УЛУЧШЕННАЯ ВИХРЕВАЯ ГОРЕЛКА С ВПРЫСКОМ ТОПЛИВА ДО И ПОСЛЕ ЗАВИХРИТЕЛЯ Российский патент 2019 года по МПК F23D14/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение касается улучшенных вихревых горелок, в частности, но не ограничиваясь, вихревых горелок, используемых в топливных батареях.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Идеи топливных элементов, батарей топливных элементов, узлов батарей топливных элементов, а также систем теплообменника, компоновок и способов хорошо известны специалистам в этой области техники, и, в частности, включают в себя WO02/35628, WO03/07582, WO2004/089848, WO2005/078843, WO2006/079800, WO2006/106334, WO2007/085863, WO2007/110587, WO2008/001119, WO2008/003976, WO2008/015461, WO2008/053213, WO2008/104760, WO2008/132493, WO2009/090419, WO2010/020797 и WO2010/061190, которые полностью включены в настоящее описание посредством ссылки.

Если контекст не диктует иначе, то термин ″флюид″ объединяет и жидкости и газы.

Законодательство и общая тенденция улучшенной экологической ответственности поощряют интерес к сокращению выбросов, произведенных при горении или сжигании топлива во всех действиях. В работе топливного элемента, в частности, есть законодательство, которое устанавливает максимальные пределы для уровней выбросов, такое как Европейский стандарт EN 50465:2008, который относится к устройству топливного элемента с газовым нагревом в бытовом применении. Особую важность в регулировании выбросов имеет уменьшение выбросов монооксида углерода (CO) и оксидов азота (NO_x).

Конструкция горелки очень важна, когда дело доходит до управления выбросами, образующимися при горении. Факторы, такие как поток воздуха, смешивание реагентов и положение пламени, должны все приниматься во внимание наряду с химическим составом сгораемого топлива.

Конструкция горелки очень важна, когда дело доходит до регулирования выбросов сгорания. Факторы, такие как поток воздуха, смешивание реагентов и положение пламени, должны все приниматься во внимание наряду с химическим составом сжигаемого топлива. Изменение в составе топлива, сгораемого в такой же горелке может давать в результате очень разные выбросы. Следовательно, зачастую необходимо конструировать горелку для определенного топлива, для того чтобы соблюдать требуемые ограничения по выбросам. Несмотря на это, есть ситуации, где горелка должна питаться различными топливами, и где стабильность сгорания и регулирование выбросов важны в каждом из этих режимов.

Горелки часто используются в системах топливных элементов, чтобы обеспечивать тепловую энергию для поднятия температуры системы топливных элементов и взаимосвязанных с системой ее частей до рабочей температуры. Система топливных элементов обычно включает в себя, по меньшей мере одну, батарею топливных элементов.

Там, где ссылка делается в настоящем описании на топливный элемент или систему топливных элементов, тогда более предпочтительно, что ссылка относится к твердооксидному топливному элементу (SOFC, solid oxide fuel cell) или системе SOFC, более предпочтительно к среднетемпературному твердооксидному топливному элементу (IT-SOFC, intermediate temperature solid oxide fuel cell) или системе IT-SOFC. Система топливных элементов будет включать в себя, по меньшей мере одну, батарею топливных элементов, причем каждая батарея топливных элементов включает в себя, по меньшей один, топливный элемент. Более предпочтительно, что топливный элемент имеет, или топливные элементы батареи топливных элементов имеют интервал рабочих температур 450-650°С, более предпочтительно 500-610°С или 500-615°С, или 500-620°С, и возможно 615-620°С.

При использовании твердооксидных топливных элементов предпочтительно то, что горелка заправляется и топливом с низкой теплотой сгорания (НТС), и топливом с высокой теплотой сгорания (ВТС). Следует отметить, что эти термины отличаются от, например, ″низшая теплотворная способность″ (также называемой как ″НТС″) и ″высшая теплотворная способность″ (также называемой как ″ВТС″) - все топлива имеют и низшую теплотворную способность, и высшую теплотворную способность. Примерами топлив (НТС) с низкой теплотой сгорания являются те, которые с высокой долей H₂, CO, а также необязательно с низкой долей CH₄. Число Воббе для топлива НТС находится обычно между 18 и 35 МДж/м³. Примерами топлив (ВТС) с высокой теплотой сгорания являются те, которые содержат метан, этан или пропан, или любую комбинацию в них, число Воббе для топлива ВТС находится обычно между 36 и 85 МДж/м³.

Батарея топливных элементов использует богатое водородом ВТС топливо для электрохимической реакции. В результате электрохимической реакции газообразное топливо изменяет состав, окисляясь некоторыми химически активными элементами, как например, водород, становящийся водяным паром и монооксид углерода, становящийся диоксидом углерода. В результате, отходящие газы из этого процесса являются НТС топливом.

НТС топливо, образовавшееся от электрохимической реакции, может быть тогда воспламенено в горелке. Однако сгорание топлива ВТС обычно требует изначально нагревать систему топливных элементов (например, при запуске) до того как топливный элемент достигает рабочей температуры. Таким образом, при запуске необходимо сжигать ВТС топливо. Во время установившегося режима работы топливного элемента необходимо сжигать преимущественно НТС топливо. Во время перехода между состояниями эксплуатационных режимов топливного элемента (т.е. когда выработка электроэнергии топливного элемента изменяется) состав сгораемого топлива изменяется соответственно, и подобным образом изменяется во время перехода от установившегося режима работы к остановке. Чтобы сохранить низкие выбросы со сгоранием каждого из этих топлив требуются различные конфигурации горелки: горелка топлива ВТС отдает предпочтение высокой степени смешивания с окислителем до сгорания; в то время как горелка топлива НТС отдает предпочтение низкой величине смешивания с окислителем до сгорания. Кроме того, больший расход воздуха предпочтителен для горелки топлива ВТС по сравнению с горелкой топлива НТС. Однако из-за требований в другом месте в системе, таком как поток окислителя, использующийся для регулирования температуры батареи топливных элементов, редко возможно регулировать расход воздуха к горелке только с целями регулирования сгорания. Поэтому ясно, что в описанной ситуации, использование горелки, сконструированной для одного из топлив или для определенного расхода воздуха, привело бы к нежелательному сгоранию для другого топлива.

Поэтому желательно производить горелку, которая способна сжигать и НТС, и топлива ВТС, или в одно и то же время, или отдельно, без отделения сгорания или использования сложных систем при сохранении низких выбросов и приспособленную к меняющимся расходам воздуха и, в частности, широкому изменению интервала отношения воздуха к топливу, лямбда.

Устройства предшествующего уровня техники могут также страдать от отсутствия стабильности пламени в широком интервале рабочих условий, включающего в себя различные лямбды. К тому же, также желательно получать компактный факел, для того чтобы уменьшить размер продукта.

Настоящее изобретение стремится улучшить горелки предшествующего уровня техники. В частности, оно стремится решить, преодолеть или сгладить, по меньшей мере, одну из проблем предшествующего уровня техники.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно настоящему изобретению предложен узел вихревой горелки, включающий в себя:

(i) полый продольно вытянутый корпус, проходящий вдоль центральной оси, и имеющий первый конец и второй конец,

(ii) концевую стенку в упомянутом первом конце,

(iii) стенку горелки, расположенную между упомянутым первым концом и упомянутым вторым концом, и определяющую первый объем от упомянутого первого конца до упомянутой стенки горелки, и второй объем от упомянутой стенки горелки до упомянутого второго конца,

(iv) впуск окислителя в упомянутый первый объем,

(v) по меньшей мере один, полый продольно вытянутый блок горелки, имеющий первый конец блока горелки, проходящий наружу из отверстия в упомянутом корпусе из упомянутого первого объема, блок горелки, проходящий через отверстие в упомянутой стенке горелки из упомянутого первого объема к упомянутому второму объему, ко второму концу блока горелки, и определяющий внутренний объем блока горелки, и включающий в себя:

(a) вихревой смеситель с осевым завихрением, установленный внутрь блока горелки, и размещенный между упомянутым первым концом блока горелки и упомянутым вторым концом блока горелки, причем упомянутый вихревой смеситель включает в себя множество лопаток, имеющих внутренний диаметр и внешний диаметр, первая сторона которых направлена и открыта в упомянутый первый объем, а вторая сторона направлена и открыта в упомянутый второй объем,

(b) первый впуск топлива в упомянутый первый объем, упомянутый первый впуск топлива, установленный между упомянутым впуском окислителя и упомянутым вихревым смесителем и радиально внутрь упомянутого наружного диаметра упомянутого множества лопаток, и

(c) второй впуск топлива в упомянутый второй объем ближний второму концу упомянутого блока горелки и радиально внутрь упомянутого наружного диаметра упомянутого множества лопаток,

где каждый, по меньшей мере один, блок горелки:

(A) определяет первую точку, которая является точкой вдоль упомянутой центральной оси, наиближайшей к упомянутому первому концу, где плоскость, перпендикулярная упомянутой центральной оси в упомянутой точке пересекает упомянутое множество лопаток упомянутого вихревого смесителя блока горелки;

(B) определяет вторую точку, которая является точкой вдоль упомянутой центральной оси, самой дальней от упомянутого первого конца, где плоскость, перпендикулярная упомянутой центральной оси в упомянутой точке пересекает упомянутое множество лопаток упомянутого вихревого смесителя блока горелки; и

(C) определяет геометрическую среднюю точку вдоль упомянутой центральной оси, равноудаленную от упомянутой первой точки и упомянутой второй точки, при том:

каждый первый впуск топлива расположен в точке между упомянутым впуском окислителя и упомянутым вихревым смесителем, которая пересекается с плоскостью, перпендикулярной упомянутой центральной оси, и каковая плоскость пересекается с точкой вдоль упомянутой центральной оси между 1 и 2 эквивалентными диаметрами окружностей упомянутого первого впуска топлива проходного сечения первого впуска топлива из упомянутой первой точки, и каждый второй впуск топлива расположен в точке между упомянутым первым впуском топлива и упомянутым вторым концом, который пересекается с плоскостью, перпендикулярной упомянутой центральной оси, и каковая плоскость пересекается с точкой вдоль упомянутой центральной оси, равной или менее чем внутренний диаметр упомянутого множества лопаток из упомянутой геометрической средней точки.

Ссылка в настоящем описании на этапы способа или признаки является также ссылкой на систему из настоящего изобретения, приспособленную или конфигурированную для осуществления таких этапов способа.

Первый конец может также называться как верхний конец, и второй конец может называться как нижний конец. Термины ″верхний″ и ″нижний″ предназначены отражать относительные положения упоминаемых компонентов. В частности, использование ″верхний″ и ″нижний″ может отражать относительные положения компонентов в пути потока флюида или в процессе. Фраза ″верхний из ′признака Х′″ (в контексте признака внутри корпуса) означает расположенный по направлению ко второму концу от ′признака Х′, т.е. между признаком Х и вторым концом. Подобным образом, первая сторона может называться как верхняя сторона, и вторая сторона может называться как нижняя сторона. Первый впуск топлива может также называться как впуск топлива ВТС, и второй впуск топлива может также называться как впуск топлива НТС.

