КАМЕРА ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ГОРЕНИЯ ДЛЯ ПОДОГРЕВА ВОДЫ Российский патент 2000 года по МПК F23C11/04 F23R7/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для организации пульсирующего горения газообразных и жидких топлив в подогревателях жидкости различных мощностей.

Широко используется метод пульсирующего горения в устройствах, предназначенных для подогрева жидкости. Эти устройства построены на основе камеры пульсирующего горения (КПГ) и функционально состоят из камеры воспламенения, резонансной трубы, аэродинамического клапана, форсунки, пускового запальника. Сжигание газообразных и жидких топлив в КПГ позволяет строго соблюдать экологические условия, снизить расход энергии на тягодувные нужды, сэкономить конструкционные материалы. Пульсационное сжигание топлива, кроме того, в определенных условиях интенсифицирует конвективный обмен. Степень интенсификации теплообмена в большей степени зависит от величины амплитуды пульсаций. Однако, ввиду небольшой площади поверхности нагрева для передачи тепла внешнему теплоносителю применение КПГ в подогревателях воды больших объемов не всегда является целесообразным.

В камерах пульсирующего горения чаще всего используют аэродинамические клапаны с неизменными аэродинамическими размерами. Недостатком таких клапанов является то, что эффективное их применения происходит в узком диапазоне тепловых нагрузок.

Снижение и повышение расхода топлива ухудшает работу клапана, связанную с большими потерями тепла при выбросе газов и недостаточно интенсивным всасыванием воздуха в КПГ. В результате этого ухудшается полнота сгорания, увеличивается химический недожог, снижается КПД камеры (см. а.с. СССР 922427, МПК F 23 С 11/04, 1982).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой камере является КПГ, содержащая установленную в ее полости форсунку с запальником, а также подключенные к выходному участку камеры резонатор и аэродинамический клапан в виде патрубка. Резонатор выполнен в виде пучка труб, прикрепленных к выходному участку тангенциально (см. а.с. СССР 909422, МПК F 23 С /04, 1982).

К недостаткам прототипа, в первую очередь, следует отнести высокое гидродинамическое сопротивление в пучке труб, обусловленное их загибом на прямой угол вблизи соединения с камерой. В этих условиях получение больших значений амплитуд давления становится весьма затруднительно, особенно при повышенных расходах топлива. Вследствие этого снижается интенсивность конвективного теплообмена, увеличивается химический недожог. Кроме того, боковое подключение пучка труб увеличивает габаритные размеры установки.

Прототип имеет аэродинамический клапан трубчатой формы. При форсированных режимах из аэродинамического клапана выбрасывается большое количество горячих недогоревших газов, которые в дальнейшем вновь попадают в КПГ. Вместе с тем, значительная часть газов остается в атмосфере, что значительно ухудшает экологические параметры установки, снижает КПД КПГ. Уменьшение расхода топлива с целью настройки камеры на режим малых нагрузок приводит к сбоям и срывам пульсирующего горения. Это обусловлено прежде всего зависимостью амплитуды пульсаций давления в камере от коэффициента избытка воздуха. Количество всасываемого воздуха в значительной степени зависит от формы и конструкции аэродинамического клапана.

Техническим результатом изобретения является создание подогревателя жидкости, надежно и устойчиво работающего в широком диапазоне регулирования тепловых нагрузок, имеющего высокий КПД и улучшенные экологические параметры по выбросам вредных газов.

Указанный технический результат достигается тем, что камера пульсирующего горения содержит резонатор, выполненный в виде пучка труб, горелку с запальником, аэродинамический клапан, подключенный к камере сгорания и образованный дном камеры сгорания с отверстием и сплошным предметом, расположенным у отверстия, при этом аэродинамический клапан имеет форму расширяющегося канала с регулируемой площадью сечения, а пучок труб подключен к цилиндрической камере сгорания коаксиально.

На фиг. 1 изображена камера пульсирующего горения, общий вид, на фиг. 2 изображен подогреватель воды, работающий по принципу пульсирующего горения.

Камера пульсирующего горения содержит (см. фиг. 1) аэродинамический клапан, выполненный в виде расходящегося от центра канала, образованного дном 1 камеры и сплошным предметом, расположенным у отверстия 2 дна, например диском 3. Конструкция клапана при необходимости предполагает изменение площади сечения канала. Последнее достигается изменением расстояния между дном 1 и диском 3 путем перемещения диска 3 по осям 6. В боковую стенку эксцентрично вмонтирована инжекционная горелка 4. Запальное устройство 5 размещено у выходного конца инжекционной горелки 4. Горючая смесь воспламеняется от запального устройства 5 и в камере сгорания инициируется пульсационное горение с резким повышением давления и температуры. Начинается течение газов в сторону резонатора 7 и аэродинамического клапана. Горячие газы, истекающие из отверстия 2 на дне 1 камеры, поступают в канал аэродинамического клапана, где происходит торможение потока. Инерционно задерживается развитие обратного выброса газов из камеры через аэродинамический клапан и массой холодного воздуха, находящегося в тракте клапана. Вследствие инерции столба газов в камере сгорания создается разрежение. Выбрасываемые из клапана горячие газы всасываются обратно в камеру. В тракте клапана происходит их активное смешивание со свежим воздухом. Конструкция аэродинамического клапана при обратном движении газов в камеру обеспечивает наименьшее гидродинамическое сопротивление в газовоздушном тракте. Камера сгорания вновь заполняется газовоздушной смесью. В период всасывания из инжекционной горелки в камеру сгорания тангенциально подается свежее топливо, тем самым дополнительно интенсифицируется процесс смешивания в камере. Стабилизация горения в пульсирующем режиме обеспечивается вихревыми течениями, возникающими у внутренних стен камеры сгорания. Оптимальное значение коэффициента избытка воздуха в камере при повышенных или пониженных нагрузках поддерживается изменением площади сечения канала аэродинамического клапана. Такое устройство клапана обеспечивает устойчивую и экономичную работу камеры, полное сгорание топлива в широком диапазоне регулирования по тепловой нагрузке, улучшенные экологические параметры по вредным выбросам продуктов сгорания в окружающую среду.

