необходимо обеспечить достаточно большие емкость и площадь поверхности теплопередачи.

Лопастная камера пульсирующего горения, описанная в вышеупомянутом патенте США 4 846 149, работает в таком же линейном режиме, что и трубчатая пульсирующая печь, но горение происходит в плоском, а не круглом фронте пламени. Новизна этого подхода очевидна, если учесть тот факт, что до сих пор исследователи считали, что при значительно увеличенной площади теплопередачи вязкостное сопротивление замедляет горение. Было обнаружено, что это не так, и заявителю удалось успешно разработать работающую лопастную камеру пульсирующего горения с использованием аэродинамического клапана подачи природного газа. Ширина устройства приблизительно 12 дюймов (300мм), длина приблизительно 14 дюймов (360мм). Рабочая частота составила 441 Гц, а расход газа нормально 100000 БТЕ/ч (105000 кВт).

Это устройство пригодно для работы вместе с водонагревателем, который при отборе остаточного тепла из выхлопных газов работает с коэффициентом полезного действия свыше 98%
Теперь вернемся к вопросу согласования частот. Типичное отношение резонансных частот для высокочастотной с высоким коэффициентом полезного действия лопастной камеры пульсирующего горения должно быть следующим: резонансная частота трубки подвода топлива 1320 Гц; резонансная частота камеры сгорания вместе с выхлопной трубкой 440 Гц.

Отметим, что резонансная частота трубки повода топлива в 3 раза выше резонансной частоты камеры сгорания вместе с выхлопной трубкой. Это означает, что резонансная частота трубки подвода топлива третьей гармоникой резонансной частоты 440 Гц, которую можно рассматривать как основную частоту. В музыкальном смысле эти частоты соответствуют ноте Ля первой октавы (440 Гц) и ноте Ми третьей октавы (1320 Гц), которая выше ноты Ля на октаву и квинту. Заявитель обнаружил, что в случае, когда резонансная частота трубки подвода топлива является третьей гармоникой базовой частоты камеры сгорания и выхлопной трубки, устанавливается весьма устойчивое пульсирующее горение.

Принимая во внимание, что пульсирующее горение во многих современных камерах пульсирующего горения может быть осложнено или в целом подавлено при воздействии внешних звуковых частот, не кратных базовой частоте камеры, такое неблагоприятное влияние внешних шумов фактически невозможно в случае, когда частота трубки подвода "настроена" относительно частоты камеры сгорания и выхлопной трубы по вышеописанному способу. Следовательно, способ достижения резонанса начинается с определения базовой частоты камеры сгорания и выхлопной трубы. После этого полученное значение частоты умножают на 3, и конструируют трубку или трубки подвода так, чтобы из резонанс возникал при найденной частоте. Это может быть выполнено с помощью резонаторов с переменным объемом.

Хотя было обнаружено, что конструкция с третьей гармоникой (т.е. конструкция, в которой резонансная частота трубки подвода топлива в 3 раза выше резонансной частоты камеры сгорания вместе с выхлопной трубой) является особенно устойчивой, считаем, что для стабилизации работы можно использовать другие соотношения частот. Фактически, если отношение рассматриваемых рабочих частот представляет собой отношение двух малых целых чисел (в типичном случае меньше 6), достигается определенное повышение устойчивости процесса горения. Например, отношение 2:1 устанавливает высшую резонансную частоту на октаву выше нижней резонансной частоты. Отношение 4:1 устанавливает высшую резонансную частоту на две октавы выше нижней резонансной частоты. В музыкальной теории ноты, отношение частот которых выражается как отношение малых целых чисел, образуют гармонические звучащие аккорды.