Предпочтительно, что полый продольно удлиненный корпус определяет внутреннюю полость. Более предпочтительно, корпус представляет собой имеющую стенки форму, которая определяет внутренний объем. Примеры форм для полого продольно вытянутого корпуса включают в себя цилиндры и трубки, а также формы с многоугольным поперечным сечением. Примеры многоугольных поперечных сечений включают в себя четырехугольное (такое как прямоугольное), пятиугольное, шестиугольное, семиугольное и восьмиугольное поперечные сечения. Корпус может простираться и вдоль и около упомянутой центральной оси.

Как отмечено выше, корпус проходит вдоль центральной оси. В определенных вариантах осуществления центральная ось может отличаться от прямой оси. Например, ось может быть изогнутой или она может быть ступенчатой.

Как можно видеть из вышеприведенного определения, путь потока флюида определяется от упомянутого впуска окислителя до упомянутого первого объема к упомянутому второму объему.

Первый объем может считаться определенным между первым концом, стенкой горелки и корпусом. Подобным образом, второй объем может считаться определенным между стенкой горелки, вторым концом и корпусом.

Предпочтительно, корпус включает в себя внутреннюю поверхность корпуса, простирающуюся от упомянутой стенки горелки к упомянутому второму концу. Предпочтительно, упомянутый второй объем определяется между упомянутой стенкой горелки, упомянутой внутренней поверхности корпуса и упомянутым вторым концом.

Второй объем может также называться как пламенная трубка, при этом два термина используются в настоящем описании равноправно.

Как установлено выше, первый конец, по меньшей мере одного, блока горелки проходит наружу из отверстия в корпусе из первого объема. Таким образом, первый конец, по меньшей мере одного, блока горелки не должен постираться от концевой стенки в первом конце корпуса. Например, первый конец, по меньшей мере одного, блока горелки может простираться от боковой стенки корпуса. Там, где узел вихревой горелки включает в себя множественные блоки горелок, тогда в некоторых вариантах осуществления часть, простирающаяся наружу из отверстия в корпусе от первого объема, может быть совместно используемой или общей деталью множественных блоков горелок.

Предпочтительно, упомянутая вихревая горелка располагается в точке между упомянутым первым впуском топлива и упомянутым вторым впуском топлива, которая пересекается с плоскостью, перпендикулярной центральной оси, и каковая плоскость пересекается с точкой вдоль упомянутой центральной оси, равной или в пределах одного внутреннего диаметра упомянутого множества лопаток из точки, которая является точкой вдоль упомянутой центральной оси, самой дальней от упомянутого первого конца, где плоскость, перпендикулярная упомянутой центральной оси в упомянутой точке, пересекается с упомянутой стенкой грелки.

В определенных вариантах осуществления лопатки сформированы как деталь стенки горелки, так что стенка горелки изготавливается с лопатками или вихревым смесителем, или стенку горелки разрезают или механически обрабатывают для образования лопаток из стенок горелки без добавления отдельного блока горелки.

Поскольку, по меньшей мере один, блок горелки проходит через отверстие в стенке горелки, может считаться, что первый конец каждого блока горелки определяет часть периметра первого объема. Подобным образом, может считаться, что второй конец каждого блока горелки определяет часть периметра второго объема. Таким образом, когда вихревой смеситель размещен более в направлении первого конца внутри первого объем, первый объем уменьшается, и, когда вторая сторона вихревого смесителя размещена более по направлению ко второму концу внутри второго объема, второй объем уменьшается.

Предпочтительно, по меньшей мере один, блок горелки включает в себя наружный корпус блока горелки, который более предпочтительно определяет внутренний объем блока горелки. Таким образом, внутренний объем содержится внутри (т.е. является частью) первого объема. Предпочтительно, что наружный корпус блока горелки определяет, по меньшей мере одно, отверстие (по меньшей мере одно, отверстие впуска воздуха). Предпочтительно, что путь потока флюида определяется от упомянутого впуска окислителя до упомянутого первого объема к упомянутому внутреннему объему блока горелки, до второго объема, (т.е. от упомянутого впуска окислителя до упомянутого первого объема к упомянутому второму объему через часть упомянутого внутреннего объема упомянутого первого объема). Предпочтительно, что первый впуск располагается во внутреннем объеме.

Если контекст не диктует иначе, то ссылка в настоящем описании на "по меньшей мере, один блок горелки" "по меньшей мере один, блок горелки" предпочтительна к каждому, по меньшей мере одному, блоку горелки и каждому блоку горелки при необходимости.

Предпочтительно, по меньшей мере один, блок горелки включает в себя наружное кольцо, простирающееся через упомянутое отверстие в упомянутой стенке горелки из упомянутого первого объема по направлению к упомянутому второму объему, причем упомянутое наружное кольцо имеет внешний диаметр, внутренний диаметр, первый конец и второй конец. Предпочтительно, что внешний диаметр равен диаметру отверстия в упомянутой стенке горелки.

Предпочтительно, что, по меньшей мере один, блок горелки включает в себя внутреннее кольцо, простирающееся через упомянутое отверстие в упомянутой стенке горелки из упомянутого первого объема по направлению у упомянутому второму объему, причем внутреннее кольцо имеет внешний диаметр, внутренний диаметр, первый конец и второй конец.

Предпочтительно, что первые концы наружного кольца и внутреннего кольца являются концами наружного и внутреннего колец, наиближайших к первому концу узла вихревой горелки. Подобным образом, вторые концы наружного кольца и внутреннего кольца являются предпочтительно концами наружного и внутреннего колец, наиближайших ко второму концу узла вихревой горелки.

Более предпочтительно, что второй конец наружного кольца пересекается с плоскостью, перпендикулярной к центральной оси, и каковая плоскость проходит между вихревым смесителем и вторым концом узла горелки, и каковая плоскость пересекается с точкой вдоль упомянутой центральной оси, равной или между одним внутренним диаметром множества лопаток и половиной внутреннего диаметра множества лопаток за геометрической средней точкой.

Более предпочтительно, что упомянутый первый конец наружного кольца пересекается с плоскостью, перпендикулярной центральной оси, и каковая плоскость проходит между вихревым смесителем и первым концом узла вихревой горелки, и каковая плоскость пересекается с точкой в положении равном или внутри двух наружных диаметров множества лопаток до упомянутого второго конца наружного кольца.

В определенных вариантах осуществления все или часть наружного кольца может быть образовано наружным корпусом узла горелки.

Более предпочтительно, что упомянутый второй конец внутреннего кольца пересекается с плоскостью, перпендикулярной центральной оси, и каковая плоскость пересекается с точкой в положении вдоль упомянутой центральной оси, и каковая плоскость проходит между вихревым смесителем и вторым концом узла вихревой горелки, и каковая плоскость пересекается с точкой вдоль упомянутой центральной оси, равной или меньшей, чем половина внутреннего диаметра множества лопаток за геометрической средней точкой.

Более предпочтительно, что упомянутый первый конец внутреннего кольца (часть первого конца внутреннего кольца, наиближайшая к первому концу узла вихревой горелки) располагается после первого впуска топлива и до второго конца внутреннего кольца.

Предпочтительно, что внешний диаметр упомянутого внутреннего кольца меньше, чем внутренний диаметр упомянутого наружного кольца. Более предпочтительно, что внутреннее кольцо размещается радиально внутренним относительно (т.е. радиально внутри в) упомянутого наружного кольца.

В определенных вариантах осуществления, наружное кольцо сформировано как деталь стенки горелки, в которой оно является неотъемлемой частью стенки. В таких вариантах осуществления наружное кольцо может еще простираться по направлению к первому и/или второму концу корпуса. Например, наружное кольцо может быть выдавлено, отформовано, выпрессовано или по-другому сформировано из стенки горелки. Подобным образом, внутреннее кольцо может быть сформировано как деталь стенки горелки.

Предпочтительно, что множество лопаток размещаются внутри упомянутого наружного кольца. Более предпочтительно, что множество лопаток проходит радиально между упомянутым наружным кольцом и упомянутым внутренним кольцом. Предпочтительно, что внутренний диаметр наружного кольца равен внешнему диаметру множества лопаток, и внешний диаметр внутреннего кольца равен внутреннему диаметру множества лопаток.

В некоторых вариантах осуществления множество лопаток могут простираться от единственного одного упомянутого внутреннего кольца или упомянутого наружного кольца, так что они поддерживаются единственным кольцом, в таком варианте осуществления внешний диаметр множества лопаток может быть меньше, чем внутренний диаметр наружного кольца, или внутренний диаметр множества лопаток может быть больше, чем внешний диаметр внутреннего кольца.

Специалистам в области техники будет очевидным изготавливать лопатки как деталь внутреннего кольца или как деталь наружного кольца, или как деталь внутреннего и наружного колец, или как деталь наружного кольца, где наружное кольцо является деталью блока горелки, например, как деталь наружного корпуса блока горелки.

Кольца могут влиять на характеристики горелки, поскольку они могут простираться во второй объем дальше, чем множество лопаток.

Там, где больше одного блока горелки, предпочтительно каждый блок горелки имеет внутреннее кольцо и наружное кольцо, которое проходит через отверстие в стенке горелки для такого блока горелки.

Предпочтительно, по меньшей мере один, блок горелки включает в себя первую топливную трубку, имеющую первый конец, второй конец, внутренний диаметр и внешний диаметр. Предпочтительно, что упомянутая топливная трубка определяет упомянутый первый впуск топлива. Предпочтительно, что упомянутая первая трубка размещается радиально внутрь внешнего диаметра внутреннего кольца. Более предпочтительно, что внешний диаметр упомянутой первой топливной трубки равен, или меньше, чем упомянутый внешний диаметр внутреннего кольца.

Предпочтительно, что, по меньшей мере один, блок включает в себя вторую топливную трубку, имеющую первый конец, второй конец, внутренний диаметр и внешний диаметр. Предпочтительно, что упомянутая вторая топливная трубка определяет упомянутый второй впуск топлива. Предпочтительно, что упомянутая вторая топливная трубка размещается радиально внутрь внутреннего диаметра множества лопаток. Более предпочтительно, что упомянутая вторая топливная трубка находится радиально внутри первой топливной трубки.

В других вариантах осуществления вторая топливная трубка может постираться радиально внутрь из корпуса к блоку горелки. Более предпочтительно, что упомянутый второй впуск топлива проходит через второй объем из корпуса к блоку горелки.

Предпочтительно, первый и второй впуски топлива располагаются радиально внутри внутреннего диаметра множества лопаток.

