СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА С ВОЗДУХОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F23C11/00 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в газотрубных приводах и авиационных двигателях, а также в различных камерах сгорания и топках, работающих на жидком или газообразном топливе и воздухе с коэффициентом избытка воздуха α > 1,5.

Известен способ сжигания топлива путем смешения топлива и воздуха с образованием по ширине факела продольных зон устойчивого воспламенения с локальными значениями коэффициента избытка воздуха a 0,4-2,5 и впрыска воды в факел в зону с локальным значением коэффициента избытка воздуха a 1,1-1,4 по всей длине [1]
Недостатком известного способа является то, что в реальных процессах при наличии зон с a <1,0 образуются сажа и нагар, кроме того, к неполному сгоранию ведет и впрыск воды непосредственно в зону процесса горения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ получения сушильного агента, включающий сжигание газообразного топлива с воздухом и разбавление продуктов сгорания охлаждающим воздухом (прототип) [3] В известном способе газообразное топливо перед сжиганием смешивают с воздухом в соотношении, превышающем стехиометрическое в 1,5-2,0 раза.

Недостатком этого способа является то, что указанный коэффициент избытка воздуха почти предельный по условиям воспламенения (α_пр) [2] (значение этого коэффициента составляет для метана 2,0, пропана 1,7, природного газа 1,8-2,0, бензина 1,65 1,75). Следовательно, будут существовать локальные зоны, в которых вообще топливовоздушная смесь не будет гореть, что, как известно, снижает экономичность энергетических установок. Поэтому на практике этот способ не нашел широкого применения.

Известно устройство для получения сушильного агента, которое содержит воздушный патрубок, камеру сгорания, камеру смешения, на выходе которой установлен каталитический насадок, и дополнительную камеру смешения [3]
Недостатком устройства, как и способа, который реализуется с помощью этого устройства, является вероятность получения невысокой полноты сгорания топлива.

Техническим результатом изобретения является повышение полноты сгорания и уменьшение вредных выбросов.

Это достигается тем, что в предлагаемом способе топливовоздушную смесь предварительно подготавливают в камере смешения с коэффициентом избытка воздуха α 1,02-1,05, на входе в зону горения подают воздух в виде отдельных спутных струй до обеспечения коэффициента избытка воздуха a 1,5-2,0, продукты сгорания смешивают с воздухом на расстоянии, равном 5-8 калибрам диаметра выходного участка камеры смешения от ее выходного среза.

Способ реализуется в устройстве, содержащем камеру сгорания, горелку с камерой смешения, примыкающей к камере сгорания, и каналы подвода топлива и воздуха, согласно изобретению для повышения полноты сгорания и уменьшения вредных выбросов горелка снабжена диском, установленным вокруг камеры смешения и имеющим осевые отверстия для подачи воздуха в камеру сгорания. Камера смешения выполнена в виде диффузора, на входе которого соосно расположен цилиндрический насадок для подвода топлива, устройство снабжено по меньшей мере одной горелкой, при этом суммарные площади проходных сечений воздуха через камеры смешения, отверстия в диске и топлива через насадки находятся в соотношении 0,7 ≅ (F_o/F_c) ≅ 1,7;
F_c/F_н ≅ 0,9•K_m(ρ_т/ρ_в)0,5,

где F_с, F_о суммарные площади проходных сечений камер смешения и отверстий в диске, соответственно;
ρ_в, ρ_т плотность воздуха на входе в камеру смешения и топлива на выходе из насадка, соответственно;
K_m массовое отношение расхода воздуха к расходу топлива при α 1,05.

На фиг. 1 изображен фрагмент устройства; на фиг. 2 характер изменения давления воздуха и топливовоздушной смеси по длине камеры смешения, где 1 - камера сгорания (жаровая труба); 2, 3 каналы подвода топлива и воздуха; 4 - камера смешения; 5 отверстия в диске; 6 диффузор; 7 цилиндрический насадок подачи топлива; 8 канал подвода воздуха к камере смешения; 9 диск (огневое днище); 10 отверстия в камере сгорания; 11 полость подвода воздуха к камере сгорания;
l длина канала топливовоздушной смеси;
L расстояние от выходного среза камеры смешения до расположения отверстий 10;
F_c площадь входа воздуха в диффузор (проходное сечение камеры смешения);
F_н площадь выхода насадка (проходное сечение насадка);
F_o площадь проходных сечений отверстий в диске;
D диаметр (калибр) выходного участка камеры смешения;
v угол расширения диффузора;
Р_вх давление воздуха на входе в канал 3;
Р_вых давление в камере сгорания;
Р_min давление воздуха в сечении F_c;
i обозначение, относящееся к единичному элементу.

