УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПАРОГАЗОВОЙ СМЕСИ Российский патент 2009 года по МПК F23C99/00 

Предлагаемое устройство относится к строительной индустрии и может быть применено для нагрева строительных материалов, изделий, сооружений, тушения горящих веществ, получения электроэнергии.

Известны топочные устройства, горелки для сжигания топлива, устройства получения пара в парогенераторах и водогрейных котлах, конструкции котлов с устройствами для нагрева воды путем теплопередачи через их стенки тепла от горящего снаружи топлива. (1. Эстеркин Р.И. Промышленные парогенерирующие установки. - Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980, стр.64-131. 2. Чепель В.М., Шур И.А. Сжигание газов в топках котлов и печей и обслуживание газового хозяйства предприятий. - 7-е изд., перераб. и доп.- Л.: Недра, 1980, стр.284-453.) В этих устройствах теплом, образующимся при сжигании топлива в топках, обогревают стенки парогенераторов, водогрейных котлов, теплообменников, по которым проходит вода. От нагретых стенок вода отбирает тепло, нагревается, испаряется, пар перегревается и направляется в тепловые агрегаты или потребителям, используется при производстве строительных материалов и изделий. Недостатками получения отдельно горящих продуктов сгорания и отдельно пара при нагреве стенок парогенераторов горячими продуктами сгорания топлива являются неэкономичность процессов, большие тепловые потери, низкий термический коэффициент полезного действия устройств, сложность процессов и устройств, не достигается экологическая чистота процессов.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности является устройство - камера сгорания с водяным охлаждением для парогазового цикла (Кондак М.А. Фронтовые устройства для камер сгорания газовых турбин // Теория и практика сжигания газа. II /Под ред. Д.Н. Ляховского. - Л.: Недра, 1964, стр.581,582, рис.7).

Камера сгорания выполнена сужающейся к выходному сечению. Она полностью экранирована трубками малого диаметра. Снижение температуры газа в камере осуществляется насыщенным паром до температуры 700-750°С. Смесь газа и перегретого пара направляется в газовую турбину. К камере сгорания в расширенной части присоединена коробка, которая имеет цилиндрическую часть с трубопроводом (с запорным устройством) для подвода воздуха и следующую за цилиндрической частью расширяющуюся коническую часть, которая присоединена к расширенной части камеры сгорания. Цилиндрическая часть коробки имеет крышку, в которой аксиально размещены два трубопровода (один в другом) для подвода газа. Через трубопровод большего диаметра горючий газ подается в 6 радиально расположенных распределительных трубок и выходит через 12 отверстий ⊘ 2 мм (по 6 с каждой стороны). Газораспределительные трубки установлены в выходном сечении цилиндрической части воздушной коробки. Газ с воздухом смешивается в расширенной части коробки, и газовоздушная смесь поступает в камеру сгорания, куда аксиально через центральную трубку подается дополнительно газ, т.е. камера имеет рассредоточенный подвод газа. В экранирующих камеру трубках малого диаметра образуется насыщенный пар, который поступает периферийно в продукты сгорания, снижая их температуру.

Это устройство позволяет получать парогазовую смесь, которую можно направлять в газовую турбину. Но периферийное распределение пара в продуктах горения удлиняет путь образования парогазовой смеси с требуемой температурой, не достигается равномерность распределения температур в парогазовом потоке.

Недостатки связаны и с несовершенством газодинамических процессов в сужающейся камере сгорания, и периферийной подачей пара в поток горячих продуктов сгорания топлива. Следовательно, существенными недостатками являются неравномерность образования парогазовой смеси в поперечных сечениях камеры, неравномерность состава и температуры получаемой парогазовой смеси в выходном сечении, значительная длина пути перемешивания пара с горячими продуктами сгорания, наличие в выходящей парогазовой смеси капель воды, недостаточная экономичность процесса и пониженный термический коэффициент полезного действия устройства для получения парогазовой смеси. Кроме того, при экранировании камеры сгорания трубками малого диаметра не достигается эффективное охлаждение стенок камеры, долговечность стенок не может быть высокой; металл стенок перегревается, возникают напряжения в металле, образуются трещины.

Техническим результатом устройства для получения парогазовой смеси и является интенсификация горения и образования парогазовой смеси на коротком пути, быстрое перемешивание горячего газа с водой, полное испарение воды, быстрое перемешивание водяного пара с продуктами сгорания топлива на коротком пути, образование на выходе равномерно перемешанной парогазовой смеси с требуемой температурой в выходном сечении устройства, эффективное охлаждение стенок водоохлаждаемой камеры устройства, повышение долговечности и термического коэффициента полезного действия парогазового агрегата.