Предпочтительно, что первый и второй впуски топлива выстроены в линию вдоль оси, как правило, параллельной центральной оси или независимо выстроены в линию вдоль осей, как правило, параллельных центральной оси.

Предпочтительно, что внешний диаметр множества лопаток в два-четыре раза, более предпочтительно примерно в три раза больше, чем внутренний диаметр множества лопаток.

Предпочтительно, что упомянутая первая точка является точкой вдоль упомянутой центральной оси, наиближайшей к упомянутому первому концу, где плоскость, перпендикулярная к упомянутой центральной оси в упомянутой точке пересекает секцию упомянутого множества лопаток (т.е. пересекает упомянутое множество лопаток в точке), которая приспособлена вызывать вращательный момент во флюиде, текущем вдоль упомянутого множества лопаток. Таким образом, в блоке горелки с множеством лопаток, имеющем секцию, которая не вызывает вращательный момент во флюиде, текущем поверх нее (например, лопатки, имеющие прямую секцию, которая не движется радиально вокруг оси, конкретно оси, как правило, параллельной упомянутой центральной оси) и изогнутую секцию, считается, что первая точка будет в начале искривленной секции.

В рамках формулы настоящего изобретения упомянутый ВТС впуск может быть по направлению ко второму объему или упомянутый НТС впуск может размещаться по направлению к первому объему. Там, где такое изменение положения может быть только до той степени, что не будет неблагоприятно влиять на сгорание, т.е. узел вихревой горелки больше не является эффективным для его функции.

Второй объем, определенный стенкой горелки и вторым концом может называться как пламенная трубка. Предпочтительно, что пламенная трубка является, как правило, цилиндрической и имеет внутренний диаметр и внешний диаметр, и располагается вокруг центральной оси. Более предпочтительно, что внутренний диаметр пламенной трубки находится между удвоенным и утроенным наружным диаметром множества лопастей. Еще более предпочтительно, что внутренний диаметр составляет 2,5 наружного диаметра множества лопаток.

Предпочтительно, по меньшей мере одно, из первого впуска топлива и второго впуска топлива представляет собой сопло. Каждое, по меньшей мере одно, сопло определяется, по меньшей мере одним проходом в упомянутом впуске топлива, при том, по меньшей мере один проход может быть любой формы. Сумма площадей по меньшей мере одного прохода имеет эквивалентный диаметр окружности тому, какой у единственной круглой прорези. Сумма площадей, по меньшей мере одной, прорези, может также называться как проходное сечение потока, например, проходное сечение потока первого впуска топлива или проходное сечение потока второго впуска топлива, или проходное сечение потока первого или второго впуска топлива.

Такой впуск может быть насадкой в упомянутой первой или второй топливной трубке. Упомянутый впуск не требуется размещать в упомянутом втором конце упомянутой первой или второй трубки, но может размещаться вдоль упомянутой трубки. Там, где упомянутый первый или второй впуск топлива включает в себя множество отверстий, местоположение впуска топлива предпочтительно определяется как являющееся в среднем из проходного сечения потока, нагруженного в среднем вдоль центральной оси.

Предпочтительно, узел вихревой горелки включает в себя воспламенитель. Предпочтительно, что воспламенитель размещается во втором объеме. Более предпочтительно, что он может простираться наружу из второго объема изнутри корпуса, т.е. он может простираться в направлении радиально снаружи от корпуса из второго объема снаружи корпуса. Более предпочтительно, что запальный конец воспламенителя размещается во втором объеме. В определенных вариантах осуществления воспламенитель располагается за вторым концом корпуса. В определенных вариантах осуществления воспламенитель проходит через стенку горелки или через стенку второго конца корпуса.

Предпочтительно, стенка горелки имеет (т.е. определяет), по меньшей мере, одно отверстие разделения воздуха, при том упомянутое отверстие разделения воздуха включает в себя, по меньшей мере одно, отверстие (т.е. диафрагму), простирающееся от стороны первого объема к стороне второго объема стенки горелки. Более предпочтительно, упомянутое, по меньшей мере, одно отверстие разделения воздуха является радиально концентрическим относительно наружного диаметра множества лопаток. Более предпочтительно, что упомянутое по меньшей мере одно отверстие разделения воздуха является неразрывным проходом, расположенным концентрически.

Хотя используется термин проход, проход может принимать любое очертание или форму, которыми достигается канал или отверстие в стенке горелки, простираясь снаружи в осевом направлении из первого объема ко второму объему.

Предпочтительно, упомянутое, по меньшей мере одно, отверстие разделения воздуха размещается радиально снаружи упомянутого наружного диаметра множества лопаток. Более предпочтительно, что упомянутое, по меньшей мере одно, отверстие разделения воздуха в упомянутой стенке горелки размещается радиально внутрь упомянутого корпуса.

Предпочтительно, когда присутствует, по меньшей мере одно, отверстие разделения воздуха позволяет доле потока окислителя проходить из первого объема ко второму объему через по меньшей мере один проход.

Более предпочтительно, что, по меньшей мере одно, отверстие разделения воздуха приспособлено так, что поток окислителя через, по меньшей мере одно, отверстие разделения воздуха сливается во втором объеме с окислителем и топливной смесью, проходящей через упомянутый, по меньшей мере, один блок горелки после упомянутого, по меньшей мере одного, множества лопаток блока горелки.

По меньшей мере одно, отверстие разделения воздуха в стенке горелки приводит к разной работе узла вихревой горелки. Вместо всего окислителя и топлива, проходящих во второй объем посредством вихревого смесителя, некоторому количеству окислителя позволяется проходить непосредственно ко второму объему без предшествующего смешивания с топливом. Это выгодно в том, что поток окислителя через, по меньшей мере одно, отверстие разделения воздуха в стенке горелки обеспечивает поток окислителя ко второму концу узла вихревой горелки вокруг воспламеняющегося топлива. Этот поток окислителя создает барьер (″окислительную завесу″), обеспечивающую частичное отделение корпуса от тепла воспламеняющихся газов.

В вариантах осуществления, где упомянутое отверстие разделения воздуха размещается радиально еще дальше от упомянутого вихревого смесителя, это позволяет поток окислителя направлять вдоль упомянутого корпуса, тем самым поддерживая более ламинарный поток и создавая более стабильное граничное условие для выдерживания тепла воспламеняющихся газов.

Предпочтительно, узел вихревой горелки, конкретно, по меньшей мере одно, отверстие разделения воздуха, приспособлен или конфигурирован так, что при эксплуатации поток окислителя через, по меньшей мере одно, отверстие разделения воздуха находится между 5% и 20% общего потока окислителя, проходящего через вихревой смеситель. Более предпочтительно, что он находится между 7,5% и 15%, более предпочтительно между 8,75% и 12,5% потока окислителя, проходящего через вихревой смеситель.

В определенных вариантах осуществления корпус включает в себя единственную стенку, простирающуюся от стенки горелки до второго конца, и имеющую внутреннюю поверхность, которая определяет внутреннюю поверхность и, тем самым, определяет второй объем.

В других вариантах осуществления корпус представляет собой многостеночный корпус, причем множественные стенки простираются от стенки горелки ко второму концу, причем внутренняя стенка имеет внутреннюю поверхность, которая определяет внутреннюю поверхность корпуса и, тем самым, определяет второй объем, а также наружную стенку, расположенную снаружи упомянутой внутренней стенки. Третий объем определяется между упомянутой стенкой горелки, упомянутой внутренней стенкой, упомянутой наружной стенкой и упомянутым вторым концом. В частности, третий объем определяется между упомянутой стенкой горелки, внутренней поверхностью упомянутой наружной стенки, наружной поверхностью упомянутой внутренней стенки и упомянутым вторым концом.

Предпочтительно, что стенка горелки дополнительно включает в себя, по меньшей мере один, обходной канал между упомянутым первым объемом и упомянутым третьим объемом. Таким образом, путь потока флюида определяется от упомянутого впуска окислителя к упомянутому первому объему, к упомянутому, по меньшей мере одному, обходному каналу, к упомянутому третьему объему.

Окислитель может выпускаться из третьего объема независимо или одновременно с флюидами, выпускающимися из второго объема. Например, может обеспечиваться выпуск (например, выпуск из корпуса вихревой горелки), который сообщается по текучей среде со вторым объемом и третьим объемом. Альтернативно, отдельные выпуски могут обеспечиваться из второго и третьего объемов.

Если контекст не диктует иначе, то ссылка в настоящем описании на отверстие является на прорезь, канал, щель или проход в компоненте, и такие термины являются взаимозаменяемыми. Каждое отверстие может иметь форму, независимо выбранную из группы, состоящей из прорези, канала и щели. Каждое отверстие может иметь форму поперечного сечения, выбранную из группы, состоящей из круга, овала, эллипса, прямоугольника, почковидной формы (т.е. овально-изогнутой формы), формы разомкнутого кольца (т.е. почти кольцевой).

Предпочтительно, что, по меньшей мере один, обходной канал в стенке горелки располагается концентрически относительно центральной оси или относительно наружного диаметра множества лопаток. Более предпочтительно, по меньшей мере один, обходной канал представляет собой непрерывный проход или набор проходов, располагающихся концентрически.

Предпочтительно, когда существует, по меньшей мере один, обходной канал позволяет части окислителя течь из первого объема ко второму концу без протекания через второй объем.

По меньшей мере один, обходной канал и путь потока ко второму концу через третий объем позволяет части впускаемого окислителя обходить, по меньшей мере один, блок горелки. Это позволяет окислителю больше течь через первый объем без неблагоприятного влияния на сгорание (т.е. сохранение лямбда в, по меньшей мере одном, блоке горелки в пределах приемлемого интервала). Это обеспечивает значительное преимущество в том, что узел вихревой горелки может работать в более широком интервале величин лямбды (величина лямбда рассчитывается на основе потока окислителя через впуск окислителя в первый объем и потока топлива через первый и второй впуски топлива).

Предпочтительно, что каждый первый впуск топлива сообщается по текучей среде с источником топлива ВТС. Предпочтительно, что каждый второй впуск топлива сообщается по текучей среде с источником топлива НТС.

Предпочтительно, что узел вихревой горелки представляет собой горелку для системы топливных элементов. Более предпочтительно, что узел вихревой горелки представляет собой горелку отходящих газов, где горелка отходящих газов является горелкой, пригодной для сжигания анодного и катодного отходящих газов из батареи топливных элементов.

Предпочтительно, узел вихревой горелки составляет одно целое с узлом топливного элемента, более предпочтительно, с системой твердооксидного топливного элемента, более предпочтительно, еще с системой среднетемпературного твердооксидного топливного элемента.