Кроме того, в описании приняты следующие обозначения:
a коэффициент избытка воздуха;
коэффициент отношения массовых расходов воздуха и топлива;
массовый расход;
μ коэффициент расхода геометрического канала;
V скорость;
r плотность;
т топливо;
в воздух;
DP перепад давления (градиентное поле давления).

Устройство на фиг. 1 изображено схематически и для упрощения не показаны корпус, в котором оно монтируется, и места соединения отдельных элементов. Причем, на фиг. 1 показана только камера смешения 4 предварительной подготовки топливовоздушной смеси. Практически их будет любое количество, а схема их расположения по полю входной части камеры сгорания может быть различной.

Основными элементами устройства являются камера сгорания 1, каналы 2 и 3 подвода топлива и воздуха и так называемая горелка.

В данном техническом предложении горелку изобразить в виде отдельного элемента не представляется возможным, так как она образована камерой смешения 4 в виде диффузора 6 и насадка 7, расположенного на его входе, и снабжена диском 9 с осевыми отверстиями. Причем камеры смешения 4 и отверстия 5 в диске могут быть выполнены как в отдельных конструктивных элементах, так и в одном корпусе. На фиг. 1 показано, что отверстия 5 выполнены в диске 9, закрепленном на входной части камеры сгорания, а камера смешения 4 в другом конструктивном элементе.

Камера смешения 4 топливовоздушной смеси выполнена в виде диффузора 6, на входе которого соосно расположен цилиндрический насадок 7. Диффузор имеет площадь входной части (F_ci), диаметр выхода (D) и угол расширения (Φ), а насадок площадь выхода (F_нi).

Канал подвода воздуха к диффузору 6 может быть выполнен в виде конфузора 8 (плавно сужающего канала).

В камере сгорания на длине L 5-8 D выходного среза камеры смешения (диффузора) выполнены отверстия 10.

Отверстия 5 и 10 и конфузоры 8 сообщаются с общей полостью 11 подвода воздуха к устройству.

Устройство работает следующем образом.

Подается воздух в полость 11. Из этой полости воздух поступает в камеру сгорания 1 через камеру смешения 4 и отверстия 5 и 10 в диске 9 и жаровой трубе.

Включается запальное устройство (на фиг. 1 не показано), использующее для поджига или элементы накаливания, или электрический разряд, или плазму.

Через определенное время, необходимое для выхода на рабочий режим запального устройства, подается жидкое или газообразное топливо через насадки 7.

Топливо с воздухом смешивается в камере смешения 4 в соотношении, близком к стехиометрическому (α 1,02-1,05), и подается в камеру сгорания, где воспламеняется, образуя в локальных зонах с высокой температурой (примерно 2200K) продукты сгорания, которые смешиваются вначале со спутными струями чистого воздуха, поступающими в камеру сгорания через отверстия 5, и охлаждаются до требуемой температуры (примерно 1700K), а затем со струями чистого воздуха, поступающими в камеру сгорания через отверстия 10, и охлаждаются до требуемой температуры (примерно 1000K).

После воспламенения запальное устройство выключается и устойчивость процесса горения в камере сгорания обеспечивается созданием условий для самовоспламенения топливовоздушной смеси.

Время работы устройства не регламентируется.

Выключается устройство путем прекращения подачи вначале топлива, а затем воздуха.

Полное сгорание топлива обеспечивается, во-первых, созданием зоны горения с коэффициентом избытка воздуха несколько большим стехиометрического значения, но меньшим предельного по условиям воспламенения, во-вторых, созданием локальных объемов топливовоздушной смеси, хорошо перемешанной и мелкодисперсной (для случая жидкого топлива) до начала ее горения.