Предлагаемое устройство для получения парогазовой смеси содержит топливо-, воздухоподводящие трубопроводы, сопло, запальник, водоохлаждаемую камеру сжигания и отличается от известного тем, что его водоохлаждаемая камера сжигания сделана ступенчатой, расширяющейся по направлению к выходному сечению, и в каждой ступени камеры сжигания во внутренних стенках выполнены радиальные и следующие за ними периферийные аксиальные каналы-отверстия для выхода воды и направления ее в виде струй в горячие продукты сгорания топлива;

отличается от известного и тем, что его камера сжигания соединена с турбиной, а турбина соединена с электрогенератором;

отличается от известного и тем, что его камера сжигания соединена с турбиной, а турбина соединена с нагнетателем;

отличается от известного и тем, что оно снабжено отводными для парогазовой смеси трубопроводами.

Такое сочетание новых признаков с известными позволяет интенсифицировать процессы горения и перемешивания горячего газа с водой, испарения воды, образования парогазовой смеси без наличия неиспарившейся воды в смеси. Достигается эффективное охлаждение стенок водоохлаждаемой камеры устройства, повышаются долговечность и термический коэффициент полезного действия парогазового агрегата. Можно получать на коротком пути парогазовую смесь с требуемой температурой, равномерного состава, без включений капель воды.

Предлагаемое устройство для получения парогазовой смеси показано на чертеже.

В устройство, содержащее топливоподводящий трубопровод 1, воздухопровод 2, сопло 3, запальник 4, водоохлаждаемую камеру сжигания 5, подают воздух-окислитель и топливо (газообразные углеводороды), с помощью запальника поджигают образующуюся смесь топлива с воздухом и после достижения стабильного горения через трубопровод 6 в пустотелую камеру сжигания 5 подают воду. В связи с тем, что водоохлаждаемая камера 5 сделана ступенчатой, расширяющейся по направлению к выходному сечению, и в каждой ступени камеры сжигания во внутренней стенке выполнены радиальные каналы 7 и периферийные аксиальные каналы-отверстия 8 для выхода воды и направления (подачи) ее в виде струй в горячие продукты сгорания топлива, то выходящая струйно вода перемешивается с горячими продуктами сгорания, и образуется парогазовая смесь.

В горячие продукты сгорания топлива вводят воду чередующимися радиальными и периферийными аксиальными струями, в связи с чем образуется парогазовая смесь на коротком пути, интенсивно охлаждаются стенки камеры сжигания, повышается долговечность устройства, увеличивается термический коэффициент полезного действия агрегата. В горячие продукты сгорания вводят воду до достижения на термометре температуры 600°С выходящей и используемой парогазовой смеси. При достижении требуемой температуры парогазовой смеси краном стабилизируют подачу воды. Ввод воды в камеру сжигания начинается струями там, где заканчивается окисление топлива и образуются высокотемпературные продукты сгорания (на расстоянии 10-50 диаметров сопла горелки-туннеля в выходном сечении), а заканчивается у выходного сечения камеры (на расстоянии 100-500 диаметров сопла - туннелей в выходном сечении), причем на начальном и конечном участках подача воды производится в минимальном количестве (10-20% от общего расхода воды). Максимальное количество воды поступает в продукты сгорания в средней части камеры сжигания (80-90% от общего расхода воды). Отверстия в стенках камеры сжигания рационально размещать так, чтобы струи воды выходили в шахматном порядке. Расстояние участка аксиальной водяной струи (от выходного сечения отверстия в стене) до начального участка соседней (последующей) радиальной струи воды находится в пределах 4-25 диаметров аксиальной струи в выходном сечении отверстия в стене. Диаметр каждой расширенной части камеры находится в пределах 1,2-2,5 от диаметра предыдущей, менее расширенной части камеры. Скорость струйного истечения воды из отверстий стенок камеры должна быть в 1,2-4 раза больше скорости парогазового потока в соответствующей расширенной части камеры, в стенках которой размещены отверстия для выхода воды. В отводных патрубках выполнены запорная арматура и краны для слива воды в начальный период работы агрегата и в конце его работы.

Ступенчатое расширение камеры сжигания и чередование радиальных и периферийных аксиальных струй воды, проникающих в горячий газовый поток, способствуют образованию водогазовых и парогазовых вихрей, быстрому испарению воды, получению парогазовой смеси на коротком пути, уменьшению тепловых потерь, интенсивному охлаждению стенок водораспределительной камеры.