Предпочтительно, что узел вихревой горелки сообщается по текучей среде с системой топливных элементов, более предпочтительно с батареей топливных элементов системы топливных элементов. Предпочтительно, что впуск окислителя сообщается по текучей среде с источником окислителя. Более предпочтительно, что впуск окислителя сообщается по текучей среде с, по меньшей мере одним, выпуском катодного отходящего газа батареи топливных элементов. Предпочтительно, что по меньшей мере один, блок горелки сообщается по текучей среде с, по меньшей мере одним, выпуском анодного отходящего газа. Более предпочтительно, что первый впуск топлива, по меньшей мере одного, блока горелки сообщается по текучей среде с, по меньшей мере одним, источником топлива для системы топливных элементов. Предпочтительно, второй впуск топлива, по меньшей мере одного, блока горелки сообщается по текучей среде с, по меньшей мере, одним выпуском анодного отходящего газа батареи топливных элементов.

Предпочтительно, что система топливных элементов представляет собой систему твердооксидного топливного элемента (SOFC, solid oxide fuel cell). Более предпочтительно, что система топливных элементов представляет собой систему твердооксидного топливного элемента промежуточной температуры (IT-SOFC, solid oxide fuel cell).

Вихревую горелку будут формировать из материала, известного в области техники, например, сплавов металлов для трубок и стенок и стекла для труб. Из-за высоких температур материалы должны иметь высокотемпературную стойкость.

Согласно настоящему изобретению также предлагается способ работы узла вихревой горелки согласно настоящему изобретению, причем способ включает в себя этапы:

(i) подачи окислителя к упомянутому впуску окислителя;

(ii) подачи топлива, содержащего, по меньшей мере, одно из топлива ВТС к упомянутому первому впуску топлива и топлива НТС к упомянутому второму впуску топлива;

(iii) сгорания упомянутого топлива в упомянутом втором объеме.

Предпочтительно, когда топливо подается к упомянутому впуску топлива ВТС, упомянутый окислитель и упомянутый поток топлива ВТС сливаются в упомянутом первом объеме между первым впуском топлива и вихревым смесителем, и, когда НТС топливо подается к упомянутому впуску топлива НТС, упомянутый окислитель и упомянутый поток топлива НТС сливаются во втором объеме между вихревым смесителем и вторым концом.

Как описано выше, предпочтительно, что ВТС топливо представляет собой топливо, которое содержит метан, этан или пропан, или любую комбинацию в нем. Более предпочтительно, считается, что ВТС топливо является топливами с числом Воббе между 36 и 85 МДж/м³. Типичное ВТС топливо представляет собой природный газ - число Воббе для природного газа составляет 48-54 МДж/м3.

Предпочтительно, НТС топливо является топливом, которое имеет высокую долю H₂, CO или CO₂. Более предпочтительно, что число Воббе для топлива НТС составляет обычно между 18 и 35 МДж/м³, более предпочтительно, 22 и 26,53 МДж/м³.

Предпочтительно, что окислитель является воздухом или катодным отходящим газом из работающего топливного элемента (причем такой окислитель тогда является частично обедненным кислородом по сравнению с воздухом). Более предпочтительно, упомянутый окислитель является катодным отходящим газом из работающего твердооксидного топливного элемента, более предпочтительно работающего среднетемпературного твердооксидного топливного элемента.

НТС топливо может образовываться путем риформинга углеводородных топлив, такого как топлива ВТС, и процесс риформинга может включать в себя обработку с помощью окислителя, такого как воздух или пар. НТС может подвергаться электрохимической реакции в топливном элементе перед вхождением в узел вихревой горелки. Можно считать, что анодные отходящие газы SOFC батареи топливных элементов являются НТС топливом.

Предпочтительно, что преобразование углеводородных топлив осуществляется в системе топливных элементов. Более предпочтительно, узел вихревой горелки составляет одно целое с системой топливных элементов и сжигает анодные отходящие газы, произведенные системой топливных элементов.

Предпочтительно, что ВТС топливо и/или НТС топливо воспламеняется или сгорает во втором объеме с помощью воспламенителя. Более предпочтительно, воспламенение происходит после множества лопаток. Предпочтительно, что этап сжигания упомянутого топлива в упомянутом втором объеме включает в себя воспламенение и сгорание упомянутого топлива в упомянутом втором объеме.

Предпочтительно, что, по меньшей мере, один из первого и второго объема является герметизированным и замкнутым объемом. Более предпочтительно, блок горелки образует уплотнение, когда он проходит наружу из отверстия в упомянутом корпусе.

Предпочтительно, что поток сжигаемых газов или выпускаются из второго объема через второй конец (т.е. нижний конец) корпуса.

Тот факт, что стенка горелки отделяет первый объем от второго объема, позволяет происходить сгоранию топлива и удерживание во втором объеме. Это позволяет регулировать смешивание различных топлив в конкретных частях узла вихревой горелки до сгорания. Это создает возможность для различных уровней смешивания и различных интенсивностей смешивания, в частности, из-за того, что весь окислитель и ВТС топливо должны проходить через множество лопаток, чтобы достигать пламенной трубки, где нет никакого обхода или прорезей, присутствующих в стенке горелки.

Окислитель и топливо текут через множество лопаток, и текут во второй объем. Слияние потока окислителя и потока топлива ВТС до прохождения в пламенную трубку вызывает смешивание двух потоков. Поток через множество лопаток вызывает дальнейшее смешивание двух потоков все еще до пламенной трубки, где локализовано сгорание.

Сгорание смеси окислителя и топлива происходит во втором объеме, при том продукты от этого сгорания выпускаются из узла вихревой горелки. Предпочтительно, что тепло, полученное от этого процесса, используется для нагревания батареи топливных элементов и системы топливных элементов.

Предпочтительно, поток окислителя и, по меньшей мере одного, топлива ВТС и топлива НТС являются такими, что отношение окислителя к топливу (лямбда) газового потока к узлу находится между 1 и 20 лямбда, более предпочтительно между 1 и 18 лямбда, более предпочтительно между 1 и 10 лямбда или между 2 и 18 лямбда. Более предпочтительно, когда вихревая горелка имеет поток окислителя и топлива ВТС (без топлива НТС), узел вихревой горелки работает с отношением окислителя к топливу менее чем 5 лямбда.

Характерным измерением лямбда является то, которое на впусках горелки, т.е. впусках окислителя, ВТС и НТС.

В вариантах осуществления, где узел вихревой горелки является одним целым с системой топливных элементов, для вихревой горелки выгодно быть в состоянии работать в большом интервале лямбда, поскольку поток окислителя, и, до некоторой степени, поток НТС к узлу вихревой горелки диктуется батареей топливных элементов и током, текущем в ней. По существу, большой рабочий интервал лямбда, когда узел вихревой горелки сохраняет стабильное сгорание, будет (a) препятствовать тому, чтобы узел вихревой горелки диктовал работу батареи топливных элементов путем ограничения потока окислителя, и/или (b) пропускать поток всех катодных и анодных отходящих газов к узлу вихревой горелки.

Предпочтительно, что, по меньшей мере один, обходной канал и/или, по меньшей мере одно, отверстие разделения воздуха приспособлено давать в результате удвоение интервала лямбда окислителя и топлива (топлива, проходящего через первый и второй впуски топлива), поданных к узлу вихревой горелки.

Предпочтительно, что, по меньшей мере один, обходной канал, и/или, по меньшей мере одно, отверстие разделения воздуха приспособлено давать в результате поток окислителя и топлива, поданных к вихревой горелке при отношении топлива к окислителю 2-18 лямбда.

Эквивалентный диаметр, по меньшей мере одного, сопла первого впуска топлива или второго впуска топлива может определяться требуемой скоростью через него. Предпочтительно, что скорость топлива ВТС через первый впуск топлива, по меньшей мере одного, блока горелки находится между 3 и 6 м/с. Более предпочтительно, скорость топлива НТС через второй впуск топлива, по меньшей мере одного, блока горелки находится между 10 и 35 м/с.

Термин "включающий в себя", как используется в настоящем описании, чтобы определять включение компонентов, также заключает в себе варианты осуществления, в которых не присутствуют никаких дополнительных компонентов.

Конкретные и предпочтительные аспекты изобретения изложены в сопровождающих независимых пунктах. Комбинации признаков из зависимых пунктов могут быть объединены с признаками независимых пунктов, как желательно и уместно, а не просто, как явно изложено в формуле изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фигура 1 показывает частичное схематическое изображение горизонтальной проекции узла вихревой горелки согласно настоящему изобретению;

Фигура 1A показывает схематическую иллюстрацию изображения первого конца узла вихревой горелки из Фигуры 1(Фигура 1 взята по линии А-А Фигуры 1А);

Фигура 1B показывает схематическую иллюстрацию изображения второго конца узла вихревой горелки из Фигуры 1;

Для удобства Фигуры 1A и 1B показаны с воспламенителем, повернутым на 90 градусов, и впуском воздуха, немного повернутым для гарантии того, что основное расположение частей показано ясно.

Фигура 2 показывает детальное схематическое изображение признака, помеченного как 'A' на Фигуре 1;

Фигура 3 показывает частичное схематическое изображение горизонтальной проекции узла вихревой горелки согласно настоящему изобретению, и дополнительно содержащего признак воздушной завесы;

Фигура 4 показывает детальное схематическое изображение признака, помеченного как 'B' на Фигуре 3;

Фигура 5 показывает частичное схематическое изображение горизонтальной проекции узла вихревой горелки согласно настоящему изобретению, и дополнительно содержащего признак обхода;

Фигура 6 показывает детальное схематическое изображение признака, помеченного как 'С' на Фигуре 5;

Фигура 7 показывает частичное схематическое изображение горизонтальной проекции узла вихревой горелки согласно настоящему изобретению, и дополнительно содержащего признак воздушной завесы и обхода;

Фигура 8А показывает тенденцию из данных результатов испытаний фазы действий вихревой горелки согласно настоящему изобретению. Температура и выбросы показаны в зависимости от времени, когда вихревая горелка находится первоначально в режиме работы при запуске и затем в установившемся режиме работы.

Фигура 8B показывает тенденцию из данных результатов испытаний из фазы действий из Фигуры 8А. Поток топлива показан в зависимости от времени;

Фигура 8С показывает тенденцию из данных результатов испытаний из фазы действий из Фигуры 8А. Лямбда показана в зависимости от времени.

Фигура 9А показывает тенденцию из данных результатов испытаний фазы действий вихревой горелки согласно настоящему изобретению. Температура и выбросы показаны в зависимости от времени, когда вихревая горелка в установившемся режиме работы подвергается воздействию изменения этапа;

Фигура 9B показывает тенденцию из данных результатов испытаний из фазы действий из Фигуры 9А. Поток топлива показан в зависимости от времени;

Фигура 9C показывает тенденцию из данных результатов испытаний из фазы действий из Фигуры 9А. Лямбда показана в зависимости от времени.

