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, а именно, для создания независимых предпусковых подогревателей.

В качестве аналога было выбрано устройство "Камера сгорания горелки для отопительного прибора транспортного средства или для фильтра для улавливания частиц отработанных газов" фирмы Й. Эбершпехер PCT/DE 95/00614 от 06.05.95 г. , которое имеет торцевую ограничительную стенку, круговую ограничительную стенку, штуцера для размещения свечи накаливания и 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 (1), с торцевой ограничительной стенкой (2), в которой выполнено центральное отверстие с входящим коаксиально с осью в топочную камеру соплом подачи воздуха (3), воздух в которое подается завихрителем (9). С внутренней стороны цилиндрической ограничительной стенки расположена испарительная капиллярная структура (4), формирователь вихревых потоков (5), штуцер для установки свечи (6), жаровую трубу (7) и стабилизатор пламени (8). 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.

Высокие технические характеристики горелочных устройств испарительного типа, использующих сопло с закрученным потоком воздуха, в определяющей степени обусловлены благоприятной для горения пространственно-энергетической структурой формирующихся воздушных струй.

Закрутка потока воздуха, осуществляемая завихрителем 9 (фиг.1), формирует быстроперемещающийся по спирали, прижатый к внутренней поверхности сопла воздушный поток. Через продольные щели на боковой поверхности сопла данный поток трансформируется в совокупность вытекающих в радиальном направлении высокоскоростных воздушных струй. Из механизма формирования воздушных струй, вытекающих из продольной щели, представленной на фиг.2, следует ее характерная пространственная неоднородность. Слои струи, формируемые на "развихряющей" поверхности щели, обладают максимальной плотностью и скоростью, а в примыкающим к ним слоям плотность и скорость резко убывают.

Слои воздушной струи, обладающие высокой плотностью и кинетической энергией, "прорезают" зону горения и на формирователе завихренных потоков образуют высокотурбулентные вихри, обеспечивающие эффективное перемешивание и горение горючей смеси.

С возрастанием мощности горелочного устройства существенно возрастает давление в топочной камере и соответственно сопротивление движущимся воздушным струям, вытекающим из щелей сопла подачи воздуха.

Однако кроме непосредственного торможения вытекающим воздушным струям существует и другой, не менее значимый, механизм влияния повышенного давления газов в топочной камере на количество и пространственную структуру воздуха, вытекающего из продольной щели на сопле подачи воздуха.

Этот механизм обусловлен именно тем обстоятельством, что практически вся масса воздушной струи локализована у "развихряющего" края отверстия. У противоположного края воздух движется практически так же, как и остальной закрученный в сопле поток, т.е. вдоль внутренней поверхности сопла.

На фиг.3 показано, как соотносятся поле вектора скоростей потока воздуха в сечении, перпендикулярном продольной щели, и поле вектора давления от газов из зоны горения в топочной камере. Видно, что у "развихряющего" края векторы скоростей воздушных слоев направлены встречно векторам давления газов в топочной камере, а у противолежащего "развихряющему" краю вектор давления действует перпендикулярно (или близко к перпендикулярному направлению) относительно векторов скорости потока воздуха. Известно, что даже небольшая сила, действующая перпендикулярно направлению потока воздуха, приводит к существенному изменению траектории его движения. Очевидно, что отклонение траектории воздушного потока у "незавихряющего" края отверстия приводит к уменьшению потока воздуха, попадающего на "развихряющий" край и соответственно к уменьшению общего количества воздуха и энергии воздушной струи, вытекающей из щелевого отверстия.

Недостатком данного горелочного устройства является низкий уровень достижимой мощности, обусловленный механизмом влияния повышенного давления в топочной камере на количество воздуха и его энергию в вытекающих из щелей на боковой поверхности сопла подачи воздуха струй.

Для преодоления отклоняющего и тормозящего действия повышенного давления газов в топочной камере можно использовать специальным образом созданное противодавление с внутренней стороны щелевого отверстия. Причем, если противодавление будет изменяться синфазно с ростом давления в топочной камере, то это позволит существенно расширить диапазон мощностей известных горелочных устройств.

Одним из технических решений формирования противодавления газам из зоны горения является создание воздушных струй у каждого из отверстий на боковой поверхности сопла подачи воздуха, направленных радиально от оси сопла к данным отверстиям. При соответствующих характеристиках этих струй они могут компенсировать воздействие повышенного давления в зоне горения на истечение воздушных струй из сопла подачи воздуха.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение интенсивности горения, а следовательно, увеличение диапазона мощности 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, с внутренней стороны цилиндрической и торцевой ограничительных стенок расположена испарительная капиллярная структура, завихритель потока воздуха, формирователь вихревых потоков, штуцер для установки свечи, жаровую трубу и стабилизатор пламени, в центре торцевой поверхности завихрителя выполнено отверстие, в которое газоплотно внутрь сопла подачи воздуха соосно с ним введена цилиндрическая трубка, верхний срез которой находится на уровне, превышающем верхний ряд продольных щелевых отверстий на боковой поверхности сопла воздуха, причем верхний срез цилиндрической трубки закрыт ограничительной стенкой, нижний срез, размещенный ниже уровня торцевой поверхности завихрителя, открыт, а на боковой поверхности выполнены отверстия, находящиеся на пересечении радиальных прямых от оси сопла подачи воздуха до продольных щелей на его боковой поверхности.