На фиг. 1, на которой приведен вид в разрезе камеры пульсирующего горения, согласно патенту США N 4 846 149, выданному заявителю, позицией 10 обозначена камера сгорания, позицией 12 выхлопная трубка, позицией 13 - запальная свеча, позицией 14 трубка подвода топлива. Видно, что трубка 14 подвода топлива расположена под прямым углом к оси камеры сгорания 10 и выхлопной трубы 12. Пунктирными линиями (позиция 16) показано другое расположение трубки подвода топлива. Считается, что вышеописанная геометрия соответствует принципу магнитной гидродинамики, по которому, допуская, что можно достичь индуктивного соединения, выполняется следующее:
а) трубка обеспечивает беспрепятственный путь для получаемой электродвижущей силы (исключаются вихревые токи),
б) в конструкции создан канал с постоянным объемом в отличии от радиального канала, описанного в первом патенте заявителя для МГД-генераторов (патент США 4 454 436, опубл. 12 июня 1981г.),
в) выхлопной канал остается узким, что снижает требования по напряженности магнитного поля и, следовательно, делает устройство более дешевым.

"Полая" конструкция
Рассмотрим фиг. 2 и 3, на которых показан конкретный вариант конструкции, равносильный "закручиванию" варианта конструкции с плоской лопастью, описанному в вышеназванном патенте США N 4846149. В результате закручивания концы устройства располагаются рядом друг с другом.

Камера сгорания 34 имеет форму полого цилиндра с отверстием 36 в центре. Камера сгорания 34 соединена с выхлопной трубкой 38 также в форме полого цилиндра. Как видно на фиг.3, ось выхлопной трубки 38 совпадает с осью камеры сгорания 34, а зазор между стенками выхлопной трубки меньше, чем зазор между стенками камеры сгорания.

Для запуска устройства помимо запальной свечи 42 предусмотрено несколько игл 40 (см. фиг.2). Следует отметить, что иглы 40 можно разместить по всей периферии цилиндрической поверхности. В рассматриваемом варианте конструкции иглы проходят через концентрические отверстия 41 подачи воздуха, которые кроме того можно выполнить в форме втулок. В другом возможном варианте конструкции воздух подается через отдельные трубки или средства подвода, расположенные не рядом с топливными иглами 40. Выхлоп производится по направлению стрелок 44.

Предполагается, что устройство, показанное на фиг.2 и 3, позволяет создавать значительный по величине толчок в направлении стрелок 44, что делает его пригодным для использования в качестве двигателя.

Использование клапанов
Обратимся теперь к фиг.4 и 5, иллюстрирующим следующий новый аспект изобретения.

Регулирование пульсирующей струей клапана подачи воздуха обычно осуществляют либо механически, либо аэродинамически.

В механических устройствах клапан перекрывает отверстие под действием давления, создаваемого волной горения, т.е. волна ударяется о твердую поверхность. В результате скорость выхода будет максимальной. Результирующая звуковая волна имеет длину волны в 4 раза больше, чем длина устройства (устройство с 1/4 длиной волны).

При использовании аэродинамического клапана волна давления не встречает никаких препятствий при достижении отверстия подвода воздуха и поэтому возможно ее дальнейшее движение, пока волна давления не изменит направления движения вследствие разрежения, создаваемого перед волной давления при ее движении в сторону конца канала выпуска газа. Этот соответствует минимальной скорости выхода. Получаемая в результате звуковая волна имеет длину в два раза больше, чем длина устройства (устройство с 1/2 длиной волны).

Любая пульсирующая струйная система, в которой предусмотрены теплообменник и устройство разделения выхлопных газов, теряет часть положительного толчка на результирующее обратное давление. Представленная конструкция является попыткой достичь промежуточной точки работы между использованием механических и аэродинамических клапанов, в которой сочетаются преимущества обеих систем.

