ТОПКА ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ГОРЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК F23C15/00 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в котлах пульсирующего горения для упрощения конструкции топки с обеспечением полноты сгорания топлива при низкой концентрации NO_x и СО в выхлопных газах, а также обеспечения мягкого без хлопков розжига.

Известна система пульсирующего горения, содержащая камеру сгорания, емкость для нагреваемого теплоносителя, устройства подвода топлива и воздуха, вывода продуктов горения, а также смесительное устройство, два ресивера, два обратных клапана, дефлектор и устройство контроля продувки и горения с двумя датчиками. Данная система обеспечивает устойчивость пульсирующего горения в режиме самовсасывания воздуха в камеру сгорания без помощи воздушного нагнетателя, высокий КПД и низкую концентрацию оксидов азота и монооксида углерода в выхлопных газах (патент RU 2175422, МПК₇ F23C 11/04, опубл. 27.10.2001 г.).

Недостатками устройства являются сложность конструкции и необходимость индивидуальной регулировки положения дефлектора-стабилизатора горения, расположенного на выходе воздухопровода в камеру сгорания. Кроме того, наличие дефлектора вызывает аэродинамическое сопротивление в тракте подачи топливно-воздушной смеси в камеру сгорания, что снижает добротность колебательной системы при пульсирующем горении.

Наиболее близкой к предложенному изобретению является пульсирующая вихревая топка, содержащая камеру сгорания, ограниченную цилиндрической оболочкой, открытым торцом с одной стороны и закрытым с другой, смесительное устройство, сообщающееся с камерой сгорания, в последней установлено запальное устройство для розжига, и трубопроводы подачи воздуха и топлива с дозирующими отверстиями и обратными клапанами, при этом смесительное устройство размещено в продолжении трубопровода подачи воздуха путем сопряжения его с трубопроводом подачи топлива на уровне дозирующих отверстий, выполненных в продолжении трубопровода подачи воздуха, кроме того, канал подачи топливно-воздушной смеси из смесительного устройства в камеру сгорания одной стороной выполнен с тангенциальным направлением к цилиндрической оболочке камеры сгорания и смежной стороной совмещен с плоскостью ее закрытого торца, а запальное устройство установлено, например, на цилиндрической оболочке камеры сгорания рядом с каналом подачи топливно-воздушной смеси из смесительного устройства (патент РФ №2414646, МПК F23C 15/00, опубл. 20.03.2011).

Недостатками известной пульсирующей вихревой топки являются сложность конструкции, увеличенный габаритный размер в радиальном направлении.

Задачей изобретения является упрощение конструкции с обеспечением полноты сгорания топлива при низкой концентрации NO_x и СО в выхлопных газах.

Поставленная задача решается топкой пульсирующего горения, содержащей камеру сгорания с запальным устройством для розжига, ограниченную боковыми стенками, открытым торцом с одной стороны и закрытым торцом с другой стороны, смесительное устройство, сообщающееся с камерой сгорания посредством канала подачи топливно-воздушной смеси, трубопроводы подачи воздуха и топлива с дозирующими отверстиями и обратными клапанами, причем смесительное устройство размещено в продолжении трубопровода подачи воздуха путем сопряжения его с трубопроводом подачи топлива на уровне дозирующих отверстий, выполненных в продолжении трубопровода подачи воздуха. В отличие от прототипа канал подачи топливно-воздушной смеси из смесительного устройства в камеру сгорания соединен с отверстием, выполненным в закрытом торце камеры сгорания, при этом продольная ось канала подачи топливно-воздушной смеси расположена под углом к плоскости закрытого торца камеры сгорания и пересекает поверхность боковой стенки камеры сгорания.