На фиг.1 представлен прототип предлагаемого устройства.

На фиг. 2 представлен механизм формирования воздушных струй, вытекающих из продольной щели. (1) - сопло подачи воздуха; (2) - продольная щель; (3) - закрученный поток; (4) - вытекающая воздушная струя.

На фиг.3 представлены поля скоростей, вытекающей струи воздуха и давления в топочной камере. (1) - поле скоростей воздушной струи; (2) - поле вектора давления; (3) - закрученный воздушный поток.

На фиг.4 представлено предлагаемое устройство. (1) - цилиндрическая ограничительная стенка; (2) - торцевая ограничительная стенка; (3) - сопло подачи воздуха; (4) - капиллярная структура испарительного элемента; (5) - формирователь "завихренных" потоков; (6) - штуцер ввода свечи; (7) - жаровая труба; (8) - стабилизатор пламени; (9) - завихритель; (10) - щелевые отверстия в сопле подачи воздуха; (11) - цилиндрическая трубка с отверстиями (12); (13) - воздухонагнетающее устройство.

На фиг.5 представлена циклограмма работы горелочного устройства.

Предлагаемое устройство работает в соответствии с циклограммой, представленной на фиг. 5. В момент запуска t₀ включается воздухонагнетательное устройство на максимальной мощности и до момента t₁ осуществляется продувка топочной камеры, после чего мощность воздухонагнетательного устройства уменьшается до небольшой величины и до момента t₅ (при котором регистрируется факт воспламенения) остается постоянной.

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

После разогрева свечи накаливания 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 капиллярной структуры испарительного элемента.

В момент возгорания воздушной смеси происходит отключение свечи накаливания, начинается синхронное нарастание мощности воздухонагнетательного устройства и топливного насоса.

В соответствии с конструкцией предлагаемого устройства на фиг.4 видно, что повышение мощности воздухонагнетательного устройства одновременно увеличивает давление внутри цилиндрической трубки (11) и совместно с синхронно возрастающей мощностью топливного насоса увеличивает интенсивность горения в топочной камере.

Увеличение интенсивности горения, в свою очередь, ведет к возрастанию давления газов в топочной камере.

Таким образом, увеличение мощности воздухонагнетательного устройства одновременно повышает давление снаружи щелевых отверстий, обусловленное воздействием газов из зоны горения топочной камеры, так и изнутри, обусловленное воздействием воздушных струй, вытекающих из отверстий цилиндрической трубки.

При соответствующем подборе диаметра цилиндрической трубки, толщины ее цилиндрической стенки и диаметра отверстий можно существенно увеличить диапазон мощности горелочного устройства.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Конвенционная заявка 2420-214828 на патент с приоритетом от 15.05.94 г. фирма Й. Эбершпрехер, ФРГ, РСТ/DE 95/00614 от 6.05. 95.

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

Изобретение относится к области энергетики, в частности горелочным устройствам, и может быть использовано в автомобильной промышленности, а именно, для создания независимых предпусковых подогревателей. Техническим результатом данного изобретения является повышение интенсивности горения, а следовательно, увеличение диапазона мощности горелочного устройства. Технический результат достигается тем, что в известном горелочном устройстве в центре торцевой поверхности завихрителя выполнено отверстие, в которое газоплотно внутрь сопла подачи воздуха соосно с ним введена цилиндрическая трубка, верхний срез которой находится на уровне, превышающем верхний ряд продольных щелевых отверстий на боковой поверхности сопла подачи воздуха, причем верхний срез цилиндрической трубки закрыт ограничительной стенкой, нижний срез, размещенный ниже уровня торцевой поверхности завихрителя, открыт, а на боковой поверхности выполнены отверстия, находящиеся на пересечении радиальных прямых от оси сопла подачи воздуха до продольных щелей на его боковой поверхности. 5 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, с внутренней стороны цилиндрической и торцевой ограничительных стенок расположена испарительная капиллярная структура, завихритель потока воздуха, формирователь вихревых потоков, штуцер для установки свечи, жаровую трубу и стабилизатор пламени, отличающееся тем, что в центре торцевой поверхности завихрителя выполнено отверстие, в которое газоплотно внутрь сопла подачи воздуха соосно с ним введена цилиндрическая трубка, верхний срез которой находится на уровне, превышающем верхний ряд продольных щелевых отверстий на боковой поверхности сопла подачи воздуха, причем верхний срез цилиндрической трубки закрыт ограничительной стенкой, нижний срез, размещенный ниже уровня торцевой поверхности завихрителя, открыт, а на боковой поверхности выполнены отверстия, находящиеся на пересечении радиальных прямых от оси сопла подачи воздуха до продольных щелей на его боковой поверхности.