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.

Надежность работы горелочного устройства отопителя существенным образом зависит от контроля пламени в камере сгорания.

Известна "Испарительная форсунка отопителя автомобиля, независимого от двигателя", заявка DE 19546130 A₁, фирма Вебасто, Термосистема ООО [1], содержащая отопитель, корпус, нагнетатель воздуха для горения, трубопровод для топлива, испарительную форсунку, камеру сгорания, нагнетатель горячего воздуха, устройство зажигания, датчик для контроля пламени, устройство защиты от перегрева, испарительную установку. В данном случае датчиком является термосопротивление, заключенное в защитный кожух и помещенное непосредственно в зону горения, - в область высоких температур 2000...4000^oС.

Недостатком данного устройства является низкая надежность, обусловленная интенсивным выгоранием и разрушением поверхности защитного кожуха датчика, вследствие размещения всего датчика в зоне горения.

В качестве прототипа выбрано горелочное устройство "Горелка испаритель" фирмы "Й. Эбершпрехер" [2]. Горелка содержит топочную камеру с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру, имеющей пористую обшивку с внутренней стороны корпуса, с торцевой ограничительной стенкой, в которой выполнено центральное отверстие с входящим коаксиально с осью в топочную камеру соплом подачи воздуха. Сопло подачи воздуха имеет радиальные выходы. Подача топлива происходит через штуцер свечи, установленный на наружном кожухе, или через кольцевой канал на днище топочной камеры. Подведенное топливо распределяется через пористую обшивку за счет капиллярного действия в осевом и тангенциальном направлениях, превращается в пар и сжигается в области радиальных выходов в стенке сопла подачи воздуха. Датчик контроля пламени размещен на выходе продуктов сгорания из теплообменника.

В отличие от "Вебасто" замеряемая в данной области температура существенно ниже и составляет 400...500^oС.

Функционирование испарительного типа горелочных устройств включает два этапа: розжиг и стационарное горение в одном из выбранных режимов устойчивого горения, обеспечивающих необходимый уровень тепловыделения и полноты сгорания горючей смеси.

Горючая смесь формируется в результате смешения паров горючего, поступающих из испарительной капиллярной структуры с воздушными струями из продольных щелей на боковой поверхности сопла подачи воздуха.

Необходимым условием полноты сгорания является поддержание в процессе горения определенной пропорции в количествах воздуха и паров топлива.

На начальном этапе в камеру подаются небольшая порция топлива и соответствующий воздушный поток. Поджиг горючей смеси осуществляется искровой свечой или свечой накаливания. В случае воспламенения горючей смеси начинается процесс одновременного постепенного пропорционального увеличения подаваемого воздуха и топлива. Факт воспламенения регистрируется датчиком пламени. Если датчик недостаточно чувствителен и не отреагировал на реальное воспламенение, электронная система, управляющая процессом горения, включает режим продувки камеры сгорания, при котором возникшее пламя неизбежно гасится, и начинается новый цикл запуска. При этом в камере сгорания накапливается избыточное количество топлива и в дальнейшем при розжиге до выгорания избыточного количества топлива горение осуществляется в переобогащенной смеси, сопровождается интенсивным выделением сажистых веществ и повышенным содержанием в продуктах горения непрореагировавших компонентов.

На стадии стационарного горения возможны различные нештатные ситуации, например заклинивание крыльчатки воздухонагнетательного устройства, при которых пламя гаснет. Регистрация этого обстоятельства также осуществляется датчиком пламени. При высокой инерции датчика пламени возникает запаздывание в регистрации и в течение всего этого периода запаздывания в камеру сгорания подается топливо.

При небольшой длительности периода запаздывания избыточное топливо увеличивает вероятность сажеобразования при последующих пусках, а при значительном - повышает общую пожароопасность.

Недостатком данного устройства является низкая надежность, обусловленная малой чувствительностью датчика пламени к моменту возгорания горючей смеси, и высокая инерционность при регистрации затухания пламени.

Техническим результатом является повышение надежности 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, завихритель, испарительную капиллярную структуру, штуцер для установки свечи, жаровую трубу и стабилизатор пламени и датчик, дополнительно содержит блок анализа электрических сигналов, у края одного из щелевых отверстий на внешней поверхности сопла подачи воздуха расположен выступающий электрод, а датчик выполнен в виде трехсегментного электронного зонда, причем один сегмент электронного зонда размещен сверху вниз вдоль наружной поверхности сопла подачи воздуха до уровня щелевых отверстий в области выступающего электрода, другой сегмент размещен над верхним срезом сопла подачи воздуха, а третий сегмент, размещенный соосно с внутренней поверхностью сопла подачи воздуха, выведен из горелочного устройства посредством электроизоляционной втулки с центральным отверстием, установленной в основании завихрителя, и соединен с блоком анализа электрических сигналов.

На фиг. 1 представлена конструкция предлагаемого устройства, которое включает топочную камеру с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру 1, с торцевой ограничительной стенкой 2, в которой выполнено центральное отверстие с входящим коаксиально с осью в топочную камеру соплом подачи воздуха 3, испарительная капиллярная структура 4, штуцер для установки свечи 5, жаровую трубу 6, стабилизатор пламени 7, завихритель потока воздуха 8, датчик контроля пламени в виде электрода 9, электронного зонда 10 и электроизоляционной втулки 11, блок анализа электрических сигналов 12.

На фиг.2 представлена циклограмма работы основных элементов горелочного устройства:
- (а) - график изменения во времени мощности воздухонагнетающего устройства;
- (b) - график изменения во времени температуры свечи;
- (с) - график во времени мощности топливного насоса;
- (d) - график изменения во времени тока через разрядные промежутки при положительном потенциале на электронном зонде.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В момент запуска t₀ включается воздухонагнетательное устройство на максимальной мощности и до момента t₁ осуществляется продувка камеры сгорания, после чего мощность воздухонагнетающего устройства уменьшается до небольшой величины и до момента t₅ (при котором происходит нарастание тока через разрядный промежуток "зонд-электрод" до величины i₀) остается постоянной.

