ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2003 года по МПК F23D5/06 

Изобретение относится к области энергетики, в частности 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 книзу 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, снижается 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, жаровую трубу и стабилизатор пламени. 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.

Горелочные устройства, в которых горючая смесь формируется непосредственно из паров топлива путем испарения его с большой разветвленной поверхности капиллярной структуры, обладают целым рядом значимых эксплутационных преимуществ перед горелочными устройствами, в которых горючая смесь формируется путем распыления жидкого топлива. Горелочные устройство испарительного типа потребляют существенно меньше энергии, что имеет большое значение, например, для предпусковых автомобильных подогревателей, питающихся от аккумулятора. Кроме того, они гораздо менее чувствительны к топливам, содержащим различные дисперсные примеси. Горелочные устройства испарительного типа обеспечивают более высокую степень сгорания и более экологичны.

Однако существующие в настоящее время горелочные устройства испарительного типа обладают низкой мощностью, например, в модельных рядах предпусковых автомобильных подогревателей в диапазоне от 3 до 30 кВт они используются только в диапазоне до 10 кВт; а в более мощных - горючее вводят посредством распыления.

Для увеличения мощности горелочного устройства испарительного типа необходимо увеличить объем камеры сгорания. Соответственно для обеспечения эффективного перемешивания паров горючего, генерируемых капиллярной структурой, размещенной на торцевой и боковой поверхностях камеры сгорания, необходима более высокая энергия воздушных струй. Но для горелочных устройств этого типа с камерами большого диаметра в зоне горения характерно повышенное давление, что тормозит движение воздушных струй в областях камеры сгорания, удаленных от сопла подачи воздуха, перемешивание становится неэффективным и не обеспечивает полного сгорания горючей смеси и, следовательно, требуемой мощности.

Недостатками данного горелочного устройства являются ограничения по увеличению мощности и динамического диапазона устойчивого горения.

Техническим результатом данного изобретения является увеличение мощности и динамического диапазона работы горелочного устройства.

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 пламени, формирователь вихревых потоков выполнен в виде двух цилиндров, введен плоский кольцевой разделитель, делящий топочную камеру на секции, нижнюю и верхнюю, на поверхности кольцевого разделителя, обращенной к стабилизатору пламени, размещен дополнительный кольцевой испарительный элемент, соединенный с цилиндрической частью испарительной капиллярной структуры, причем по внешнему диаметру кольцевой разделитель соединен с торцевой поверхностью формирователя завихренных потоков нижней секции, и размещен в плоскости, проходящей между двумя соседними рядами отверстий на боковой поверхности сопла подачи воздуха, или основной и дополнительный кольцевой испарительные элементы не контактируют друг с другом, и для подачи топлива к нему введен дополнительный топливный насос, осуществляющий подачу топлива, посредством патрубка, размещенного между внутренней цилиндрической поверхностью камеры сгорания и формирователем завихренных потоков нижней секции.

На фиг. 1 представлено предлагаемое горелочное устройство, содержащее топочную камеру (1) с цилиндрической стенкой, с торцевой ограничительной стенкой (2), сопло подачи воздуха (3), испарительную капиллярную структуру (4), формирователь завихренных потоков верхней секции (5), формирователь завихренных потоков верхней секции (6), дополнительный кольцевой испарительный элемент (7); кольцевой разделитель (8); штуцер для установки свечи (9), стабилизатор пламени (10), жаровую трубу (11), завихритель (12).

На фиг. 2 представлен вариант конструкции, позволяющей расширить динамический диапазон мощности, в которой испарительные элементы верхней и нижней секций топочной камеры запитываются независимо друг от друга.

Испарительная капиллярная структура верхней секции топочной камеры состоит из цилиндрической части капиллярной структуры (4) и дополнительного кольцевого испарительного элемента (7); (8) - кольцевой разделитель; (5) - формирователь завихренных потоков верхней секции; (6) - формирователь завихренных потоков нижней секции; (13) - испарительная капиллярная структура нижней секции; (14) - патрубок подвода топлива к испарительному элементу верхней секции топочной камеры.

Для повышения мощности горелочного устройства и полноты сгорания необходимо обеспечить условия, при которых расстояние от всех участков испарительной капиллярной структуры до источника воздушных струй (поверхность сопла подачи воздуха) не будет существенным образом увеличиваться с увеличением объема камеры сгорания.

Для решения данной задачи предлагается увеличить объем топочной камеры в высоту с сохранением неизменной площади поперечного сечения посредством введения дополнительного кольцевого испарительного элемента, разделяющего общий объем топочной камеры на две секции.

Такое техническое решение поставленной задачи позволяет эффективно перемешивать горючую смесь воздушными струями, вытекающими из сопла подачи воздуха.

При подаче топлива к испарительному элементу, выполненному в виде металлоткани или металловойлока, под действием капиллярных сил происходит его растекание по поверхности металлических волокон и под воздействием тепла от свечи накаливания, а в дальнейшем от тепла зоны горения и нагретых элементов конструкции (корпус топочной камеры, формирователь, кольцевой разделитель) интенсивное испарение. Воздушные струи из щелей на боковой поверхности интенсивно перемешивают пары топлива с воздухом, образуют горючую смесь и обеспечивают интенсивное горение.

