ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2003 года по МПК F23D5/06 

Изобретение относится к области энергетики, в частности к горелочным устройствам, и может быть использовано в автомобильной промышленности.

В качестве аналога было выбрано устройство "Камера сгорания горелки для отопительного прибора транспортного средства или для фильтра для улавливания частиц отработанных газов" фирмы J. Eberspacher PCT/DE 95/00614 от 06.05.95 г. , которое имеет торцевую ограничительную стенку, круговую ограничительную стенку, штуцер для размещения свечи накаливания и штуцер для подачи необходимого для сгорания воздуха, изготовленные методом точного литья. Сопло для подачи воздуха имеет продольные прорези, с постоянной или изменяющейся к низу шириной. Данная камера сгорания выполнена по принципу испарительной камеры, т. е. имеет пористую футеровку из различных материалов. На пути потока, необходимого для сгорания воздуха, перед штуцером для подачи воздуха предусмотрено устройство для создания завихрения потока - завихритель.

Однако при эксплуатации данному устройству присуще образование углесодержащих отложений, кроме того, в камере сгорания имеются зоны с низким содержанием кислорода, что также приводит к образованию углесодержащих отложений, следовательно, снижаются интенсивность горения, мощность и кпд горелки. Кроме того, данная камера сгорания может быть вмонтирована в линию отвода отработавших газов в качестве фильтра для улавливания сажи, который через определенные промежутки времени должен очищаться от отфильтрованных частиц. Такая унификация данного устройства приводит к значительному усложнению конструкции горелочного устройства [1].

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению, выбранным в качестве прототипа, является горелочное устройство [2], содержащее топочную камеру с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру, с торцевой ограничительной стенкой, в которой выполнено центральное отверстие с входящим коаксиально с осью в топочную камеру соплом подачи воздуха, воздух в которое подается завихрителем. С внутренней стороны цилиндрической ограничительной стенки расположена испарительная капиллярная структура, формирователь вихревых потоков, штуцер для установки свечи, жаровая труба и стабилизатор пламени, завихритель. На боковой поверхности сопла подачи воздуха выполнено не менее двух рядов разнесенных по высоте сопла подачи воздуха одинаковых по количеству и симметрично размещенных продольных радиальных отверстий, причем каждое отверстие верхнего ряда размещено на линии, равноудаленной от двух ближайших нижних отверстий. Формирователь вихревых потоков расположен между соплом подачи воздуха и испарительной капиллярной структурой, размещенной как на цилиндрической, так и на торцевой ограничительных стенках топочной камеры. Формирователь вихревых потоков газоплотно или с зазором прилегает нижним основанием к испарительной капиллярной структуре, размещенной на торцевой поверхности топочной камеры, а верхним - к стабилизатору пламени.

Эффективность процесса горения в горелочных устройствах испарительного типа определяется пространственной структурой и энергией воздушных струй, вытекающих из отверстий на боковой поверхности сопла подачи воздуха. Реализуемое в прототипе расположение щелей позволяет достигать максимальной для каждой скорости воздушных струй степени турбулизации и перемешивания горючей смеси.

Однако конструкция сопла, используемая в данном горелочном устройстве, приводит к тому, что струи, выходящие из нижних рядов щелей, обладают большей энергией, чем струи, выходящие их верхних рядов. Это обусловлено тем, что по мере продвижения закрученного внутри сопла подачи воздуха потока происходит частичное вытекания через нижние ряды щелей и торможение, вследствие трения на внутренней поверхности сопла. Соответственно, перемешивание и турбулизация в зоне горения у верхних рядов щелей оказываются менее эффективными, чем у нижних. В случае, когда мощность горелочного устройства сравнительно невысока, и сгорание горючей смеси происходит преимущественно в области нижних рядов отверстий, воздушные струи верхних рядов выполняют, в основном, функцию дожигания сгоревшей смеси.