После завершения продувки (момент времени t₁) начинается разогрев свечи накаливания, который продолжится до момента времени t₂.

После разряда свечи до максимальной температуры (момент времени t₂) в момент времени t₃ включается топливный насос и при средней мощности работает до момента t₄.

При этом происходит насыщение топливом большей части капиллярной структуры испарительного элемента. Далее мощность топливного насоса снижается до минимального значения и в этом режиме он функционирует до момента возгорания топливной смеси в момент t₅.

Факт возгорания топливной смеси определяется по величине тока через разрядный промежуток.

До возгорания величина тока практически равна 0, при возгорании она резко возрастает и при достижении величины i₀ блок анализа электрических сигналов вырабатывает команды для синхронного возрастания мощности воздухонагнетающего устройства и топливного насоса, что приводит к возрастанию теплопроизводительности горелочного устройства.

С момента регистрации поджига происходят отключение электрической свечи и соответственно снижение ее температуры. В момент времени t₆ горелочное устройство переходит в стационарный режим устойчивого горения.

Предлагаемое устройство вследствие использования в качестве датчика электронного зонда с высокой чувствительностью к электрическим зарядам, возникающим в зоне горения, и размещения его именно в области щелевых отверстий на сопле подачи воздуха, где начинается процесс возгорания горючей смеси, позволяет обеспечить высокую чувствительность к процессам как воспламенения, так и гашения пламени.

Размещение выступающего электрода в области края щелевого отверстия вдоль траектории движения воздушной струи обусловлено тремя обстоятельствами:
первое - такое размещение структуры воздушного потока в зоне горения не изменяет структуру воздушного потока в зоне горения;
второе - возгорание горючей смеси происходит в области щелей и соответственно размещение зонда вблизи щели повышает его чувствительность к регистрации возникновения пламени;
третье - размещение выступающего электрода вдоль траектории струи истечения воздуха обеспечивает его интенсивное охлаждение, что важно для повышения устойчивости электрода к выгоранию, поскольку в зоне горения температура достигает 2000^oС и более.

Пламя является разбавленной плазмой. В представленной конструкции на начальной стадии розжига зона горения локализуется в области щелевых отверстий сопла подачи воздуха. В этой же области размещены первый сегмент электронного зонда и дополнительно введенный выступающий электрод, образующие разрядный промежуток. При заполнении пламенем разрядного промежутка в блоке анализа электрических сигналов регистрируется соответствующее изменение величины тока.

Одной из основных возможных причин выхода из строя датчиков является нарушение электрической изоляции между зондом и корпусом камеры сгорания вследствие попадания на изолирующие элементы возникающих на стадии розжига и гашения пламени электропроводных сажистых веществ. Использование трехсегментной конструкции датчика пламени, при которой сегмент, выходящий через изолированную втулку из камеры сгорания, размещен вдоль оси сопла подачи воздуха, позволяет исключить возможность попадания сажистых веществ из камеры сгорания на электроизолирующие элементы. Защита электроизолирующих элементов от сажистых образований в зоне горения обеспечивается экранирующим действием закрученного воздушного потока, протекающего через сопло подачи воздуха, причем поскольку закрученный воздушный поток прижат центробежными силами к внутренней поверхности сопла подачи воздуха, размещение зонда вдоль оси сопла подачи воздуха не влияет на характер течения воздуха в сопле и соответственно на интенсивность и структуру воздушных струй в камере сгорания.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. "Испарительная форсунка отопителя автомобиля, независимого от двигателя", заявка DE 19546130 А1, фирма Вебасто, Термосистема ООО.

2. Выкладное описание изобретения DE 19529994 А1, фирма Й. Эбершпрехер.

Изобретение относится к области энергетики, в частности горелочным устройствам, и может быть использовано в автомобильной промышленности. Техническим результатом является повышение надежности работы горелочного устройства. Технический результат достигается тем, что горелочное устройство дополнительно содержит блок анализа электрических сигналов, у края одного из щелевых отверстий на внешней поверхности сопла подачи воздуха расположен выступающий электрод, а датчик выполнен в виде трехсегментного электронного зонда, причем один сегмент электронного зонда размещен сверху вниз вдоль наружной поверхности сопла подачи воздуха до уровня щелевых отверстий в области выступающего электрода, другой сегмент размещен над верхним срезом сопла подачи воздуха, а третий сегмент, размещенный соосно с внутренней поверхностью сопла подачи воздуха, выведен из горелочного устройства посредством электроизоляционной втулки с центральным отверстием, установленной в основании завихрителя, и соединен с блоком анализа электрических сигналов. 2 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, завихритель, испарительную капиллярную структуру, штуцер для установки свечи, жаровую трубу, стабилизатор пламени и датчик, отличающееся тем, что дополнительно содержит блок анализа электрических сигналов, у края одного из щелевых отверстий на внешней поверхности сопла подачи воздуха расположен выступающий электрод, а датчик выполнен в виде трехсегментного электронного зонда, причем один сегмент электронного зонда размещен сверху вниз вдоль наружной поверхности сопла подачи воздуха до уровня щелевых отверстий в области выступающего электрода, другой сегмент размещен над верхним срезом сопла подачи воздуха, а третий сегмент, размещенный соосно с внутренней поверхностью сопла подачи воздуха, выведен из горелочного устройства посредством электроизоляционной втулки с центральным отверстием, установленной в основании завихрителя, и соединен с блоком анализа электрических сигналов.