Возможность интенсивного перемешивания и турбулизации зоны горения с высокой мощностью обеспечивается тем, что диаметр топочной камеры в предлагаемом устройстве незначительно отличается от диаметра камер известных горелочных устройств меньшей мощности. Это позволяет струям из сопла подачи воздуха энергично "пронизывать" всю камеру и обеспечивать эффективное перемешивание и горение паровоздушной горючей смеси.

При этом характер горения каждой секции не отличается от характера горения в известных устройствах. Увеличение мощности тепловыделения осуществляется за счет сложения тепловыделений в нижней и верхней секциях.

Следует отметить, что использование двух секций в топочной камере приводит к увеличению общей мощности горелочного устройства, но величина этой суммарной мощности меньше, чем удвоенная мощность горелочного устройства прототипа с таким же диаметром топочной камеры. Это связано с тем обстоятельством, что часть объема верхней секции занята потоком продуктов сгорания, поступающих из нижней секции. Соответственно, дополнительное тепловыделение, обусловленное сгоранием паров, генерируемых дополнительным испарительным элементом, осуществляется в объеме меньшем, чем рабочий объем нижней секции.

Экспериментальные исследования предлагаемого горелочного устройства с различными размерами по высоте верхней и нижней секций и внутренним диаметром кольцевого разделительного элемента показали, что при тех же условиях полноты сгорания, что и у прототипа, данная камера позволяет увеличить общую мощность горелочного устройства на 50...70%.

Дополнительным преимуществом предлагаемого устройства является возможность расширения динамического диапазона тепловыделения при условии обеспечения требуемого уровня полноты сгорания топлива и устойчивости процесса горения.

Характерной особенностью известных устройств является то, что устойчивое горение осуществляется в сравнительно узком диапазоне мощностей, при снижении мощности на величину более 20...30% от максимальной горение носит неустойчивый характер, и возможны срывы пламени.

Отличительной особенностью данного устройства является то, что наличие верхней секции не оказывает существенного влияния на характер горения в нижней секции. Полное сгорание горючей смеси происходит внутри нижней секции, в верхнюю секцию и далее в жаровую трубу поступают уже продукты полного сгорания горючей смеси. Соответственно, если разорвать связь между поступлением топлива в испарительный элементы верхней и нижней секции топочной камеры, то нижний предел мощности всего вертикального двухсекционного горелочного устройства определяется нижним пределом мощности нижней секции топочной камеры. А при одновременном подводе топлива к обоим элементам результирующая мощность равна сумме максимальных мощностей нижней и верхней секции.

Конструкция устройства, позволяющего расширить динамический диапазон мощности, представлена на фиг.2.

В этой конструкции отсутствует возможность перехода топлива от испарительной капиллярной структуры верхней секции топочной камеры к испарительной капиллярной структуре нижней секции, каждый из испарительных элементов запитывается независимо друг от друга.

К испарительной капиллярной структуре нижней секции топочной камеры топливо поступает как обычно через штуцер свечи накаливания, а к испарительной капиллярной структуре верхней секции топочной камеры через вспомогательный патрубок, подключенный к дополнительному топливному насосу.

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 г.

2. Е.А. Кордит. Горелочное устройство. Патент РФ 2181462.

Изобретение относится к энергетике, в частности горелочным устройствам, и может быть использовано в автомобильной промышленности. Существующие в настоящее время горелочные устройства испарительного типа обладают низкой мощностью и ограниченным динамическим диапазоном устойчивого горения. Для повышения мощности и динамического диапазона устойчивого горения формирователь вихревых потоков выполнен в виде двух цилиндров, введен плоский кольцевой разделитель, делящий камеру сгорания на две секции, нижнюю и верхнюю, на поверхности кольцевого разделителя, обращенной к стабилизатору пламени, размещен дополнительный кольцевой испарительный элемент, соединенный с цилиндрической частью испарительной капиллярной структуры, причем по внешнему диаметру кольцевой разделитель соединен с торцевой поверхностью формирователя завихренных потоков нижней секции камеры сгорания и размещен в плоскости, проходящей между двумя соседними рядами отверстий по боковой поверхности сопла подачи воздуха, если основной и дополнительный кольцевой испарительные элементы не контактируют друг с другом, то для подачи топлива к нему введен дополнительный топливный насос, осуществляющий подачу топлива посредством патрубка, размещенного между внутренней цилиндрической поверхностью камеры сгорания и формирователем завихренных потоков нижней секции. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. 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 пламени, отличающееся тем, что формирователь вихревых потоков выполнен в виде двух цилиндров, введен плоский кольцевой разделитель, делящий топочную камеру сгорания на две секции, нижнюю и верхнюю, на поверхности кольцевого разделителя, обращенной к стабилизатору пламени, размещен дополнительный кольцевой испарительный элемент, соединенный с цилиндрической частью испарительной капиллярной структуры, причем по внешнему диаметру кольцевой разделитель соединен с торцевой поверхностью формирователя завихренных потоков нижней секции топочной камеры, и размещен в плоскости, проходящей между двумя соседними рядами отверстий на боковой поверхности сопла подачи воздуха. 2. 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 пламени, отличающееся тем, что формирователь вихревых потоков выполнен в виде двух цилиндров, испарительные капиллярные структуры верхней и нижней секции топочной камеры не контактируют друг с другом, а для подачи топлива к испарительной структуре верхней секции топочной камеры введен дополнительный топливный насос, осуществляющий подачу топлива, посредством патрубка, размещенного между внутренней цилиндрической поверхностью топочной камеры и формирователем завихренных потоков нижней секции.