УСТРОЙСТВО ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ГОРЕНИЯ ДЛЯ ПОДОГРЕВА ЖИДКОСТИ Российский патент 2000 года по МПК F23C11/04 F23R7/00 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для получения пульсирующего потока продуктов сгорания в различных водогрейных установках.

Метод пульсирующего горения, благодаря высокой энергетической эффективности, отсутствию вредных выбросов и конструктивной простоте, находит все большее применение в энергетике. Известны устройства пульсирующего горения, работающие на газообразном или жидком топливе и состоящие из цилиндрической камеры сгорания с резонансной трубой и аэродинамического клапана в виде патрубка [Теплоэнергетика, N 9, 1965, с. 25; а.с. СССР N 922427, P 23 C 11/04, БИ N 15].

К недостаткам этих устройств следует отнести:
- низкую всасывающую способность камеры пульсирующего горения (КПГ) при введении подогрева воздуха и при обратном всасывании выбрасываемых из клапана горячих продуктов горения;
- недостаточную надежность и устойчивость работы КПГ;
- достаточно малую площадь поверхности нагрева.

Вышеперечисленные недостатки могут привести к химическому недожогу, ограничению области устойчивой работы КПГ в пульсирующем режиме, снижению КПД камеры.

Наиболее близким к изобретению является устройство пульсирующего горения, содержащее цилиндрическую камеру сгорания с резонансной трубой, запальник и аэродинамический клапан в виде патрубка, внутри которого соосно с ним на конце со стороны камеры сгорания по центру расположено сопло [Теплоэнергетика, 1965, N9, с. 25].

Существенным недостатком этого устройства является низкая полнота сгорания при некоторых режимах работы КПГ. В камере образуются местные зоны неполного смесеобразования. На периферии концентрируется наибольшее количество CO. Содержание кислорода имеет обратный характер; максимальная концентрация кислорода наблюдается в центре. Вследствие этого возникает химический недожог, снижается КПД устройства. Кроме того, устройство имеет ряд существенных недостатков:
- аэродинамический клапан малоэффективен в условиях подогрева воздуха и обратного всасывания выбрасываемых из клапана продуктов горения, вследствие чего в камере снижаются амплитуды пульсирующего давления, что отрицательно сказывается на надежность и устойчивость работы камеры;
- геометрия КПГ не позволяет эффективно передавать тепло внешнему теплоносителю по причине малой величины площади теплоотдающей поверхности.

Создание высокоэффективного подогревателя жидкости, основанного на КПГ, обеспечивающего полное сгорание топлива, надежную и устойчивую работу установки, высокий КПД.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве на боковой стенке камеры сгорания расположен газовый кольцевой коллектор, к которому подключены сопла. Оси сопел при пересечении с радиусом и продольной осью камеры образуют определенные углы, зависящие от числа сопел и высоты устройства соответственно. Запальник установлен вблизи газового коллектора. Истечение газа из наклонных сопел в полость камеры обеспечивает эжекцию необходимого для горения воздуха. Интенсивное перемешивание газа и воздуха реализуется закруткой газо-воздушной смеси и частичным пронизыванием друг друга струй, истекающих из смежных сопел. При поджоге смеси над коллектором устанавливается зона горения. В камере возбуждается пульсирующее горение, обусловленное колебанием воздуха, обтекающего коллектор с соплами. В полупериоде с положительным давлением инжекционная горелка "запирается", а в полупериоде с отрицательным давлением увеличивается ее коэффициент эжекции. Колебания последнего играют положительную роль в работе аэродинамического клапана, способствуя в необходимые моменты времени увеличению всасывающей способности или торможению истекающих из него газов.

Аэродинамический клапан в предлагаемом устройстве выполнен в виде цилиндрического кольца, образованного днищем камеры сгорания в виде стакана с вставленной в него боковой стенкой камеры. Такая конфигурация клапана обусловлена тем, что в фазе всасывания обеспечивается одинаково полное поступление воздуха ко всем соплам, следствием которого является равномерное распределение газовоздушной среды по всему объему. Это способствует устойчивости в работе камеры в пульсирующем режиме, полноте сгорания топлива, повышению КПД установки.

КПД установки существенно повышается благодаря изменению геометрии резонансной трубы. В рассматриваемом устройстве часть резонансной трубы выполнена в виде батареи труб меньшего диаметра, размещенной в камере сгорания. Площадь поперечного сечения межтрубного пространства батареи эквивалентна площади поперечного меньшей части резонатора, выполненного в форме цилиндрической трубы. Тем самым обеспечиваются необходимые геометрические соотношения, позволяющие реализовать пульсирующее горение в камере. Резонансная труба такой формы имеет большую поверхность, что ведет к улучшению эффективности работы устройства в качестве подогревателя жидкости.

Жидкостной подогреватель схематично изображен на фиг.1. Пневмогидросистема подогревателя воды представлена на фиг.2.