Резонатор, выполненный в виде пучка труб, присоединен к выходному участку камеры сгорания коаксиально и позволяет уменьшить габаритные размеры устройства. Количество труб определено исходя из требуемых геометрических соотношений КПГ. Пульсирующее истечение горячих продуктов сгорания через эти трубы способствует интенсивной передаче тепла внешнему теплоносителю. Чем больше амплитуда пульсаций давления, тем выше эффект теплопередачи. Относительно малое гидродинамическое сопротивление резонатора не препятствует получению желаемых значений амплитуды пульсаций давления в камере. Таким образом, предлагаемая установка имеет улучшенные эксплуатационные характеристики, более высокий КПД.

Подогреватель воды, работающий по принципу пульсирующего горения, содержит цилиндрическую камеру сгорания 8 (см. фиг. 2), резонатор, состоящий из трех труб 9, оси которых параллельны оси камеры сгорания 8, аэродинамический клапан 10 с инжекционной горелкой 4 и запальное устройство. Кроме того, в состав подогревателя включаются системы управления и сигнализации 11. Камера сгорания 8 с резонансными трубами 9 в емкости 12 закреплена в трех местах: свободные концы резонансных труб 9 через обойму 13 скреплены с верхним дном емкости 12, опоры 14 обеспечивают жесткое крепление камеры сгорания 8 с нижней частью емкости 12, третьим местом крепления служит место соединения патрубка 15 с емкостью 12. Аэродинамический клапан 10 включает в себя диск, который установлен на специальных осях 6. Диск имеет возможность перемещения относительно боковой стенки емкости 12 вдоль корпуса инжекционной горелки 4 по осям 6. Инжекционная горелка 4 с запальным устройством эксцентрично расположена в патрубке 15.

Устройство работает следующим образом.

Емкость 12 (см. фиг. 2) через горловину 17 наполняется водой. Попутный газ по газопроводу 18 через магистральный вентиль 19 и блок управления (БУ) 20 поступает в инжекционную горелку 4. Давление газа в газопроводе 18 измеряется манометром 21. В БУ 20 попутный газ редуцируется до необходимых величин p, где p - давление газа в магистрали после БУ 20.

Далее газовое топливо, смешиваясь с инжектируемым воздухом, тангенциально передается в камеру сгорания 8. От БУ 20 напряжение подается на запальное устройство. Очаг пламени воспламеняет газовоздушную смесь, накопившуюся в камере сгорания 8. В результате быстрого горения воспламененная смесь генерирует волну сжатия, которая, взаимодействуя с пламенем, ускорят процесс. В камере сгорания 8 устанавливается релаксационное горение. Стабилизация релаксационного горения происходит за счет вихревых течений, возникающих у стен камеры сгорания 8 в фазе разрежения. Пульсирующий поток, истекающий по резонансным трубам 9, интенсифицирует конвективный теплообмен. Для предупреждения срыва пульсирующего горения при малых нагрузках и обеспечения полноты сгорания при повышенных расходах топлива аэродинамический клапан 10 выполнен регулируемым. Настройка клапана 10 на другой режим осуществляется изменением положения диска относительно емкости 12. Вода по мере нагрева через вентили 22 и 23 подается потребителю. В случае срыва горения блок сигнализации 11 формирует команду на отключение подачи газа и передает ее в исполнительный блок - блок управления 20.

Изобретение предназначено для организации пульсирующего горения газообразных и жидких топлив в подогревателях жидкости различных мощностей. Аэродинамический клапан имеет форму расширяющегося канала с регулируемой площадью сечения и образован дном камеры сгорания с отверстием и сплошным предметом. Изобретение позволяет создать подогреватель жидкости, надежно и устойчиво работающий в широком диапазоне регулирования тепловых нагрузок, имеющий высокий КПД и улучшенные экологические параметры по выбросам вредных веществ. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Камера пульсирующего горения, содержащая резонатор, выполненный в виде пучка труб, горелку с запальником, аэродинамический клапан, отличающаяся тем, что аэродинамический клапан, подключенный к камере сгорания и образованный дном камеры сгорания с отверстием и сплошным предметом, расположенным у отверстия, имеет форму расширяющегося канала с регулируемой площадью сечения. 2. Камера по п.1, отличающаяся тем, что пучок труб подключен к цилиндрической камере сгорания коаксиально.