Образующуюся парогазовую смесь можно подавать через отводные трубопроводы 9 на нагреваемый материал, в нагреваемую жидкость, в теплообменник, в теплицу, в помещение и прогревать его поверхности, подавать на горящий материал и тушить пламя, подавать на лопатки турбины 10, причем в последнем случае камеру сжигания надо соединять с турбиной, а турбину - с нагнетателем или электрогенератором 11.

Выбор температуры парогазовой смеси обусловлен технологической или конструктивными особенностями устройств, использующих парогазовую смесь.

Радиальные 12 и аксиальные 13 струи воды, сталкиваясь, образуют вихревое движение капель воды и высокотемпературных продуктов сгорания вблизи от факела, выходящего из огнеупорного горелочного туннеля 14, что ускоряет процесс образования парогазовой смеси равномерного состава у выходного сечения.

Устройство работает следующим образом.

Подают в горелку 3 под давлением воздух, а затем по трубопроводу 1 газообразное (природный газ) или жидкое (керосин) топливо. На выходе из сопла горелки 3 топливо смешивается с воздухом, и его поджигают с помощью электрического запальника, проходящего через топливоподающую трубу 4. После стабилизации процесса горения топлива подают воду на охлаждение камеры устройства 5. Вводят сначала небольшое количество воды в виде радиальных и аксиальных струй в горячие продукты сгорания, что способствует при небольшом снижении температуры газов дожиганию горючих веществ, улучшению горения, а затем выводят работу устройства на рабочий режим получения парогазовой смеси. С требуемой температурой подают нагретую парогазовую смесь в турбину или через отводные трубопроводы 9 потребителям. Парогазовую смесь полезно используют, направляя ее на обогреваемые материалы, нагреваемые поверхности. С валом турбины 10 соединен электрогенератор 11, позволяющий получать электроэнергию, или соединен нагнетатель для подачи под давлением жидкости или газа, что необходимо при строительстве.

Устройство для получения парогазовой смеси испытано, и получены положительные результаты: в парогазовой смеси при температуре 500-600°С в выходном сечении устройства нет капель воды, термический коэффициент полезного действия устройства при получении парогазовой смеси с температурой 500-600°С достигает 85-90%, что в 1,5-3 раза больше по сравнению с применением известных устройств для получения перегретого пара и парогазовой смеси. Долговечность предлагаемого устройства, изготовленного из нержавеющей жаропрочной стали, выше долговечности известного устройства в 5-8 раз.

Выбор расходов топлива и воздуха-окислителя, скорости сжигания топливовоздушной смеси, температуры продуктов сгорания в факеле, расходов воды для подачи в горячие продукты сгорания в виде радиальных и аксиальных (периферийных) струй производится в зависимости от требуемого расхода получаемой парогазовой смеси и достижения требуемой температуры парогазовой смеси в выходном сечении устройства.

Пример.

Испытания проводились применительно к устройству для получения парогазовой смеси и известному устройству по авторскому свидетельству СССР №864898. В этих устройствах сжигали природный газ одинакового состава. Расход природного газа был 70 м³/ч, а воздуха 700 м³/ч. Природный газ подавался из газопровода при среднем давлении, а воздух поступал под давлением из воздуходувки. Расход воды для подачи в виде радиальных и аксиальных (периферийных) струй в горячие продукты сгорания определялся исходя из необходимости достижения температуры парогазовой смеси в выходном сечении устройства 200-600°С. Температура продуктов сгорания в выходном сечении горелочного туннеля из высокоглиноземистого материала была 1500-1650°С, температура подаваемой в камеру воды находилась в пределах 40-60°С. Скорость газовоздушной смеси в выходном сечении сопла горелки была 40-70 м/с при нормальных условиях. Парогазовую смесь использовали для нагрева воды, воздуха в теплообменнике, нагрева строительных материалов, изделий, стен помещений при строительстве, тушения горящих материалов, подавали в турбину и получали электроэнергию или сжатый воздух из агрегатов, соединенных с валом турбины. Испытывали устройства в условиях дачного строительства, когда возникала необходимость широкого применения парогазовой смеси для различных целей при строительстве. Получали из предложенного устройства парогазовую смесь без включений капель воды.

Испытания показали высокую работоспособность и надежность предлагаемого устройства, простоту использования предлагаемых способа и устройства, их преимущества по сравнению с известными способами и устройствами, экономичность, экологическую чистоту, высокую долговечность, повышенный термический коэффициент полезного действия (до 90%).