Фигура 10А показывает тенденцию из данных результатов испытаний фазы действий вихревой горелки согласно настоящему изобретению. Температура и выбросы показаны в зависимости от времени, когда вихревая горелка подвергается многим горячим запускам;

Фигура 10B показывает тенденцию из данных результатов испытаний из фазы действий из Фигуры 10А. Поток топлива показан в зависимости от времени.

Фигура 10C показывает тенденцию из данных результатов испытаний из фазы действий из Фигуры 10А. Лямбда показана в зависимости от времени.

В оставшемся описании специалисту в данной области техники предлагается более конкретно полное и достаточное раскрытие настоящего изобретения, включающее в себя лучший вариант его осуществления. Теперь будет сделана ссылка подробно на варианты осуществления изобретения, один или более примеров которых изложены ниже. Каждый пример предложен посредством объяснения изобретения без ограничения изобретения.

Специалистам в этой области техники будет очевидно, что могут быть сделаны различные модификации и варианты в настоящем изобретении без отступления от объема изобретения. Например, признаки, описанные как часть одного варианта осуществления, могут использоваться на другом варианте осуществления, чтобы получать еще дополнительный вариант осуществления. Таким образом, предполагается, что настоящее изобретение покрывает такие модификации и варианты, как подпадает под объем прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.

Другие цели, признаки, а также аспекты, настоящего изобретения раскрыты в оставшемся описании. Специалисту в этой области техники следует понимать, что настоящее обсуждение является только описанием показательных вариантов осуществления и не подразумевается как ограничение более широких аспектов настоящего изобретения, каковые более широкие аспекты воплощены в показательных конструкциях.

Список ссылочных символов, использованных в настоящем описании, дан в конце описания. Повторное использование ссылочных символов в настоящем описании и чертежах предназначено представлять те же самые или сходные признаки или элементы.

Для целей это описания термин горелка, вихревая горелка и узел вихревой горелки следует понимать, как относящиеся к узлу вихревой горелки изобретения, при этом, где целесообразно, они легко взаимозаменяемы.

Далее, в определенном варианте осуществления, система топливных элементов представляет собой IT-SOFC (среднетемпературный твердооксидный топливный элемент) систему, включающую в себя, по меньшей мере одну, батарею топливных элементов, где топливные элементы, по меньшей мере одной, батареи топливных элементов работают в интервале 450-650°C. В других вариантах осуществления другие системы топливных элементов используются с соответствующими рабочими температурными интервалами.

Обращаясь к Фигуре 1, показан узел 10 вихревой горелки. Узел 10 вихревой горелки включает в себя обычно цилиндрический (т.е. преимущественно цилиндрический) корпус 12 вихревой горелки, имеющий центральную ось 12′, стенку 16 верхнего конца корпуса вихревой горелки и стенку 14 нижнего конца корпуса вихревой горелки, где стенка 14 нижнего конца корпуса вихревой горелки определяет нижний конец 30 корпуса вихревой горелки.

Хотя термин ″стенка 16 верхнего конца корпуса вихревой горелки″ был использован повсюду в описании, эта деталь также называется как ″первый конец вихревой горелки″. Подобным образом, ″стенка 14 нижнего конца корпуса вихревой горелки″ также называется как ″второй конец вихревой горелки″.

Узел 10 вихревой горелки сегментирован стенкой 40 горелки, которая пересекает корпус 12 радиально поперек его цилиндрической формы. Стенка 40 горелки имеет нижнюю сторону 42, которая обращена к нижнему концу 30. Стенка 40 горелки также имеет верхнюю сторону 44, которая обращена к стенке 16 верхнего конца корпуса вихревой горелки. Часть корпуса 12 между стенкой 16 верхнего конца корпуса и стенкой 40 горелки определяет первую секцию, называемую в настоящем описании как трубка 50 горелки. Часть корпуса 12 между стенкой 40 горелки и стенкой 14 нижнего конца корпуса определяет вторую секцию, которая обычно цилиндрическая, и имеет внутреннюю поверхность 64 корпуса и наружную поверхность 66 корпуса.

Первый объем 52 определяется (т.е. определяется между) верхней стороной 44 стенки горелки, внутренней поверхностью 54 стенки 16 верхнего конца корпуса вихревой горелки, а также внутренней поверхностью 56 трубки горелки. Подобным образом, второй объем 62 определяется (т.е. определяется между) внутренней поверхностью 64 корпуса, стенкой 14 нижнего конца корпуса вихревой горелки и нижней стороной 42 стенки горелки.

Блок 100 горелки имеет первый конец 20 блока горелки и второй конец 124 блока горелки. Первый конец 20 блока горелки (верхний конец) выступает из узла 10 вихревой горелки и частично из первого объема 52 через отверстие 16′ в стенке 16 верхнего конца корпуса. Второй конец 124 блока горелки (нижний конец) выступает из первого объема 52 ко второму объему 62 через отверстие 40′ в стенке 40 горелки.

Стенка 40 горелки и стенка 16 верхнего конца корпуса вихревой горелки имеют отверстия (отверстие 40′ и отверстие 16′, соответственно), заданными в них, чтобы позволять проход или местоположение блока 100 горелки сквозь них.

Выступ 112 блока 100 горелки поджимает стенку 40 горелки и предотвращает продвижение блока 100 горелки дополнительно в корпус 12 вихревой горелки и второй объем 62. Блок 100 горелки затем ограничен на своем месте присоединением сваркой блока 100 горелки к корпусу 12 вихревой горелки на стенке 16 верхнего конца корпуса вихревой горелки. В других вариантах осуществления используются другие методы присоединения, включающие пайку мягким припоем, пайку твердым припоем, прихватыванием сваркой или любыми другими методами присоединения, известными в области техники. Это дает в результате создание уплотнения между блоком 100 горелки и стенкой 16 верхнего конца корпуса вихревой горелки такое, что первый объем (первый объем 52) огорожен. Подобным образом, с помощью выступа 112, поджимающего стенку 40 горелки, уплотнение между ними эффективно.

Хотя ниже описан единственный блок горелки, в других вариантах осуществления (не показано) используются многочисленные блоки 100 горелки, где они проходят через корпус 12 вихревой горелки (например, через стенку 16 верхнего конца корпуса вихревой горелки), через первый объем 52, через стенку 40 горелки и во второй объем 62.

В узле 10 вихревой горелки, как показано на Фигуре 1, узел 100 горелки проходит через первый объем 52 и размещается, чаще всего, на одинаковом расстоянии от внутренней поверхности 56 трубки горелки. Часть внутренней поверхности 56 трубки горелки имеет отверстие, чтобы сделать возможной подачу воздуха через впуск 70 воздуха через корпус 12 вихревой горелки в первый объем 52. Подобным образом, прохождение через корпус 12 вихревой горелки представляет собой отверстие 82 воспламенителя, через которое воспламенитель 80 выступает во второй объем 62.

Размещение воспламенителя 80 и впуска 70 воздуха показаны на Фигуре 1, которые противоположны друг другу поперек оси корпуса 12 вихревой горелки.

Воздух подается в первый объем 52, при этом начальное воспламенение топлива происходит во втором объеме 62 из-за зажигания воспламенителя 80.

Второй объем 62 определяет пламенную трубку, в которой должно происходить сгорание газов.

Выпуск 15 корпуса вихревой горелки (который размещается ближайшим к стенке 14 нижнего конца корпуса вихревой горелки, и который выпускает газы из второго объема 62, т.е. сообщается по жидкотекучей среде) показан на Фигурах 1A и 1B. Для простоты и удобства это не показано на Фигуре 1. Для удобства Фигуры 1A и 1B показаны с воспламенителем 80, повернутым на 90 градусов, и впуском 70 воздуха, немного повернутым для гарантии того, что обычная компоновка деталей показана ясно.

Обращаясь к Фигуре 2, показано более подробное изображение узла 10 вихревой горелки и блока 100 горелки. Часть блока 100 горелки, проходящая через первый объем 52, имеет наружный корпус 110 блока горелки, который является, чаще всего, цилиндрическим и располагается в одну линию в том же цилиндрическом направлении (на центральной оси 12′), как корпус 12 вихревой горелки. Блок 100 горелки имеет верхнюю внутреннюю поверхность 11 блока горелки, которая обращена в сторону основного направления стенки 40 горелки. Конец блока 100 горелки, который проходит через отверстие 40′ в стенке 40 горелки во второй объем 62, является вторым концом 124 блока горелки (т.е. нижним концом блока горелки). Наружный корпус 110 блока горелки представляет собой имеющий стенки корпус и имеет толщину. Внутренняя поверхность наружного корпуса 110 блока горелки является внутренней стороной 144. Внутренний объем 116 блока горелки определяется (т.е. определяется между) внутренней стороной 114, верхней внутренней поверхностью 111 блока горелки и вторым концом 124 блока горелки.

Наружный корпус 110 блока горелки выступает через отверстие 40′ в стенке 40 в объем 62. Там, где наружный корпус 110 блока горелки выступает сквозь стенку 40, наружный корпус 110 блока горелки имеет выступ 112. Выступ 112 является ступенчато вынесенным из первого конца 20 блока горелки так, что упомянутая толщина стеки наружного корпуса 110 блока горелки уменьшается (в собранном узле 10 вихревой горелки, то есть в точке, где блок 100 горелки достигает нижней стенки горелки (42: Фигура 1), перед выступанием сквозь стенку 40 горелки). Часть наружного корпуса 110 блока горелки со стенкой уменьшенной толщины представляет собой наружное кольцо 140, где наружное кольцо 140 совместно использует ту же самую внутреннюю сторону 114 и имеет внешнюю поверхность 144 наружного кольца. Наружное кольцо 140 выступает сквозь стенку 40 горелки во второй объем 62 до второго конца 124 блока горелки.

Выступ 112 закреплен напротив нижней стороны стенки горелки (42: Фигура 1), это успешно предохраняет выступ 112 от прохождения сквозь верхнюю сторону 44 стенки горелки, когда блок 100 горелки размещается через отверстие в стенке горелки 40 и стенки 16 верхнего конца вихревой горелки. При сборке узла вихревой горелки это позволяет простую вставку блока 100 горелки в корпус 12 вихревой горелки без необходимости измерения того, как далеко он должен располагаться через первый объем 52. Это позволяет механическую обработку блока 100 горелки и размещение выступа 112, чтобы определять положение блока 100 горелки и давать в результате более равномерное размещение блоков 100 горелки относительно корпуса 12 вихревой горелки безотносительно числа узлов 10 вихревой горелки, которые изготавливаются. Это также дает в результате более быстрый процесс сборки узла 10 вихревой горелки, поскольку не требуется дополнительных измерений для установления блока 100 горелки, если производство является унифицированным.