Подогреватель воды состоит из газового кольцевого коллектора 1 соплами 5, теплообменника 2 с камерой сгорания, запального устройства 3, резонансной трубы 4, системы ручного и автоматического управления, системы сигнализации.

Газовый кольцевой коллектор 1 крепится к стенке камеры сгорания при помощи скоб 14. Угол наклона оси сопла к радиусу кольца может составлять 10 - 45^o, а к его продольной оси 5 - 25^o. Теплообменник 2 изготовлен как одно целое с камерой сгорания и имеет две рубашки охлаждения: внутреннюю 6 и внешнюю 7, камеру сгорания 8, крышку 9, стаканообразное днище 10.

Внутренняя рубашка охлаждения представляет собой серию продольно расположенных труб, изогнутые концы которых приварены к стенке камеры сгорания. Внутренняя и наружная стенки камеры сгорания образуют внешнюю полость 7 теплообменника 2, которая через патрубки 11 сообщается с емкостью 12.

Запальное устройства 3 в виде инжекционной горелки установлено на боковой стенке камеры над кольцом горелка 1. Источник зажигания и датчик пламени расположен в запальном устройстве.

Теплообменник сверху закрыт конусообразной крышкой, на которой установлена часть резонансной трубы 4. Нижняя часть подогревателя между теплообменником 2 и газовым кольцевым коллектором 1 играет роль камеры сгорания 8.

Аэродинамический клапан выполнен в виде цилиндрического кольца 13, образованного днищем камеры сгорания 10 в виде стакана и вставленной в него боковой стенкой камеры сгорания 8.

Устройство работает следующим образом.

Емкость 12 ( фиг.2) наполняется водой, которая через патрубки поступает в обе полости (внешнюю и внутреннюю) теплообменника 2. Подогреватель работает на попутном газе, который подводится к газовому кольцевому коллектору по газопроводу 15. К запальнику 3 газ поступает по магистрали 16. При открытии магистрального вентиля 17 газ поступает к расходному вентилю 18, при помощи которого устанавливается необходимое давление газа перед соплом запальника 4, представляющего собой обычную туннельную горелку [Мурзаков В.В. Основы теории и практики сжигания газа в паровых котлах. М.: Энергия, 1969]. Для подачи газа в сопло открывается пневмоклапан 19 запальника 3. Газовоздушная смесь воспламеняется от свечи зажигания, размещенной на туннельной горелке. Напряжение на свечу подается от блока управления 20. Над газовым кольцевым коллектором 1 формируется устойчивое пламя.

Давление газа в газопроводе 15 определяется по манометру 21. Необходимое давление газа для питания газового кольцевого коллектора устанавливается редуктором 22 и контролируется манометром 23. Поступление отредуцированного газа к наклонным соплам коллектора обеспечивает электропневмоклапан 24 в положении "открыто". Истекающее из наклонных сопел 5 газовое топливо инжектирует необходимое количество воздуха для горения. Смешивание газа и воздуха осуществляется в камере сгорания 8. Высокое качество смешивания достигается соударением двух соседних струй, а также закруткой газовоздушной смеси в топочном пространстве. Подготовленная смесь воспламеняется от факела запальника 3. Фронт пламени моментально распространяется по газовоздушной смеси и у наклонных сопел 5, организуется диффузионное горение. Горящие факелы расположены у нижнего среза теплообменника с камерой сгорания и обладают высокой чувствительностью к внешним возмущениям. Камера входит в режим пульсационного горения в мягком режиме. Пульсирующий поток продуктов сгорания активно отдает тепло элементам теплообменника. По мере нагрева воды в системе "подогреватель - емкость" начинается интенсивный циркуляционный процесс. Тем самым достигается подогрев всей жидкости емкости 12. При погасании факелов подача газа к коллектору 1 и запальнику 3 прекращается автоматически. Сигнал от датчика пламени, размещенного в запальнике, поступает в блок управления 20, в котором формируется команда на закрытие электропневмоклапанов 19 и 24. Вентиль 25 имеет, кроме того, ручное управление подачи газа в коллектор 1.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для получения пульсирующего потока продуктов сгорания в различных водогрейных установках. Устройство пульсирующего горения содержит цилиндрическую камеру сгорания с резонансной трубой, запальник, аэродинамический клапан, на боковой стенке камеры сгорания расположен газовый кольцевой коллектор, к которому подключены сопла. Изобретение позволяет обеспечить полное сгорание топлива, надежную и устойчивую работу установки, высокий коэффициент полезного действия. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство пульсирующего горения, содержащее цилиндрическую камеру сгорания с резонансной трубой, запальник, аэродинамический клапан, отличающееся тем, что на боковой стенке камеры сгорания расположен газовый кольцевой коллектор, к которому подключены сопла. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что аэродинамический клапан выполнен в виде цилиндрического кольца, образованного днищем камеры сгорания в виде стакана и вставленной в него боковой стенкой камеры. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что часть резонансной трубы выполнена в виде батареи труб меньшего диаметра, размещенной в камере сгорания.