Согласно изобретению:

- запальное устройство для розжига расположено на закрытом торце камеры сгорания;

- топка содержит корпус камеры сгорания, охватывающий ее с образованием полости для охлаждающей жидкости, причем внутри полости расположены выхлопные каналы;

- участок трубопровода подачи воздуха, в котором размещено смесительное устройство, окружен корпусом с образованием газовой полости, сопряженной с трубопроводом подачи топлива и ограниченной кольцевой крышкой с одной стороны и закрытым торцом камеры сгорания с другой стороны, причем газовая полость сообщается с полостью смесительного устройства посредством дозирующих отверстий, которые расположены по периметру трубопровода подачи воздуха на заданном расстоянии, например, от закрытого торца камеры сгорания;

- дозирующие отверстия распределены как минимум на две группы, разделенные установленной в газовой полости не замкнутой кольцевой перегородкой с образованием в газовой полости прохода, который расположен на удалении от места сопряжения газовой полости с трубопроводом подачи топлива.

Технический результат изобретения достигается благодаря следующему.

Предложенная конструкция топки пульсирующего горения, когда продольная ось канала подачи топливно-воздушной смеси из смесительного устройства в камеру сгорания расположена под углом и пересекает поверхность боковой стенки камеры сгорания, обеспечивает образование потока продуктов горения, который имеет характер закрученного по спирали вдоль охлаждаемой жидкостью боковой стенки камеры сгорания. Это способствует снижению температур в зоне горения топливно-воздушной смеси и, соответственно, снижению выбросов NO_x, а благодаря улучшенному перемешиванию продуктов горения обеспечивается полнота сгорания и снижение выбросов СО.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения предложенная конструкция топки пульсирующего горения, когда группируют взаимное расположение дозирующих отверстий и разделяют их кольцевой не замкнутой перегородкой, обеспечивает мягкий без хлопков розжиг топки пульсирующего горения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 схематично показана топка пульсирующего горения, продольный разрез;

на фиг.2 схематично показана топка пульсирующего горения с газовой полостью вокруг смесительного узла, продольный разрез;

на фиг.3 схематично показана топка пульсирующего горения с кольцевой не замкнутой перегородкой в газовой полости, продольный разрез;

на фиг.4 схематично показан общий вид топки пульсирующего горения с охватывающим камеру сгорания корпусом;

на фиг.5 показана осциллограмма розжига топки пульсирующего горения с разделяющей дозирующие отверстия перегородкой в начальный момент с последующим рабочим режимом.

Топка пульсирующего горения (фиг.1, 2, 3) содержит камеру сгорания 1 с запальным устройством 2, ограниченную боковыми стенками 3, открытым торцом 4 с одной стороны (показано на фиг.4) и закрытым торцом 5 с другой стороны, трубопровод подачи воздуха 6 с обратным воздушным клапаном 7 и дозирующими отверстиями 8, трубопровод подачи топлива 9 с обратным топливным клапаном 10, смесительное устройство 11, размещенное в продолжении трубопровода подачи воздуха 6 путем сопряжения его с трубопроводом подачи топлива 9 на уровне дозирующих отверстий 8 и сообщающееся с камерой сгорания 1 через отверстие, выполненное в закрытом торце 5. На выходе смесительного устройства образован канал 12 подачи топливно-воздушной смеси в камеру сгорания 1, продольная ось 13 которого расположена под углом к плоскости закрытого торца 5 камеры сгорания и пересекает поверхность ее боковой стенки 3.

В частном случае изобретения (фиг.2) участок трубопровода подачи воздуха, в котором размещено смесительное устройство 11, окружен корпусом 14 с образованием газовой полости 15, сопряженной с трубопроводом подачи топлива 9. Газовая полость с одной стороны ограничена крышкой 16, а с другой стороны - закрытым торцом 5 камеры сгорания, при этом газовая полость 15 сообщается с полостью смесительного устройства 11 посредством дозирующих отверстий 8, которые располагают по периметру трубопровода подачи воздуха 6 на заданном расстоянии, например, от закрытого торца 5 камеры сгорания 1.

Кроме того, в другом частном случае реализации изобретения (фиг.3) дозирующие отверстия 8 в трубопроводе подачи воздуха 6 располагают по периметру трубопровода подачи воздуха 6 на заданном расстоянии, например, от закрытого торца 5 камеры сгорания и распределяют как минимум на две группы, разделенные не замкнутой кольцевой перегородкой 17 с образованием прохода 18, который расположен на удалении от места сопряжения газовой полости 15 с трубопроводом подачи топлива 9.