Наружный корпус 110 блока горелки имеет, по меньшей мере один, проход 115 впуска воздуха (в этом варианте осуществления множество прорезей 115 впуска воздуха), соединяющих первый объем 52 и внутренний объем 116 блока горелки через внутреннюю сторону 114. Эти прорези 115 впуска воздуха делают возможным проход газов из первого объема 52 во внутренний объем 116 блока горелки (или в противоположном направлении, однако работа узла 10 вихревой горелки препятствует этому). Прорези 115 впуска воздуха являются цилиндрическими по форме, и они располагаются по периметру цилиндрической формы наружного корпуса 110. В других вариантах осуществления (не показано) возможны другие геометрические параметры форм для прорезей 115 впуска воздуха.

В стороне от прорезей 115 впуска первый объем 52 нормально изолирован от внутреннего объема 116 блока горелки внутри него. Это обеспечивает то, что воздух из впуска 70 воздуха должен перемещаться через прорези 115 впуска воздуха перед втеканием во второй объем 62.

Идущей параллельно и размещенной радиально внутренней относительно наружного корпуса 110 блока горелки является трубка 120 топлива ВТС. Трубка 120 топлива ВТС выступает сквозь верхнюю внутреннюю поверхность 111 блока горелки внутри блока горелки 100 во внутренний объем 116 блока горелки. Трубка 120 топлива ВТС является имеющим стенки цилиндром с внутренней поверхностью 121 трубки топлива ВТС и наружной поверхностью 122 трубки топлива ВТС. В нижнем конце трубки 120 топлива ВТС находится ВТС впуск 125.

Идущей параллельно и помещенной радиально внутренней относительно трубки 120 топлива ВТС является трубка 130 топлива НТС. Пальцеобразные выступы 130′ простираются из трубки 130 топлива НТС и центрируют ее внутри трубки 120 топлива ВТС. Трубка 130 топлива НТС выступает сквозь верхнюю внутреннюю поверхность 111 блока горелки, проходит через внутренний объем 123 ВТС трубки, через ВТС впуск 125, через второй конец 124 блока горелки (через отверстие 40′ в стенке горелки 40) и во второй объем 62. Трубка 130 топлива НТС является преимущественно имеющим стенки цилиндром с внутренней поверхностью 131 и наружной поверхностью 132. В нижнем конце трубки 130 топлива НТС находится НТС впуск 135.

Внутренний объем 123 ВТС трубки определяется (т.е. определяется между) внутренней поверхностью 121 трубки топлива ВТС, наружной поверхностью 132 НТС трубки, ВТС впуском 125 и первым концом 20 блока горелки. Внутренний объем 133 НТС трубки определяется (т.е. определяется между) внутренней поверхностью 131 НТС трубки, НТС впуском 135 и первым концом 20 блока горелки. Хотя не показано на Фигурах, конец трубки 120 топлива ВТС, который продолжается в верхнем направлении, будет присоединяться к подаче топлива ВТС, в частности, обращаясь к Фигурам 1A и 1B, можно видеть, что трубка 120 топлива ВТС, как показано, достигает узла 10 вихревой горелки из направления, перпендикулярного блоку 100 горелки, перед тем, как доходит до первого конца 20 блока горелки. Подобным образом, конец трубки 130 топлива НТС, который продолжается в верхнем по потоку направлении, будет присоединяться к подаче топлива НТС.

ВТС впуск 125 размещается во внутреннем объеме 116 блока горелки, до стенки 40 горелки, при этом НТС впуск 135 размещается во втором объеме 62. ВТС впуск 125 находится на радиальной плоскости с выступом 112, т.е. плоскости, перпендикулярной оси цилиндра корпуса 12 вихревой горелки. НТС впуск 135 находится еще в нижнем направлении, т.е. дальше по направлению к нижнему концу 30 корпуса вихревой горелки, чем второй конец 124 блока горелки.

Трубка 130 топлива НТС не имеет отверстия, ведущего непосредственно к внутреннему объему 123 трубки топлива ВТС. Это означает, что внутренний объем 123 трубки топлива ВТС герметизирован в стороне от отверстия во ВТС впуске 125, который является отверстием к внутреннему объему 116 блока горелки. Подобным образом, единственным отверстием внутри узла 10 вихревой горелки для трубки 130 топлива НТС является отверстие в НТС впуске 135 во второй объем 62, т.е. внутренний объем 133 НТС трубки герметизирован в стороне от НТС впуска 135. Как обсуждено ранее, хотя не показано, концы трубки 120 топлива ВТС и трубки 130 топлива НТС, продолжающиеся в верхнем направлении, будут соединяться с соответственными подачами топлива.

Такая герметизация гарантирует, что нет никакого смешивания потоков через топливные трубки или воздуха во внутренних объемах каждой трубки. При работе будет поток через трубки в нижнем направлении, который будет еще гарантировать, что никакой поток топлива или воздуха не могут течь обратно вниз по трубкам, когда есть течение из-за давления потока.

После впуска 125 топлива ВТС, т.е. еще по направлению к нижнему концу 30 корпуса вихревой горелки и после впуска 135 топлива НТС, т.е. еще дальше от нижнего конца 30 корпуса вихревой горелки, находится вихревой смеситель 150. Вихревой смеситель 150 имеет лопасти 155 для направления потока, который проходит через них. Лопасти 155 простираются от внутренней стороны 114 наружного кольца 140 до внутреннего кольца 160, а также, более конкретно, наружной поверхности 162 внутреннего кольца. Внутреннее кольцо 160 размещается направленным внутрь наружного кольца 140, направленным наружу трубки 130 топлива НТС, и проходит от центра вихревого смесителя 150 в нижнем направлении к нижнему концу 30 корпуса вихревой горелки. Внутреннее кольцо 160 проходит не дальше в нижнем направлении, чем второй конец 124 блока горелки, которое является таким же, как наружное кольцо 140. Трубка 130 топлива НТС проходит между внутренней поверхностью 163 внутреннего кольца.

Вихревой смеситель 150 представляет собой вихревой смеситель с осевым завихрением. Лопасти 155 представляют собой любое число лопаток, которое влияет на поток, который проходит через них так, что они вызывают осевое завихрение. Осевое завихрение важно для уменьшения длины пламени, поскольку зона рециркуляции создается внутри пламенной трубки (т.е. второго объема 62).

Наружное кольцо 140 и внутреннее кольцо 160 преимущественно имеют влияние на поток окислителя и топлива во второй объем 62, и в размещении зоны рециркуляции, образованной вихревым смесителем 150. Это дает в результате улучшенное завихрение для уменьшения длины пламени и регулирует положение пламени так, что оно близко к вихревому смесителю 150, но не подвергается его воздействию. Это защищает лопасти 155 и НТС впуск 135 от воздействия прямого сжигания, тем самым предотвращая деформацию, такую как изъязвление на поверхности лопаток или поверхности впуска.

Обращаясь к Фигурам 3 и 4, показан узел 200 вихревой горелки, который похож на тот, который на Фигурах 1 и 2. Однако прохождением сквозь стенку 40 горелки является отверстия 210 разделения воздуха. Отверстия 210 разделения воздуха являются сквозными отверстиями, расположенными радиально вокруг вихревого смесителя 150.

Отверстие 210 разделения воздуха, которое присоединяет второй объем 62 к первому объему 52, позволяет потоку воздуха из впуска 70 воздуха проходить ко второму объему 62 без прохождения через вихревой смеситель 150, и, когда есть поток через трубку 130 топлива ВТС, будет ограничиваться смешивание во втором объеме 62 воздуха, который проходит через отверстие 210 разделения воздуха с ВТС топливом через трубку 130 топлива ВТС.

Такой признак позволяет воздуху, который течет через отверстие 210 разделения воздуха, образовывать воздушную завесу вдоль внутренней поверхности 64 корпуса. Воздушная завеса обеспечивает границу между сгоранием и внутренней поверхностью 64 корпуса. Эта воздушная завеса может использоваться там, где предпочтительно уменьшать температуру внутренней поверхности 64 корпуса и, следовательно, наружной поверхности 66 корпуса.

Отверстия 210 разделения воздуха конфигурированы так, что примерно 10% общего потока через впуск 70 воздуха проходит через них.

Обращаясь к Фигурам 5 и 6, предложен узел 300 вихревой горелки подобный тому, который показан на Фигурах 3 и 4, где узел 300 вихревой горелки представляет собой многостеночный корпус. Простирающейся от стенки 40 горелки к нижней стенке 14 корпуса вихревой горелки является внутренняя стенка 360, имеющая внутреннюю поверхность 364 внутренней стенки (т.е. внутреннюю поверхность корпуса 12 вихревой горелки) и наружную поверхность 366 внутренней стенки. Второй объем 362 определяется (т.е. определяется между) стенкой 14 нижнего конца корпуса вихревой горелки, стенкой 40 горелки и внутренней стенкой 360. Наружная стенка 310 имеет внутреннюю поверхность 361 наружной стенки и проходит от стенки 40 горелки к стенке 14 нижнего конца корпуса вихревой горелки и является направленной наружу внутренней стенки 360. Третий объем 363 определяется (т.е. определяется между) стенкой 40 горелки, стенкой 14 нижнего конца корпуса вихревой горелки, наружной поверхностью 366 внутренней стенки и внутренней поверхностью 361 наружной стенки.

Второй объем 362 представляет собой пламенную трубку, т.е. сгорание газов происходит в этом объеме.

Сквозь стенку 40 радиально снаружи наружной поверхности 366 внутренней стенки и радиально внутри внутренней поверхности 361 наружной стенки есть обходной канал 320.

Воздух из впуска 70 воздуха в первом объеме 52 может проходить через обходной канал 320 и в третий объем 363. Внутренняя стенка 360 предотвращает движение обходного воздуха внутрь зоны сгорания (т.е. второго объема 362), при этом никакого смешивания топлива из впусков топлива и воздуха в третьем объеме 363 не происходит. Смешивание обходного воздуха и продуктов сгорания из горелки может происходить в нижнем направлении второго объема 362 и третьего объема 363, т.е. после стенки 14 нижнего конца корпуса.

Этот признак известен как обводная линия воздуха. Такой признак позволяет полный обход воздуха через третий объем 363 без вмешательства сгорания топлива. Это может быть полезно там, где узлу 10 вихревой горелки требуется работать с отношением воздух-топливо больше чем то, для которого сконструирован блок 100 горелки, и, по существу, воздух может быть направлен в обход через третий объем 363, все же выбросы еще будут в проектных пределах.

Это может позволять узлу 10 вихревой горелки действовать с более высоким отношением воздуха к топливу, а именно от 2 до 18 лямбда.

В некоторых вариантах осуществления (не показано) обход воздуха не нуждается в том, чтобы быть неотъемлемым признаком, но обходной канал 320 может быть задействован при необходимости, например, с помощью отверстия обходного канала 320 в стенке 40 горелки. Поэтому, рабочий режим может диктовать, что требуется обход.

