ТЕПЛОГЕНЕРАТОРНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2000 года по МПК F26B23/02 

Изобретение относится к устройствам по сжиганию природного газа с высокой полнотой сгорания и с широким диапазоном регулирования температуры продуктов сгорания. Наибольшее применение данное устройство может найти при сжигании природного газа, образующегося при добыче и подготовке нефти.

Известно устройство для получения сушильного агента, выбранное в качестве аналога и представленное в а.с. СССР N1506221, F 23 D 14/18 с приоритетом от 12.01.1988 г. Оно содержит воздушный патрубок, камеру, смешения, камеру сгорания, на выходе которой установлена каталитическая насадка, и дополнительную камеру смешения. Недостатком известного технического решения по аналогу является невозможность получения высокой полноты сгорания топлива.

Известно устройство для сжигания топлива по патенту РФ N2015451 от 9.07.1991 г. , F 23 C 11/00, принятое за прототип. Устройство по прототипу содержит емкость для топлива, соединительные трубопроводы, вентилятор и расположенную за ним по ходу воздуха камеру сгорания с размещенными в ней форсунками соплового типа, системой поджига, наружной обечайкой, образующей цилиндрическую полость вокруг камеры сгорания, причем каждая форсунка снабжена со стороны выхода соосным расширяющимся насадком, образующим с выходным соплом форсунки кольцевое проходное сечение, соединенное с выходом воздуха вентилятора, и каждая форсунка в огневом днище оснащена автономным трубопроводом, а трубопроводы объединены в общий коллектор, соединенный с емкостью топлива трубопроводом.

Устройство по прототипу работает по принципу создания воздухом вентилятора разряжения при прохождении через кольцевое сечение, благодаря чему происходит засасывание жидкого топлива самотеком в форсунку из топливной емкости. Полнота сгорания топлива достигается за счет специального исполнения форсунок соплового типа, способствующего быстрому перемешиванию на относительно коротком участке топлива с воздухом.

Недостатками технического решения по прототипу являются большая относительная длина наружной обечайки, связанная с недостаточно эффективным перемешиванием вторичного воздуха с продуктами сгорания, поступающими из форсунок, а также узкий диапазон изменения температуры горячих газов, выходящих из теплогенераторного устройства (ТГУ).

Задачами предлагаемого изобретения являются повышение эффективности перемешивания продуктов сгорания газовоздушной смеси, происходящего в камере сгорания с вторичным воздухом, а также расширение диапазона регулирования температуры горячего потока, выходящего из теплогенераторного устройства и расширение потребительских качеств ТГУ. Эти задачи решаются тем, что предлагаемое устройство содержит емкость для топлива, соединительные трубопроводы, органы регулирования, вентилятор и расположенную за ним по ходу воздуха камеру сгорания с огневым днищем, систему поджига, наружную обечайку, образующую цилиндрическую полость вокруг камеры сгорания, форсунки соплового типа, размещенные в огневом днище, оснащенные автономными топливными трубопроводами и соединенные по входу с выходом воздуха вентилятора, а по выходу имеющими каждая максимальный диаметр - d, совмещены с внутренней поверхностью огневого днища, причем огневое днище имеет центральное отверстие диаметром - D, равным (1 - 2.5) d и соединенным по входу с выходом воздуха вентилятора, а автономные трубопроводы форсунок объединены в раздельные коллекторы, объединяющие группы форсунок, с нарастающим вдвое отличием по их количеству, и форсунки выполнены съемными.

Заявителю не известны технические решения, содержащие признаки, схожие с признаками, отличающими заявленное техническое решение от прототипа, что позволяет считать предложенное решение патентноспособным.

Конструктивная схема устройства, реализующего предложенное техническое решение, представлена на фиг. 1. Оно включает емкость 1 топлива с подводящим трубопроводом 2, воздушный вентилятор 3 с выходом 4, камеру сгорания 5 с огневым днищем 6, наружную обечайку 7, образующую цилиндрическую полость ЦП вокруг камеры сгорания, форсунки 8 соплового типа с максимальным диаметром по выходу d, автономные трубопроводы 9 форсунок 8, коллекторы 10 и 11, органы регулирования 12, 13 и 14, систему поджига 15, отверстие 16 с диаметром D.

Работа устройства, схематически представленного на фиг. 1, осуществляется следующим образом. Одновременно с открытием органов 12 - 14 производится запуск воздушного вентилятора 3 и системы поджига 15. Воздух вентилятора по выходу 4 проходит частью своей массы через форсунки 8 и, создавая в них разряжение среды, производит подсос газа из емкости 1 через трубопровод 2, коллекторы 10 - 11 и автономные трубопроводы 9. Форсунки 8 выполнены таким образом, что в них происходит смешение газа с воздухом в стехеометрическом соотношении. Такая смесь, пройдя форсунки 8, поджигается системой поджига 15 и в камере 5 происходит ее сгорание. Выравнивание поля температур сгоревшей смеси происходит как в камере сгорания 5 путем смешения воздуха, поступающего через отверстие 16, с продуктами сгорания газовоздушной смеси, так и за ее пределами на длине - L в результате подмешивания к ней воздуха, проходящего по цилиндрической полости ЦП между камерой 5 и обечайкой 7, охлаждая ее и огневое днище 6.