Однако, если увеличить количество топлива, вводимого в камеру, и соответственно количество нагнетаемого воздушного потока, то доля несгоревшей горючей смеси в области нижних щелей увеличивается. Кроме того, при этом увеличивается общее давление в камере сгорания, что приводит к тому, что низкоэнергетические струи верхних слоев не могут обеспечить полное перемешивание и дожигание горючей смеси.

Недостатком данного горелочного устройства являются низкая мощность и полнота сгорания топлива.

Техническим результатом данного горелочного устройства является повышение мощности и полноты сгорания топлива.

Технический результат достигается тем, что горелочное устройство, содержащее топочную камеру с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру, с торцевой ограничительной стенкой, в которой выполнено центральное отверстие с входящим коаксиально с осью в топочную камеру соплом подачи воздуха, на боковой поверхности которого выполнено не менее двух рядов разнесенных по высоте сопла одинаковых по количеству и симметрично размещенных продольных щелевых отверстий, причем каждое отверстие верхнего ряда размещено на линии, равноудаленной от двух ближайших нижних отверстий, завихритель потока воздуха, формирователь вихревых потоков, расположенный между соплом подачи воздуха и испарительной капиллярной структурой, размещенной как на цилиндрической, так и на торцевой ограничительных стенках топочной камеры, штуцер для установки свечи, жаровую трубу и стабилизатор, дополнительно содержит завихритель и сопло подачи воздуха, размещенное соосно внутри основного сопла подачи воздуха, выступающее из него, причем на его боковой выступающей поверхности выполнено не менее одного ряда щелевых отверстий, завихритель дополнительного сопла размещен под завихрителем основного сопла.

На чертеже представлена конструкция предлагаемого устройства, включающая топочную камеру с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру 1 и торцевой ограничительной стенкой 2, основное сопло подачи воздуха 3, испарительную капиллярную структуру 4, расположенную с внутренней стороны цилиндрической ограничительной стенки, формирователь вихревых потоков 5, штуцер для установки свечи 6, жаровую трубу 7, стабилизатор пламени 8, завихритель основного сопла 9, дополнительное сопло подачи воздуха 10 и завихритель дополнительного сопла подачи воздуха 11.

Для повышения мощности горелочного устройства, с соблюдением условия полного сгорания горючей смеси в камере сгорания, необходимо, чтобы скорость и энергия воздушных струй в верхней и нижней зонах горения камеры сгорания были примерно равны. Для этого необходимо, чтобы струи воздуха, вводимые в верхнюю и нижнюю части зоны горения, формировались из различных, воздушных потоков.

Необходимость обеспечения полноты сгорания топлива именно в камере сгорания обусловлена тем, что после выхода из камеры поток продуктов сгорания попадает в короткую жаровую трубу, которую пересекает весьма быстро, поскольку движется прямолинейно. Далее поток взаимодействует с разветвленной холодной поверхностью теплообменника. В результате этого поток газов охлаждается и через выхлопную трубу выходит наружу.

Снижение температуры в теплообменнике, например, для предпусковых автомобильных подогревателей происходит от 1200^oС на выходе из жаровой трубы до 500 - 400^oС на выходе из теплообменника.

С учетом резкого снижения температуры в теплообменнике, причем на сравнительно малом участке пути (длина теплообменника для разных моделей отопителей этого типа находится в пределах 20... 35 см), дожигание не сгоревшей в камере сгорания горючей смеси практически не происходит. Следовательно, на стенках теплообменника выделяется большое количество углесодержащих отложений. Оставшаяся часть непрореагировавших компонентов выбрасывается в окружающую среду.

Таким образом, неполное сгорание топлива в камере сгорания существенно снижает ресурс горелочных устройств за счет забивания теплообменника сажистыми соединениями и способствует загрязнению окружающей среды.