Фигура 5 показывает, что отверстие 82 воспламенителя для узла 300 вихревой горелки выступает сквозь третий объем 363 так, что воспламенитель 80 располагается внутри второго объема 362. Расширение отверстия 82 воспламенителя необходимо, чтобы позволять воспламенителю 80 быть способным вызывать искру в том же объеме, как и горючие газы (т.е. образовать пламенную трубку).

Фигура 7 показывает узел 400 вихревой горелки подобной той, которая описана ранее в этом описании, включающий и признак отверстия разделения воздуха (для воздушной завесы) и признак обхода. Таким образом, третий объем 363 обеспечен, при этом множество отверстий 210 разделения воздуха, тем самым соединяя признаки в одной горелке. Присутствие обходного канала 320 означает, что примерно 5% общего потока через впуск 70 воздуха проходит через отверстия 210 разделения воздуха.

Поток воздуха через третий объем 363 имеет вторичный эффект охлаждения внутренней стенки 360. Однако там, где требуется дополнительное охлаждение, воздушная завеса, обеспеченная отверстием 210 разделения воздуха, может быть объединена с обходным каналом 320, как показано на Фигуре 7, тем самым охлаждая внутреннюю стенку 360 потоком воздуха по наружной поверхности внутренней стенки (366: Фигура 5) и внутренней поверхности внутренней стенки (364: Фигура 5).

Температура в выпуске горелки измеряется после зоны сгорания, т.е. в нижнем направлении от второго объема 62 за стенкой 14 нижнего конца корпуса вихревой горелки. В конфигурациях, где используется обход воздуха, температура в выпуске горелки является температурой объединенного потока отходящих газов из второго объема и третьего объема. В конфигурациях, где используется обход воздуха, смешивание обводного воздуха и продуктов сгорания может происходить после нижнего конца 30 корпуса вихревой горелки.

При использовании в системе топливных элементов горелка имеет четыре режима работы:

1) Прогрев без риформинга:

Там, где система топливных элементов холодная, необходимо нагревать батарею до достижения рабочего состояния. Эта начальная фаза поднимает температуру выпуска батареи топливных элементов до более чем 275°C, более предпочтительно 300°C. Топливо может быть газообразным или испаренным, но в этом режиме это ВТС топливо, которое непосредственно подается в горелку.

Принимая во внимание узел 10 вихревой горелки Фигур 1 и 2, в этом режиме ВТС топливо подается в горелку через трубку 120 топлива ВТС блока горелки 100. ВТС топливо выходит из трубки 120 топлива ВТС во ВТС впуске 125. Одновременным с этой операцией воздух подается в первый объем 52 через впуск 70 воздуха. Воздух внутри этого объема проходит через прорези 115 впуска воздуха во внутренний объем 116 блока горелки, и течет в нижнем направлении по направлению к нижнему концу 30 корпуса вихревой горелки.

Прежде чем достигнуть вихревого смесителя 150, т.е. до вихревого смесителя 150, ВТС топливо и воздух подвергаются воздействию друг на друга в первый раз, начиная с вхождения в корпус 12 горелки. Именно здесь происходит начальное предварительное смешивание топлива ВТС и воздуха. Смесь топлива ВТС и воздуха проходит через вихревой смеситель 150 и имеет место наибольшая степень смешивания между ВТС топливо и воздух посредством вихревого смесителя 150 и как раз во второй объем 62. Эта область прямо после смесителя 150 вихревой горелки является зоной смешивания. Высокая степень смешивания топлива ВТС с воздухом важна, чтобы делать возможным полное сгорание и уменьшать количество нежелательных выбросов, таких как CO и NO_x.

Хотя использовали термин ″воздух″, ″окислитель″ также является обычно используемым термином для описания кислород-несущей среды, наряду с другими терминами, используемыми в области техники. Как таковые, воздух и окислитель взаимозаменяемы для целей этого описания.

Смесь топлива ВТС и воздуха затем воспламеняется посредством воспламенителя 80. Вихревой смеситель 150 представляет собой осевой завихритель, который дает в результате область обратного потока или зону рециркуляции во втором объеме 62. Зона рециркуляции является такой, что она сильно влияет не только на зону сгорания, но также зону смешивания. Это имеет ряд преимуществ: идеальное сгорание смеси ВТС должно происходить в этой зоне, поскольку смешивание будет наиболее интенсивным; также этот обратный поток имеет эффект уменьшения длины пламени. Как результат зоны рециркуляции, место пламени находится как раз после вихревого смесителя 150.

Во время этого режима работы расход воздуха регулируется системой управления, которая среди других измерений измеряет температуру входа в горелку. Расход топлива ВТС регулируется системой управления, использующей пропорциональный регулятор, который изменяет расход топлива ВТС согласно температуре в нижнем конце горелки. Расход воздуха через горелку в этом режиме может меняться от 70 до 116 SLM (standard liter per minute, ст. л/мин). Как ожидается, расход топлива ВТС будет между 0,8 и 6 SLM. Соотношение компонентов (лямбда) воздух-топливо может быть менее или равняться 4. В дополнительных компоновках, однако, расход воздуха через горелку в этом режиме может меняться от 70 до 300 SLM. Подобным образом, в дополнительных компоновках расход топлива ВТС может быть между 0,8 и 8 SLM.

Изменение компоновки и размещение впуска 125 топлива ВТС в сочетании с размером прорезей во впуске может иметь действие на сгорание и функционирование горелки, такое как получение различных выбросов, которые находятся за нормативными пределами.

2) Прогрев. Риформинг.

Второй режим работы для узла вихревой горелки 10 осуществляется при температурах батареи топливных элементов больше, чем 275°C, более предпочтительно 300°C. Этот режим осуществляет переход топлива от непосредственно подаваемого топлива ВТС к НТС топливу из батареи топливных элементов. Иначе говоря, НТС топливо может быть газообразным продуктом риформинга или анодным отходящим газом из реакции топливного элемента.

НТС топливо подается в узел 10 вихревой горелки через трубку 130 топлива НТС. Эта трубка 130 топлива НТС проходит через центр внутреннего диаметра вихревого смесителя 150 и во второй объем 62. Это только в этой точке, в которой подается НТС топливо во второй объем 62 через НТС впуск 135. А именно, это происходит после места пламени топлива ВТС.

Поскольку НТС топливо не проходит через вихревой смеситель 150, есть область менее интенсивного смешивания с воздухом во втором объеме 62 и только малой степени смешивание с воздухом до сгорания происходит при сравнении с ВТС топливом. Однако, для топлива НТС это предпочтительно, поскольку состав не благоприятствует высокой степени смешивания предварительным горением, чтобы вызывать более низкие выбросы CO и NOx.

Горение происходит после впуска 135 топлива НТС. Есть дополнительный результат от вихревого смесителя 150: сгорание топлива НТС обычно вызывает более длинное пламя, т.е. большей длины, чем ВТС пламя, это частично из-за сгорания меньшей интенсивности и большего объемного потока; область обратного потока из вихревого смесителя 150, уменьшает длину пламени топлива НТС. Такое уменьшение по длине пламени полезно для экономии пространства, позволяющей более короткий, более компактный корпус 12 вихревой горелки, а также для защиты оборудования в направлении к нижнему концу, или даже за нижним концом узла 10 вихревой горелки (т.е. после стенки 14 нижнего конца корпуса).

Так как температура батареи топливных элементов повышается к 550°C, система регулирования уменьшает ВТС поток и поэтому смешанная работа ВТС и НТС топлив движется к работе только топлива НТС, так как топливный элемент совершает электрохимические реакции.

3) Вывод на режим малого газа

В третьем режиме работы батарея топливных элементов находится при примерно 550°C (точная температура отдельных топливных элементов и отдельных компонентов топливных элементов будет меняться; топливные элементы батареи топливных элементов будут работать в интервале от примерно 500 до 610°C, или от примерно 500 до 615°C или от примерно 500 до 620°C). Это преимущественно ситуация топлива НТС. В этом режиме НТС топливо продолжает подаваться в горелку через трубку 130 топлива НТС. Однако расход топлива НТС теперь определяется батареей топливных элементов, а также электрическим выходом, требующимся системой.

Поток воздуха через систему топливных элементов во время этого режима работы регулируется температурой батареи топливных элементов. Температура на выходе горелки отслеживается, и, если она падает ниже определенной пороговой величины, то добавляется дополнительное ВТС топливо для повышения температуры системы, которая будет поддерживать или повышать температуру батареи топливных элементов. Однако система идеально сконструирована такой, что в этом режиме требуется только НТС топливо.

4) Выключение

В четвертом режиме работы поток топлива НТС уменьшается, чтобы уменьшать температуры батареи топливных элементов и системы топливных элементов до тех пор, пока батарея топливных элементов не достигает приблизительно 450°C, поток топлива ВТС к системе топливных элементов останавливается, что в свою очередь останавливает поток топлива НТС через впуск 135 топлива НТС, остановлен и сгорание прекращается. Систему топливных элементов затем оставляют просто остывать.

Обращаясь к фигурам 8A-10C, показан ряд тенденций, показывающих эмпирические результаты. Отметки тенденций обобщены, как перечислено.

Воздух, свободный от NO_x - воздух, свободный от выбросов NO_x из горелки, точки данных, показаны как указывающий вверх треугольник;

Воздух, свободный от CO - воздух, свободный от выбросов CO из горелки, точки данных показаны как указывающий вниз треугольник;

tAirTgbOut - Температура воздуха вне горелки, точки данных, показаны как квадрат;

tAirTgbIn - Температура воздуха в горелке, точки данных, показанные как круг;

dmolFuelRef - Поток топлива НТС в горелку, данные показаны как вертикальная черта.

dmolFuelTgb - Поток топлива ВТС в горелку, точки данных, показаны как звездочка.

Лямбда - отношение топлива к воздуху горелки на впусках в горелку, показаны как ромб.

Фигуры 8A-10C показывают графические изображения результатов реальной работы узла вихревой горелки в ряде режимов работы наряду с реакцией узла вихревой горелки в различных случаях. Три Фигуры на операцию (т.е. A, B и C), все показывают один и тот же рабочий период для узла вихревой горелки согласно настоящему изобретению. Период времени для этого получения данных (х ось - в часах) не показан, чтобы начинаться с нуля, и представляет различные рабочие фазы горелки по настоящему изобретению во время непрерывного испытания.

Тенденции на Фигурах 8А, 9А и 10А показывают температуру воздуха в и вне узла вихревой горелки и предлагается показать, что узел вихревой горелки сам производит тепло - как показано с помощью tAirTgbOut - и что батарея топливных элементов нагревается работой горелки и горячие отходящие газы подаются обратно в узел вихревой горелки - как показано с помощью tAirTgbIn, т.е. температурой в узле вихревой горелки. Самая большая тенденция также показывает монооксид углерода (СО) и оксиды азота (NO_x) в сгораемых газах, т.е. в газах, покидающих узел вихревой горелки. Они измерены в частях на миллион по объему (ppmv, parts per million volume), которые являются обычной единицей измерения в области техники для таких газов и являются свободными от воздуха измерениями, т.е. уточненными значениями, чтобы имитировать свободные от кислорода условия в газообразных продуктах сгорания. CO, NO_x и другие газообразные продукты сгорания вместе известны как выбросы, поскольку они являются первичными продуктами, которые получаются от сгорания газов, что, как известно, является нежелательным в экологическом плане. По существу, уменьшение выбросов является задачей важного законодательства, касающегося сжигания газов. Для целей изобретения выбросами будут обычно называться как раз CO и NO_x, поскольку они являются первичными продуктами, которые изобретение стремится уменьшать.