Рассмотрим фиг.4. На фиг.4 показан конец 50 камеры пульсирующего горения 52, через который осуществляют подвод воздуха в камеру пульсирующего горения. Камера 52 имеет боковую стенку 54 и торцовую стенку 56, торцовая стенка содержит несколько круглых отверстий 58, через которые подается топливо и воздух. Топливо подается через топливную трубку 60, расположенную практически по центру отверстий 58. В отверстии 58 установлена специально разработанная шайба 62, выполняющая функции стационарного "клапана". Внутреннее отверстие 64 шайбы 62 определяет площадь, доступную для волны давления, толкающей шайбу, т. е. регулирует величину положительного толчка. В результате можно установить оптимальную точку работы между обоими крайними положениями регулирования клапанами, описанными выше, сохраняя преимущества аэродинамического функционирования.

Водонагреватель
Обратимся к фиг. 6, на которой в осевом сечении показана конструкция, пригодная для водонагревателя или бойлера.

На фиг.6 наружная цилиндрическая стенка 70 с верхней торцовой стенкой 72 и нижней торцовой стенкой 74 служит опорой и заключает в себя все основные элементы системы. На фиг.6 видно, что к внутренним элементам относятся камера сгорания 78 в виде полого цилиндра, как показано на фиг.2 и 3. Камера сгорания 78 расположена в верхней части, а выхлопная труба 80 в нижней части устройства.

Камера сгорания 78 фиксируется с помощью кольцевой перегородки 82, расположенной снаружи камеры пульсирующего горения 76 и закрепленной на цилиндре 70, например, сваркой. Круглая перегородка 84, расположенная в одной плоскости с кольцевой перегородкой 82, приварена или закреплена другим способом к внутренней поверхности центральной полости, образуемой камерой сгорания 78.

В направлении к нижнему концу устройства, как показано на фиг.6, между выхлопной трубкой и цилиндром 70 установлена дополнительная кольцевая перегородка 88, приваренная к ним или закрепленная иным способом. Кроме того, во внутренней полости выхлопной трубки 80 приварена или закреплена иным образом круглая перегородка 90. Благодаря этому кольцевая выхлопная труба 80 сообщается через расположенные в одной плоскости перегородки 88, 90 с выпускной областью 92 повышенного давления, ограниченной нижней торцовой стенкой 74, нижней частью цилиндра 70 и перегородками 88 и 90. Выхлопная трубка 94 соединена с областью 92 повышенного давления и служит для удаления выхлопных газов наружу из области 92.

Теперь рассмотрим верхнюю часть устройства, показанного на фиг. 6. Камера сгорания 78 образована между внутренней практически цилиндрической стенкой 100 и наружной практически цилиндрической стенкой 102. Входной торец 104 закрывает верхний конец камеры сгорания 78, но в ней выполнено несколько круглых отверстий 106, например 8 отверстий, расположенных равномерно по окружности. Через отверстия 106 пропущены трубки 108 подачи топлива, выступающие на небольшое расстояние внутрь камеры сгорания 78.

Трубки 108 опираются на топливное кольцо 110, через которое к ним подводят топливо, поступающее по топливной трубке 112 из соответствующего находящегося под давлением источника (не показано).

На фиг. 7 приведен другой вариант конструкции средства подачи топлива. Верхний конец камеры сгорания 78 содержит закрепленную в нем подводящую трубку 150. Верхний по потоку конец 152 подводящей трубки 150 расширяется, а затем в точке 154 отгибается внутрь и служит опорой для втулки 156 клапана, на нижнем конце которой расположена проволочная рамка 158, являющаяся опорой клапана 160. При заборе воздуха (движение вправо) клапан 160 опирается на проволочную рамку 158, но выполнен с возможностью садиться на внутренний выступ 162 трубки 150. Клапан 160 может представлять собой сплошной диск или кольцо с небольшим центральным отверстием.

Запальная свеча 114 используется в качестве соответствующего воспламеняющего средства для инициирования пульсирующего горения внутри камеры сгорания 78.