Условие иметь коэффициент избытка воздуха несколько больше стехиометрического, а именно a 1,02-1,05, обеспечивается входными параметрами по линиям топлива и воздуха, давлением в камере и геометрией камеры смешения топливного и воздушного каналов. Условие иметь коэффициент избытка воздуха меньше предельного по условиям воспламенения обеспечивается соотношением суммарных площадей минимального сечения камеры смешения (F_c) и отверстий 5 (F_o). Это соотношение выходит из значений коэффициента расхода (μ) сопловых элементов (конфузор + диффузор), для которых μ_c 1,0, и отверстий μ_o 0,6, а также потребности обеспечения при прочих равных условиях

Второе условие создание высокого качества смесеобразования в локальных объемах обеспечивается смесительным элементом соплового типа форсункой Доброхотова и Казанцева (Витман Л. А. Палеев И. И. Кацнельсон Б. Д. "Распыливание жидкости форсунками". Госэнергоиздат, М-Л. 1962, с. 148), которые на практике показали высокую эффективность по равномерности распределения жидкого и газообразного топлива по сечению воздушного канала и получения мелкодисперсной смеси (для жидкого топлива). Однако, так как при схеме получения топливовоздушной смеси в диффузорном канале имеет место механизм внедрения топлива в воздушную струю, основанный на градиентном поле давления, необходимы дополнительные условия, которые вытекают из следующего. На участке диффузорного канала воздух создает градиент давления (перепад давления) величиной P_вых P_min ΔP. Так как выходное сечение диффузора, где реализуется значения давления воздуха, P_min, то эта величина давления соответствует и давлению выхода топлива из насадка. Струя топлива, выходящая из насадка, будет иметь динамический напор, определяемый параметрами . Как известно, неограниченная струя пока не раздробилась (распалась) отвечает уравнением неразрывности Бернулли, т. е. из-за того, что в каждом последующем сечении ее движения давление в воздухе нарастает, струя топлива начинает тормозиться и увеличиваться в сечении (как бы внедряться в поток воздуха). Если , то топливо вообще за счет собственной энергии не может поступать в камеру сгорания, оно вынуждено смешиваться с воздухом и приобретать дополнительное количество движения. Поэтому, чем меньше величина относительно ΔP, тем сильнее механизм взаимодействия струй. Ранее проведенные эксперименты показали, что при реализации 0,528, т. е. разгона воздуха до скорости звука и его торможения в диффузном канале с углом расширения Φ 8-10^o, величина потерь кинетической энергии в диффузоре не превышает 10 При P_min/P_вх > 0,528 потери энергии в диффузоре уменьшаются.

Исходя из вышеизложенного следует, что необходимыми и достаточными условиями течения топлива и воздуха в сечениях F_н и F_с должно быть ρ_тV2т

≅ 0,9ρ_вV2в. Ограничение параметра ρ_тV2т, с другой стороны, как показали опытные работы, не принципиально.

Так как то полученное неравенство можно привести к виду , где К_m значение коэффициента отношения массовых расходов воздуха и топлива следует брать при α 1,05. Это условие отражено в формуле изобретения.

Уменьшение вредных выбросов обеспечивается:
созданием локальных зон горения с коэффициентом избытка воздуха a 1,02-1,05;
организацией подачи воздуха в зону горения до обеспечения a ≥ 1,5;
организацией подачи воздуха на участке после 5-8 калибров выходного среза камеры смешения.

Необходимость и достаточность первых двух условий для достижения поставленной цели по уменьшению вредных выбросов (окиси углерода СО, окиси азота NO_x, бензапирена C₂₀H₁₂, этилена С₂H₄, ацетилена С₂H₂ и др.) подтверждена известными данными (кн. Федоров Н. А. Техника и эффективность использования газа. М. Недра, 1983, с. 270 275). При этом выполнение вокруг камеры смешения нескольких отверстий для подачи струями дополнительного воздуха в зону горения наиболее простое и эффективное средство для охлаждения конструкции и локальных зон горения. Необходимость и достаточность третьего условия (подачи дополнительного воздуха на определенном участке) вытекает из компромиссного решения между зависимостью величины выбросов окислов азота (NO_x, г/кг топлива) от времени (t, мс) пребывания продуктов сгорания в камере при высокой температуре (Т, K) и необходимостью обеспечения в зоне горения коэффициента избытка воздуха меньше предельного по условиям воспламенения. Вышеуказанная зависимость имеет вид

(кн. Лефевр. А. Процессы в камерах сгорания ГТД, пер. с англ. М. Мир, 1986, с. 485). Следовательно при Т 2200K NO_x 0,145t.

