ТОПКА ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 1997 года по МПК F23M11/00 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано при проектировании топок котлов, теплогенераторов и других теплотехнических устройств, работающих на топливе, смеси с воздухом которого при определенных условиях взрывоопасны.

Известны топки, работающие на топливе, смеси которого с воздухом взрывоопасны, состоящие из камеры сгорания (характерные линейные размеры по различным направлениям которой существенно отличаются), узла подачи топлива, устройства зажигания, вентилятора, дымовой трубы и взрывного клапана [1] [2] [3]
Недостатком известных устройств является ограниченная возможность повышения эффективности взрывных клапанов.

Заявляемое изобретение решает задачу повышения эффективности взрывного клапана за счет изменения его расположения на ограждении камеры сгорания.

Поставленная цель достигается тем, что в топке, состоящей из камеры сгорания (характерные линейные размеры по различным направлениям которой существенно отличаются), устройства зажигания, вентилятора, дымовой трубы и взрывного клапана, взрывной клапан расположен относительно устройства зажигания на расстоянии, не превышающем наименьший характерный размер камеры сгорания.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена топка. Топка состоит из камеры сгорания 1, узла подачи топлива 2, устройства зажигания 3, вентилятора 4, дымовой трубы 5 и взрывного клапана 6. Камера сгорания имеет длину L, превышающую ее диаметр d, при этом узел подачи топлива и устройство зажигания расположены у одного из торцов камеры сгорания в непосредственной близости друг от друга. Взрывной клапан 7 удален от устройства зажигания на расстояние, не превышающее d.

Топка работает следующим образом.

При розжиге и горении, не отклоняющихся от рабочих режимов, топка работает взрывоопасно.

Однако в случае, если в камере сгорания 1 накапливается смесь топлива и воздуха, по своему объему превышающая тот, что имеет место на рабочем режиме, и происходит ее воспламенение, то в камере сгорания может развиться давление, при котором срабатывает взрывной клапан 6.

Рассмотрим процессы, протекающие в камере сгорания в наиболее неблагоприятном с точки зрения безопасности варианте, когда она полностью заполнена топливно-воздушной смесью. В такой камере сгорания после срабатывания устройства зажигания 3 фронт горения топливно-воздушной смеси, распространяясь, увеличивается в размерах. У тех типов камер сгорания, у которых линейные размеры в разных направлениях неодинаковы, фронт горения достигает различные элементы ее ограждения в различное время. Время достижения фронтом горения взрывного клапана находится в прямой зависимости от расстояния между ним и устройством зажигания.

При этом следует отметить, что истечение газов через взрывной клапан при этом имеет два этапа: первый истечение несгоревшей части топливно-воздушной смеси и второй по достижении фронтом пламени взрывного клапана истечение сгоревшей части смеси (продуктов сгорания).

Повышение эффективности взрывного клапана основано на утверждении, что давление в защищаемом объеме будет тем меньше, чем раньше через него начнут истекать продукты сгорания, что может быть достигнуто при приближении взрывного клапана к устройству зажигания.

При доказательстве этого утверждения сравниваются два варианта истечения через взрывной клапан: истечение несгоревшей смеси газов и истечение продуктов сгорания. При этом не принимается во внимание истечение газов через дымовую трубу, которое в обоих рассматриваемых случаях одинаково.

Значение давления в камере сгорания определяется уравнением:
(dp/dt)V/(RT) d(RT)pV/(RT)² m, (1)
где p давление в камере сгорания, Па;
t время, с;
V объем камеры сгорания, м³;
R средневзвешенная газовая постоянная смеси газов, состоящей из несгоревший части и сгоревшей, Дж/K;
Т средневзвешенная температура той же смеси газов в камере сгорания, K;
m расход через клапан, кг/с.

В свою очередь расход через клапан определяется по формуле
m = ρwF, (2)
где ρ плотность истекающих газов, кг/м³;
w скорость истечения газов, м/с;
F эффективная площадь проходного сечения клапана, м²;
В сравниваемых вариантах приняты одинаковыми изменения размеров и положения фронта горения в камере сгорания, то есть принято, что (RT), d(RT), и, следовательно, d(RT)pV/(RT)² idem для обоих вариантов одинаковы.

Обозначим через индекс "1" параметры продуктов сгорания, а через "2" - топливно-воздушной смеси. Тогда, принимая во внимание, что в камере сгорания происходит уменьшение той части газов, которая истекает, и потому все, что относится к dp₁/dt имеет отношение только к R₁T₁, а к dp₂/dt R₂T₂, тогда можно написать [(dp₁/dt)V/(R₁T₁)]/[(dp₂/dt)V/ /(R₂T₂)] 1 (m₁/m₂) 1.

Учтем также незначительность изменения состава газов до и после горения, то есть признаем k₁ = κ₂ = κ и R₁ R₂ R. Откуда получим
[(dp₁/dt)/(dp₂/dt)](T₁/T₂) = (ρ₁w₁)/(ρ₂w₂). (3)
Учитывая, что зависимость плотности газа от других параметров состояния в проходном сечении будут определяться теми же зависимостями, что и в нормальном состоянии, справедлива замена
ρ₁/ρ₂ = (T₁/T₂)^-0,7.
Аналогично выразим и отношение скоростей газов в проходном сечении исходя из того, что для случая критических скоростей w = (κRT)^0,5, (с равным успехом можно показать это же для других случаев)
w₁/w₂ T₁/T₂)^0,5.

Тогда можно записать, что
(dp₁/dt)/(dp₂/dt) (T₁/T₂)(Т₁/Т₂)^-0,7 (Т₁/Т₂)^0,5 (Т₁/Т₂)^0,8.

Откуда видно, что темп снижения давления в камере сгорания больше, когда через клапан истекают продукты сгорания, нежели топливно-воздушная смесь. Это обстоятельство и доказывает эффективность повышения взрывоопасности за счет приближения места расположения взрывного клапана к устройству зажигания.

Заявляемое устройство решает задачу повышения взрывобезопасности топок, в камере сгорания которых возможно образование взрывоопасных смесей топлива и воздуха за счет того, что расстояние между взрывным клапаном и устройством зажигания не превышает наименьший характерный линейный размер камеры сгорания.

Использование: при проектировании топок котлов, теплогенераторов и других теплотехнических устройств, работающих на топливе, смеси. Сущность изобретения: взрывной клапан размещают от устройства зажигания на расстоянии, не превышающем наименьший линейный размер объема камеры сгорания топки. Конструкция топки обеспечивает снижение давления при возможных взрывах топливно-воздушной смеси. 1 ил.

Топка теплотехнического устройства, работающая на топливе, смеси которого с воздухом взрывоопасны, состоящая из камеры сгорания, линейные размеры которой по различным направлениям существенно отличаются, узлы подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания, устройства зажигания, дымовой трубы и взрывного клапана, отличающаяся тем, что взрывной клапан расположен относительно устройства зажигания на расстоянии, не превышающем наименьший линейный размер камеры сгорания.