Предлагаемая конструкция позволяет формировать воздушные струи в верхней части камеры сгорания не из того потока, из которого формируются струи в нижней части камеры сгорания. Известно, что практически вся масса закрученного потока локализована вблизи внутренней поверхности сопла. Соответственно, если ввести внутрь соосно с основным соплом дополнительные сопло, меньшего диаметра с завихрителем, расположенным под основным завихрителем, то на движение закрученного потока в основном сопле это не окажет существенного влияния. Внутри же дополнительного сопла сформируется свой закрученный поток. Так как высота дополнительного сопла больше основного, то благодаря этому закрученный поток в верхней части камеры будет трансформирован в совокупность высокоэнергетических воздушных струй, вытекающих из щелевых отверстий, выполненных на боковой поверхности дополнительного сопла.

В процессе работы в камеру сгорания поступают пары топлива, генерируемые капиллярной структурой испарительного элемента, и струи воздуха из щелей боковой поверхности "вихревого" сопла подачи воздуха. Термин "вихревое сопло" в данном случае означает, что внутрь подается закрученный поток, перемещающийся в виде прижатого к внутренней поверхности сопла завихренного потока.

Конструкция щелей выбрана таким образом, что истекающие из них струи имеют форму узких высокоскоростных прямолинейно движущихся потоков воздуха, проникающих в зону горения.

В ряде случаев, характерных для сравнительно маломощных горелочных устройств, с небольшим диаметром камеры, воздушные струи пронизывают всю зону горения, и, отражаясь от поверхности формирователя вихревых потоков, образуют высокотурбулизованные зоны, в которых происходит эффективное смешивание и сгорание горючей смеси.

В более мощных горелочных устройствах наряду с локальными вихревыми зонами, образованными отраженными от формирователя вихревых потоков струями, формируются закрученные потоки, вращающиеся вокруг сопла. Причем для повышения эффективности горения закрученные потоки, формируемые основным и дополнительным соплами подачи воздуха, могут быть закручены в противоположных направлениях.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. "Камера сгорания горелки для отопительного прибора транспортного средства или для фильтра для улавливания частиц отработанных газов" фирмы J. Eberspacher PCT/DE 95/00614 от 06.05.95.

2. Е.А. Кордит. Патент РФ 2181462 по заявке 2001113644/06 от 23.05.2001 "Горелочное устройство".

Изобретение относится к области энергетики, в частности к горелочным устройствам, и может быть использовано в автомобильной промышленности. Техническим результатом данного горелочного устройства является повышение мощности и полноты сгорания топлива. Технический результат достигается тем, что горелочное устройство дополнительно содержит завихритель и сопло подачи воздуха, размещенное соосно внутри основного сопла подачи воздуха, выступающее из него, причем на его боковой выступающей поверхности выполнено не менее одного ряда щелевых отверстий. Завихритель дополнительного сопла размещен под завихрителем основного сопла. Изобретение позволяет формировать воздушные струи в верхней части камеры сгорания не из того потока, из которого формируются струи в нижней части камеры сгорания, что позволит существенно повысить полноту сгорания топлива и мощность горелочного устройства. 1 ил.

Горелочное устройство, содержащее топочную камеру с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру, с торцевой ограничительной стенкой, в которой выполнено центральное отверстие с входящим коаксиально с осью в топочную камеру соплом подачи воздуха, на боковой поверхности которого выполнено не менее двух рядов разнесенных по высоте сопла одинаковых по количеству и симметрично размещенных продольных щелевых отверстий, причем каждое отверстие верхнего ряда размещено на линии, равноудаленной от двух ближайших нижних отверстий, завихритель потока воздуха, формирователь вихревых потоков, расположенный между соплом подачи воздуха и испарительной капиллярной структурой, размещенной как на цилиндрической, так и на торцевой ограничительных стенках топочной камеры, с внутренней стороны цилиндрической ограничительной стенки расположена испарительная капиллярная структура, штуцер для установки свечи, жаровую трубу и стабилизатор пламени, отличающееся тем, что дополнительно содержит завихритель и сопло подачи воздуха, размещенное соосно внутри основного сопла подачи воздуха, выступающее из него, причем на его боковой выступающей поверхности выполнено не менее одного ряда щелевых отверстий, а завихритель дополнительного сопла размещен под завихрителем основного сопла.