С одной стороны, коэффициент пропорциональности 0,145 достаточно велик, чтобы с ним не считаться, а с другой, нельзя допускать в зоне горения локальных участков с α примерно 2, в противном случае будет иметь место неполнота горения топлива. По этой же причине нежелательно в зоне горения с высокими значениями a организовать закрутку воздуха, т. к. при этом возрастает вероятность образования обедненных зон (где топливо не горит). Поэтому предлагается подача в зону горения топливовоздушной смеси и дополнительного воздуха в виде отдельных спутных струй.

Как известно, процесс горения завершается на длине 5-8 калибров выходного среза камеры смешения. Поэтому на участке камеры после 5-8 калибров можно подавать дополнительный расход воздуха любой величины.

Предлагаемые способ и устройство для его осуществления обеспечивает высокую полноту сгорания топлива и уменьшение вредных выбросов источников загрязнения воздушного бассейна.

Использование: в энергетике и может быть использовано в газотрубных установках, а также в различных камерах сгорания и топках, работающих на жидком или газообразном топливе и воздухе. Сущность: способ предусматривает предварительную подготовку в камерах смещения топливо-воздушной смеси с коэффициентом избытка воздуха α = 1,02 - 1,05, на вход в зону горения подают воздух в виде отдельных спутных струй до обеспечения коэффициента избытка воздуха α = 1,5 - 2,0, продукты сгорания смешивают с воздухом на расстоянии, равном 5-8 калибрам диаметра выходного участка камеры смешения от ее выходного среза. Способ реализуется в устройстве, содержащем камеру сгорания 1 и горелку с камерой смешения 4, устройство снабжено диском 9, установленным вокруг камеры смешения 4 и имеющим осевые отверстия 5 для подачи воздуха в камеру сгорания, камера смешения 4 выполнена в виде диффузора 6, на входе которого соосно распложен цилиндрический насадок 7 для подвода топлива, при этом суммарные площади проходных сечений воздуха через камеры смешения (F_c) отверстия в диске (F₀) и топливе (F_н) через насадки находятся в соотношении: F_c/F_н≅ 0,9•K_т(ρ_т/ρ_в)^0,5 0,7 ≅ F_o/F _c≅ 1,7, где ρ_в,ρ_т - плотность воздуха на входе камеры смешения и топлива на выходе из насадка; К_m - массовое соотношение воздуха и топлива при α = 1,05. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ сжигания топлива с воздухом путем предварительной подготовки топливовоздушной смеси в камере смешения до зоны горения, смешения полученных продуктов сгорания с воздухом, отличающийся тем, что топливовоздушную смесь предварительно подготавливают с коэффициентом избытка воздуха α = 1,02 - 1,05, на входе в зону горения подают воздух в виде отдельных спутных струй до обеспечения коэффициента избытка воздуха α = 1,5 - 2,0, продукты сгорания смешивают с воздухом на расстоянии, равном 5 8 калибрам диаметра выходного участка камеры смешения от ее выходного среза. 2. Устройство для сжигания топлива с воздухом, содержащее камеру сгорания, горелку с камерой смешения, примыкающей к камере сгорания, каналы подвода топлива и воздуха, отличающееся тем, что горелка снабжена диском, установленным вокруг камеры смешения и имеющим осевые отверстия для подачи воздуха в камеру сгорания, камера смешения выполнена в виде диффузора, на входе которого соосно расположен цилиндрический насадок для подвода топлива, устройство снабжено по меньшей мере одной горелкой, при этом суммарные площади проходных сечений воздуха через камеры смешения, отверстия в диске и топлива через насадки находятся в соотношении
0,7 ≅ F₀ / F_c ≅ 1,7,
F_c/F_н ≅ 0,9•K_m(ρ_т/ρ_в)0,5,

где F_c суммарная площадь проходных сечений камер смешения;
F₀ суммарная площадь проходных сечений отверстий диска;
F_н суммарная площадь проходных сечения насадков;
ρ_т- плотность топлива на выходе из насадка;
K_m массовое отношение расхода воздуха к расходу топлива при коэффициенте избытка воздуха α = 1,05.е