Согласно изобретению топка пульсирующего горения содержит корпус 19, охватывающий ее с образованием полости 20 для охлаждающей жидкости. Внутри полости расположены выхлопные каналы 21 для выхода дымовых газов из камеры сгорания (фиг.4).

Работа топки пульсирующего горения осуществляется следующим образом.

Через обратный клапан 7 по трубопроводу 6 подают воздух, а через обратный клапан 10 по трубопроводу 9 в смесительное устройство 11 подают топливо, например природный газ, под давлением, большим атмосферного. В устройстве 11 происходит смешивание топлива с воздухом, в результате чего образуется топливно-воздушная смесь. Топливно-воздушная смесь поступает по каналу 12 в камеру сгорания 1, в последней, по мере наполнения ее топливно-воздушной смесью, включают запальное устройство 2, от чего топливно-воздушная смесь мгновенно воспламеняется. В результате этого рабочее давление Рраб (фиг.5) в камере сгорания 1 мгновенно повышается до давления, большего давления воздуха и топлива в трубопроводах 6 и 9. При этом обратные клапаны 7 и 10 мгновенно закрываются, и горячий продукт сгораемой топливно-воздушной смеси направляется на охлаждаемую жидкостью боковую стенку 3 камеры сгорания 1, после чего направленный поток продуктов горения перемещается к открытому торцу 4 камеры сгорания 1 в выхлопные каналы 21.

После выхлопа продуктов горения через выхлопные каналы 21 давление в камере сгорания 1 резко уменьшается до величины Рразр (фиг.5), меньше атмосферного, при этом обратные клапаны 7 и 10 открываются под воздействием возникшего разрежения, а воздух и топливо опять устремляются в устройство 11, где смешиваются. Топливно-воздушная смесь направляется по каналу 12 в камеру сгорания 1 и мгновенно воспламеняется от горячих продуктов предшествующего горения топливно-воздушной смеси. Давление в камере сгорания 1 мгновенно повышается до Рраб, под его воздействием обратные клапаны 7 и 10 закрываются. Горячий продукт сгораемой топливно-воздушной смеси под давлением Рраб ударяется об охлаждаемую жидкостью стенку 3 камеры 1 и затем перемещается к выхлопным каналам. При выхлопе продуктов горения давление в камере сгорания 1 снова резко уменьшается до Рразр, обратные клапаны открываются. Процесс повторяется.

Пульсирующие потоки сгораемой топливно-воздушной смеси характеризуются высокими скоростями перемещения. Продольная ось 13 канала 12 подачи топливно-воздушной смеси в камеру сгорания расположена под углом к плоскости закрытого торца 5 и пересекает поверхность боковой стенки 3 камеры сгорания 1, а камера сгорания обычно имеет форму, близкую к цилиндрической, поэтому поток образовавшихся продуктов горения имеет характер закрученного по спирали вдоль охлаждаемой жидкостью боковой стенки камеры сгорания, что способствует более эффективному перемешиванию продуктов горения и снижению температур в зоне горения. Это обеспечивает полноту сгорания и снижение выбросов СО и NO_x.

Для одного из вариантов исполнения топки пульсирующего горения с газовой полостью 15 (фиг.3) дозирующие отверстия 8 распределены на группы, при этом каждая отдельная группа дозирующих отверстий расположена на соответствующем заданном расстоянии, например, от торца 5 камеры сгорания 1. Дозирующие отверстия разделены кольцевой не замкнутой перегородкой 17, разделяющей газовую полость на части, связанные между собой проходом 18. При подаче топлива из трубопровода 9 в полость 15 часть топлива попадает в смесительное устройство 11 через одну группу дозирующих отверстий 8, расположенных между закрытым торцом 5 и кольцевой не замкнутой перегородкой 17, а другая часть топлива с некоторой задержкой во времени попадает в смесительное устройство 11 через другую группу отверстий 8, расположенных за перегородкой 17. Для устройств пульсирующего горения, имеющих большую номинальную тепловую мощность, за счет разделения потоков топливного газа, поступающих в устройство 11, такое группирование и подбор взаимного расположения дозирующих отверстий позволяет получать в начальный момент при поджоге топливно-воздушной смеси от запального устройства плавный и мягкий без хлопков розжиг (фиг.5). Кроме того, такая распределенная во времени в пределах отдельного периода колебаний подача топлива способствует еще большей полноте сгорания топливно-воздушной смеси и уменьшению выбросов СО.