Как видно из фигур, верхняя торцовая стенка 72, верхняя часть цилиндра 70, кольцевая перегородка 82 и круглая перегородка 84 все вместе определяют воздушную камеру 116. Воздух в камеру 116 поступает через пористый чашеобразный элемент 120, выполненный из металлокерамики или т.п. материала. Подвод воздуха снаружи в камеру 116 показан стрелками 121. Ясно, что воздух из камеры 116 попадает в камеру сгорания 78 через несколько отверстий 106.

Труба 123 подвода воды, показанная в нижней правой части фиг.6, проходит через область 92 повышенного давления и герметизирована от нее. После прохода через круглую перегородку 90 трубку изгибают вправо, а затем направляют вверх по оси дополнительной водяной рубашки 124, ограниченной внутренней стенкой 126 выхлопной трубки 80. Вода движется к верхней части объема 124 по вертикальной части 128 трубки 123, затем меняет направление и вытекает через дополнительную водяную рубашку 124 и выходит из нее через U-образный канал 130, проходящий через область 92, не сообщаясь с ней. В результате частично нагретая вода из дополнительной водяной рубашки 124 попадает в нижнюю часть спирального канала 132, образованного между наружной стенкой 134 выхлопной трубки 80, цилиндром 70 и спиральной перегородкой 136, выполненной снаружи выхлопной трубки 80 и внешней стенки 102 камеры сгорания. Спиральный канал 132 проходит вокруг камеры сгорания и заканчивается в области 138, соединенной с трубкой 140 выхода горячей воды.

Устройство, показанное на фиг.6, запускают, подавая топливо и воздух в камеру сгорания 78, затем с помощью запальной свечи 114 либо с помощью другого подходящего средства внутри камеры 78 инициируют пульсирующее горение. Выхлопные газы удаляются из выхлопной трубки 80 через область 92 повышенного давления и средства 94 отвода выхлопных газов. Вода в начале проходит через водяную рубашку 124, затем через спиральный канал 132 и, наконец, через патрубок 140 выхода воды.

Ясно, что воду можно пропускать и в противоположном рассмотренному направлении. Далее ясно, что теплопроводящие стенки, а именно стенки 100, 102, 126 и 134, изготовлены из материала и имеют толщину, обеспечивающие хорошую передачу к воде. Предпочтительно стенки изготовляют из меди, латуни или нержавеющей стали.

Хотя прилагаемые чертежи иллюстрируют ряд особенностей различных вариантов конструкции согласно изобретению, очевидно, что специалисты в рассматриваемой области техники могут внести изменения и дополнения, не отступая от принципов изобретения, описываемого нижеследующей формулой изобретения. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 ЫЫЫ6

Использование: в энергетике, в частности в водонагревателях или бойлерах с высоким коэффициентом полезного действия. Сущность изобретения: размеры трубки 112 подачи топлива, камеры 78 сгорания и выхлопной трубы 80 выбраны из условия обеспечения отношения резонансной частоты трубки 112 подачи топлива к резонансной частоте камеры 78 сгорания вместе с выхлопной трубой 80 как два целых числа, меньших 6. 11 з.п. ф-лы, 7 ил.

Устройство пульсирующего горения, содержащее корпус, вертикально расположенные в нем удлиненные камеру сгорания и выхлопную трубу с равноудаленными боковыми стенками, причем входной торец камеры сгорания закреплен, выходной торец выхлопной трубы открыт, а расстояние между боковыми стенками камеры сгорания больше, чем между боковыми стенками выхлопной трубы, указанные камера и труба сообщены посредством соединительной части, выполненной в виде усеченного конуса, трубку подачи топлива, средства подачи воздуха, воспламенитель, средства отвода выхлопных газов из выхлопной трубы, водяную рубашку, охватывающую камеру сгорания и выхлопную трубу, отличающееся тем, что размеры трубки подачи топлива, камеры сгорания и выхлопной трубы выбраны из условия обеспечения отношения резонансной частоты трубки подачи топлива к резонансной частоте камеры сгорания вместе с выхлопной трубой как два целых числа меньших 6.