Использование раздельных коллекторов 10 и 11 дает возможность отключать отдельные группы форсунок 8 путем раздельного закрытия органов 13 - 14, что создает основу для регулирования уровня температуры горячего потока на выходе из ТГУ. Так, используя всего шесть форсунок, их разделяют на две группы: 2 и 4 форсунки. При использовании в огневом днище, например, 42 форсунок их располагают в группы: 6, 12, 24 штук, объединенных раздельными коллекторами. Очевидно, что отключение части форсунок из их общего числа уменьшает тепловую мощность ТГУ и при постоянном расходе воздуха через вентилятор 3 уменьшает уровень температуры горячего потока газовоздушной смеси на выходе из ТГУ. При этом известно, что в случае применения круглого огневого днища целесообразно располагать форсунки по окружностям, следуя принципу равноудаленности их друг от друга от центра к периферии, следующим образом:
1 ряд - 6 форсунок,
2 ряд - 12 форсунок,
3 ряд - 18 форсунок и т.д.

Применение центрального отверстия 16 позволяет по сравнению с техническим решением по прототипу достичь равномерного температурного поля горячего потока на меньшей длине - L. Расчеты показывают, что для 6-ти форсунок с выходным диаметром каждой из них d = 36 мм и диаметром центрального отверстия D = 90 мм уменьшение длины L в предлагаемом решении составляет 30% по сравнению с прототипом. Выбор величины диаметра центрального отверстия 16 равным (1-2.5)d обусловлен с одной стороны ограничением геометрически - технологического характера (D=2.5d) при расположении центрального отверстия 16 внутри первого ряда форсунок 8 с максимальным диаметром d, а также нецелесообразностью выполнения диаметра D меньше диаметра форсунки d. Выполнение форсунок 8 в огневом днище 6 съемными повышает универсальность ТГУ и расширяет диапазон регулирования уровня температуры горячего потока, а также тепловую мощность ТГУ. Очевидно, что при изменении свойств топлива возможность быстрой замены форсунок 8 на форсунки того же типа, но с иным диаметром d повышает потребительские качества ТГУ.

Таким образом, признаки предлагаемого технического решения по отношению к прототипу решают задачи повышения равномерности температурного потока газовоздушной смеси на выходе из ТГУ, расширения диапазона регулирования уровня температуры потока и потребительских качеств ТГУ.

Для иллюстрации изложенного приводим результаты расчета устройства, схематически представленного на фиг. 1, при следующих исходных данных:
1. Расход воздуха через вентилятор - 3300 м³/час
2. Степень повышения давления воздуха в вентиляторе - 1.06
3. Количество форсунок - 6
4. Расход природного газа - 60 м³/час
5. Диаметр центрального отверстия - 90 мм 6.

Количество коллекторов - 2
7. Отношение давлений на выходе из ТГУ и атмосферы - 1.02
Результаты расчета при использовании приведенных исходных данных показывают, что тепловая мощность ТГУ достигает 650 кВт, температура горячего потока после ТГУ может изменяться в 4-5 раз, потребная длина L = 300 мм (см. фиг. 1).

Предлагаемые ТГУ могут найти применение при полезном дожиге попутного газа на нефтепромыслах и при получении йода из минеральной воды. Получаемый при дожиге попутного газа (с высокими экологическими показателями) поток горячей газовоздушной смеси может быть полезно использован для технологического нагрева минеральной воды, нефтепродуктов, а также для бытовых нужд.

Предполагается внедрение устройства в АО "Краснодарнефтегаз" в 2000 году. В настоящее время изготовлен демонстратор на базе предлагаемого технического решения, который проходит полнообъемные испытания.

Изобретение может найти применение при сжигании природного газа, образующегося при добыче и подготовке нефти. Изобретение решает задачи повышения эффективности перемешивания продуктов сгорания газовоздушной смеси, происходящего в камере сгорания с вторичным воздухом, а также расширения диапазона регулирования температуры горячего потока, выходящего из теплогенераторного устройства (ТГУ) и расширения потребительских качеств ТГУ. Воздух вентилятора проходит через форсунки, создавая в них разрежение и подсасывая тем самым природный газ из емкости. В камере сгорания происходит стехеометрическое сжигание газовоздушной смеси и ее смешение со вторичным воздухом, поступающим из цилиндрической полости. Отверстие улучшает перемешивание горячих и холодных струй. Использование раздельных коллекторов способствует ступенчатому регулированию уровня температуры горячего потока газовоздушной смеси. 1 ил.

Теплогенераторное устройство, которое содержит емкость для топлива, соединительные трубопроводы, органы управления, вентилятор и расположенную за ним по ходу воздуха камеру сгорания с огневым днищем, систему поджига, наружную обечайку, образующую цилиндрическую полость вокруг камеры сгорания, форсунки соплового типа, размещенные в огневом днище, оснащенные автономными топливными трубопроводами и соединенные по входу с выходом воздуха вентилятора, а по выходу имеющие каждая максимальный диаметр d, совмещены с внутренней поверхностью огневого днища, отличающееся тем, что огневое днище имеет центральное отверстие диаметром D, равным (1 - 2,5)d и соединенным по входу с выходом воздуха вентилятора, а автономные трубопроводы форсунок объединены в раздельные коллекторы, объединяющие группы форсунок, с нарастающим вдвое отличием по их количеству, форсунки выполнены съемными.