Таким образом, изобретение позволяет упростить конструкцию топки пульсирующего горения, обеспечить полноту сгорания топлива при низкой концентрации NO_x и СО в выхлопных газах.

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в котлах пульсирующего горения. Топка пульсирующего горения содержит камеру сгорания с запальным устройством для розжига, ограниченную боковыми стенками, открытым торцом с одной стороны и закрытым торцом с другой стороны, смесительное устройство, сообщающееся с камерой сгорания посредством канала подачи топливно-воздушной смеси, трубопроводы подачи воздуха и топлива с дозирующими отверстиями и обратными клапанами, причем смесительное устройство размещено в продолжении трубопровода подачи воздуха путем сопряжения его с трубопроводом подачи топлива на уровне дозирующих отверстий, выполненных в продолжении трубопровода подачи воздуха. Канал подачи топливно-воздушной смеси из смесительного устройства в камеру сгорания соединен с отверстием, выполненным в закрытом торце камеры сгорания, при этом продольная ось канала подачи топливно-воздушной смеси расположена под углом к плоскости закрытого торца камеры сгорания и пересекает поверхность боковой стенки камеры сгорания. Изобретение позволяет упростить конструкцию топки пульсирующего горения, обеспечить полноту сгорания топлива при низкой концентрации NO_x и СО в выхлопных газах. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Топка пульсирующего горения, содержащая камеру сгорания с запальным устройством для розжига, ограниченную боковыми стенками, открытым торцом с одной стороны и закрытым торцом с другой стороны, смесительное устройство, сообщающееся с камерой сгорания посредством канала подачи топливно-воздушной смеси, трубопроводы подачи воздуха и топлива с дозирующими отверстиями и обратными клапанами, причем смесительное устройство размещено в продолжении трубопровода подачи воздуха путем сопряжения его с трубопроводом подачи топлива на уровне дозирующих отверстий, выполненных в продолжении трубопровода подачи воздуха, отличающаяся тем, что канал подачи топливно-воздушной смеси из смесительного устройства в камеру сгорания соединен с отверстием, выполненным в закрытом торце камеры сгорания, при этом продольная ось канала подачи топливно-воздушной смеси расположена под углом к плоскости закрытого торца камеры сгорания и пересекает поверхность боковой стенки камеры сгорания.

2. Топка пульсирующего горения по п.1, отличающаяся тем, что запальное устройство для розжига расположено на закрытом торце камеры сгорания.

3. Топка пульсирующего горения по п.1, отличающаяся тем, что содержит корпус камеры сгорания, охватывающий ее с образованием полости для охлаждающей жидкости, причем внутри полости расположены выхлопные каналы.

4. Топка пульсирующего горения по п.1, отличающаяся тем, что участок трубопровода подачи воздуха, в котором размещено смесительное устройство, окружен корпусом с образованием газовой полости, сопряженной с трубопроводом подачи топлива и ограниченной кольцевой крышкой с одной стороны и закрытым торцом камеры сгорания с другой стороны, причем газовая полость сообщается с полостью смесительного устройства посредством дозирующих отверстий, которые расположены по периметру трубопровода подачи воздуха на заданном расстоянии, например, от закрытого торца камеры сгорания.

5. Топка пульсирующего горения по п.4, отличающаяся тем, что дозирующие отверстия распределены как минимум на две группы, разделенные установленной в газовой полости не замкнутой кольцевой перегородкой с образованием в газовой полости прохода, который расположен на удалении от места сопряжения газовой полости с трубопроводом подачи топлива.