Предлагаемое устройство для получения парогазовой смеси обеспечивает технический эффект и может быть осуществлено с помощью известных в технике средств. Введение новых элементов и связей между ними в устройстве обеспечивает решение поставленной задачи.

Предлагаемое устройство для получения парогазовой смеси позволяет интенсифицировать горение и образование парогазовой смеси на коротком пути (в 1,3-3 раза меньше, чем при применении известных способов и устройств). Наблюдается быстрое перемешивание горячего газа с водой, полное испарение воды, интенсивное перемешивание в вихрях водяного пара с горячими продуктами сгорания и усреднение температуры парогазовой смеси в выходном сечении устройства. В связи с эффективным охлаждением стенок камеры устройства в металле стенок не образуются трещины, повышаются долговечность устройства в 5-8 раз и термический коэффициент полезного действия парогазового агрегата в 1,5-3 раза.

Важные преимущества предложенного - небольшая металлоемкость устройства, простота работы устройства, малые размеры, быстро можно запускать устройство в работу и быстро останавливать его работу. Можно использовать жидкое топливо (нефтепродукты, спирт), сжиженный горючий газ. Окислителем может быть воздух или кислород, можно подавать и сжигать воздушно-топливную смесь. После длительной работы устройство можно останавливать, прочищать отверстия для выхода воды и отверстия топливно-распределительной системы, заменять горелочный туннель (огнеупорную трубку). Преимуществом устройства является также простой, хороший доступ для осмотра и ремонта стенок камеры, если это необходимо делать.

Предлагаемое устройство для получения парогазовой смеси может быть использовано для тушения горящих материалов, пожаров (без порчи материалов, изделий), для получения электроэнергии и приведения в движение мобильных систем, может быть использовано на электростанциях, в резервных установках для получения электроэнергии при авариях в удаленных и труднодоступных местах, а также с целью улучшения экологических условий. Расход топлива на получение парогазовой смеси меньше в 2-4 раза по сравнению с известными способами и устройствами.

После использования парогазовую смесь рационально подавать в теплицы для выращивания растений, где поступающей по трубам парогазовой смесью можно обогревать грунт, а затем направлять в помещение теплицы, где образующийся из пара конденсат может быть использован для увлажнения воздуха и грунта, а углекислый газ при достаточном освещении может использоваться растениями как пища (в связи с фотосинтезом - химическим процессом в зеленых растениях, при котором вода и углекислый газ превращаются в кислород и продукты питания растений при помощи световой энергии). В результате этого можно полезно использовать водяной пар и углекислый газ, обогащать атмосферу кислородом. Применение предложенного устройства на тепловых электростанциях, работающих на газообразном и жидком топливе, позволит резко уменьшить расход топлива, упростить сооружение и эксплуатацию тепловых агрегатов, решить экологические проблемы, уменьшить опасность парникового эффекта в природе. Можно упростить и сделать более экологически чистыми мобильные системы (автомобили, трактора, разнообразные транспортные средства).

Изобретение относится к строительной индустрии, может быть применено для нагрева строительных материалов, изделий, сооружений, тушения горящих веществ, получения электроэнергии и позволяет интенсифицировать горение и образование парогазовой смеси. Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для получения парогазовой смеси, содержащем топливо-, воздухоподводящие трубопроводы, сопло, запальник, водоохлаждаемую камеру сжигания, согласно изобретению его водоохлаждаемая камера сжигания сделана ступенчатой, расширяющейся по направлению к выходному сечению, и в каждой ступени камеры сжигания во внутренних стенках выполнены радиальные и следующие за ними периферийные аксиальные каналы-отверстия для выхода воды и направления ее в виде струй в горячие продукты сгорания топлива. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для получения парогазовой смеси, содержащее топливо-, воздухоподводящие трубопроводы, сопло, запальник, водоохлаждаемую камеру сжигания, отличающееся тем, что его водоохлаждаемая камера сжигания сделана ступенчатой, расширяющейся по направлению к выходному сечению и в каждой ступени камеры сжигания во внутренних стенках выполнены радиальные и следующие за ними периферийные аксиальные каналы-отверстия для выхода воды и направления ее в виде струй в горячие продукты сгорания топлива.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что его камера сжигания соединена с турбиной, а турбина соединена с электрогенератором.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что его камера сжигания соединена с турбиной, а турбина соединена с нагнетателем.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено отводными для парогазовой смеси трубопроводами.