Тенденции на Фигурах 8B, 9B и 10B показывают поток топлива из топлива ВТС и топлива НТС. Это поток топлива в узел вихревой горелки и будет указывать на то, в каком режиме узел вихревой горелки работает. Например, когда есть НТС поток, это вероятно от батареи топливных элементов, которая достигла достаточной температуры, чтобы производить анодные отходящие газы, которые могут быть теперь воспламенены. Поток топлива ВТС, показанный на тенденции, указывает, что есть поток топлива ВТС к узлу вихревой горелки. Поток топлива ВТС возможен в любом режиме работы, поскольку его подача не зависит от работы топливного элемента.

Тенденции на Фигурах 8C, 9C и 10C показывают отношение воздуха к топливу, где равная пропорция воздуха к топливу будет иметь лямбда 1, и поскольку пропорция воздуха повышается так, что смесь воздуха и топлива становится более бедной, лямбда будет повышаться. Тенденция лямбда показывает общую лямбда потока топлива и окислителя во впусках узла вихревой горелки, т.е. поток во впуске 70 воздуха, НТС впуске 135 и ВТС впуске 125. Показанная лямбда включает в себя расчет обеднения кислородом в потоке воздуха, когда работает топливный элемент. Лямбда реагентов сгорания важна, поскольку поток окислителя регулируется батареей топливных элементов. Поэтому желательно иметь узел вихревой горелки, который способен работать сверх большого интервала лямбда, такого, что поток окислителя не нуждается в том, чтобы быть компенсированным путем добавочного потока топлива для горелки, чтобы получать стабильное горение. Отметим, там, где топливный поток прекратился, лямбда на тенденции увеличится без масштаба, это вызвано тем, что без потока топлива отношение воздуха к топливу является бесконечно большим. Типично это видно на тенденциях, где лямбда повышается свыше 20.

Обращаясь к Фигурам 8A, 8B и 8C, сначала мы можем видеть на фигуре 8B, что поток топлива, начинающийся при 8 SLM, является ВТС топливом. Температура в узле вихревой горелки, показанном на Фигуре 8A, является первоначально довольно низкой и определенно ниже 275°C, требуемой для начала операции риформинга батареи топливных элементов. Это является, поэтому, режимом 1: прогрев, без риформинга. Узел вихревой горелки находится в чисто ВТС режиме и лямбда достаточно низка, приблизительно от 3 до 4 лямбда, как видно на фигуре 8C, иначе говоря, топливная смесь довольно богата, чтобы создавать тепло, необходимое для подогрева батареи топливных элементов. В частности, хотя это режим чисто топлива ВТС в фазе прогрева, выбросы еще очень низкие и даже ниже требуемых пределов. Отметим, что для пределов выбросов обычно то, что выбросы усредняются за период, запуск является ожидаемым периодом, когда выбросы, как известно, будут больше.

Поскольку температура батареи топливных элементов повышается, система способна начать риформинг и НТС топливо доступно для узла вихревой горелки. Это видно из повышения температуры воздуха, входящего в узел вихревой горелки и возникновения потока топлива НТС. На данном этапе есть короткое увеличение выбросов, но, так как лямбда падает и температура возрастает, выбросы быстро падают значительно ниже цели. Горелка находится в режиме 2: риформинг прогрева. Это является двухтопливной работой, два потока сжигаются одной и той же горелкой в одной и той же пламенной трубке (т.е. втором объеме 62), и получившиеся выбросы низки.

Температура батареи топливных элементов затем достигает номинального уровня, видного из выравнивания температуры в узле вихревой горелки. Теперь это является режимом 3: установившийся режим. В этом режиме узел вихревой горелки преимущественно заправляется НТС топливом, поданным из топливного элемента. Конструкция горелки дает в результате очень низкие выбросы, причем NO_x выбросы составляют приблизительно одну десятую предела и СО - даже ниже.

Фигуры 8A и 8C ясно демонстрируют, что геометрия и размещение впусков топлива привели к узлу вихревой горелки, который может справляться с различными топливами с очень разными нормами сгорания, и все же иметь низкие выбросы.

Отметим, что, там, где главная тенденция показана справа в верхних углах Фигур 8A и 8C, точки данных продолжаются преимущественно таким же путем, в котором они были до этого принципиального момента, и нет никаких неблагоприятных точек данных, затрудняющих понимание.

Фигуры 9A-9C показывают работу в установившемся режиме с изменением этапа, такое изменение этапа может происходить из-за различного потребления тока от батареи топливных элементов. Это будет вызывать разный поток топлива к узлу вихревой горелки и разную смесь ВТС и топлива НТС. Есть известная проблема, что изменения этапов могут вызывать резкие возрастания выбросов из-за различных характеристик процесса горения и аварийных ситуаций, а именно переключения пламени. Когда происходит изменение этапа, т.е. когда изменяется поток топлива, выбросы действительно слегка повышаются, но все еще значительно ниже пределов. Это показывает способность к восстановлению функций, которую узел вихревой горелки имеет при изменении потоков топлива в установившемся режиме.

Отметим, что, там, где главная тенденция показана справа в верхних углах Фигуры 10A, точки данных продолжаются преимущественно таким же путем, в котором они были до этого принципиального момента, и нет никаких неблагоприятных точек данных, затрудняющих понимание.

Является известной проблемой, что горячие запуски могут вызывать проблемы для горелок и систем топливных элементов. Характеристики процесса горения из-за высокой температуры на впуске воздуха могут быть очень разными, вызывающими нестабильность пламени и, как результат, выбросы могут сильно меняться. Батарее топливных элементов может потребоваться 12-16 часов для остывания до условий холодного запуска, обычно чаще требуется топливному элементу. Поэтому желательно для узла вихревой горелки иметь возможность осуществлять горячий запуск, все же поддерживать низкие выбросы. На Фигурах 10A-10C такая ситуация показана, система перезапускается, когда температура внутри узла вихревой горелки еще высокая, приблизительно 300°C, все же в каждом случае, выбросы значительно не превышают пределы с CO, который является очень низким.

Отметим, что, там, где главная тенденция показана справа в верхних углах Фигуры 10A, точки данных продолжаются преимущественно таким же путем, в котором они были до этого принципиального момента, и нет никаких неблагоприятных точек данных, затрудняющих понимание.

В целом конструкция узла вихревой горелки приводит к низким выбросам, когда заправляется разными топливами в одном режиме и смешанном режиме, наряду с работой при лямбда свыше большого интервала, и имея небольшую длину пламени, позволяющую компактную конструкцию.

Настоящее изобретение не ограничено только вышеприведенными вариантами осуществления, при этом другие варианты осуществления будут легко очевидны специалистам в этой области техники без отступления от объема прилагаемой формулы изобретения.

Ссылочные позиции:

10 - Узел вихревой горелки

12 - Корпус вихревой горелки

12′ - Центральная ось

14 - Стенка нижнего (или второго) конца корпуса вихревой горелки

15 - Выпуск корпуса вихревой горелки

16 - Стенка верхнего (или первого) конца корпуса вихревой горелки

16′ - Отверстие в стенке верхнего (или первого) конца корпуса вихревой горелки

20 - Первый конец блока горелки

30 - Нижний конец корпуса вихревой горелки

40 - Стенка горелки

40′ - Отверстие в стенке горелки

42 - Нижняя сторона стенки горелки

44 - Верхняя сторона стенка горелки

50 - Трубка горелки

52 - Первый объем

54 - Внутренняя сторона стенки верхнего (или первого) конца корпуса вихревой горелки

56 - Внутренняя сторона трубки горелки

62 - Второй объем

64 - Внутренняя поверхность корпуса

66 - Наружная поверхность корпуса

70 - Впуск воздуха

80 - Воспламенитель

82 - Отверстие воспламенителя

100 - Блок горелки

110 - Наружный корпус блока горелки

111 - Верхняя внутренняя поверхность горелки

112 - Выступ

114 - Внутренняя сторона наружного корпуса блока горелки

115 - Прорези впуска воздуха

116 - Внутренний объем блока горелки

120 - Трубка топлива ВТС

121 - Внутренняя поверхность трубки топлива ВТС

122 - Наружная поверхность трубка топлива ВТС

123 - Внутренний объем ВТС трубки

124 - Второй конец блока горелки

125 - ВТС впуск

130 - Трубка топлива НТС

130′ - Пальцеобразный выступ

131 - Внутренняя поверхность трубки топлива НТС

132 - Наружная поверхность трубки топлива НТС

133 - Внутренний объем НТС трубки

135 - НТС впуск

140 - Наружное кольцо

144 - Наружная поверхность наружного кольца

150 - Вихревой смеситель

155 - Лопасти

160 - Внутреннее кольцо

162 - Наружная поверхность внутреннего кольца

163 - Внутренняя поверхность внутреннего кольца

200 - Узел вихревой горелки с завесой окислителя

210 - Отверстие разделения воздуха

300 - Узел вихревой горелки

310 - Наружная стенка

320 - Обходное отверстие

360 - Внутренняя стенка

361 - Внутренняя поверхность наружной стенки

362 - Второй объем (обход воздуха)

363 - Третий объем

364 - Внутренняя поверхность внутренней стенки

366 - Наружная поверхность внутренней стенки

400 - Узел вихревой горелки

Изобретение относится к области энергетики. Узел вихревой горелки включает: полый продольно вытянутый корпус, проходящий вдоль центральной оси и имеющий первый конец и второй конец, концевую стенку на первом конце, стенку горелки, расположенную между первым концом и вторым концом и образующую первый объем от первого конца до стенки горелки и второй объем от стенки горелки до второго конца, впуск окислителя в первый объем, по меньшей мере один полый продольно вытянутый блок горелки, имеющий первый конец блока горелки, проходящий снаружи отверстия в концевой стенке от первого объема, причем блок горелки проходит через отверстие в стенке горелки от первого объема ко второму объему ко второму концу блока горелки и образует внутренний объем блока горелки, и включает в себя: вихревой смеситель с осевым завихрением, размещенный внутри блока горелки и расположенный между первым концом блока горелки и вторым концом блока горелки, причем вихревой смеситель включает в себя множество лопаток, имеющих внутренний диаметр и наружный диаметр, первую сторону, направленную и открытую в первый объем, и вторую сторону, направленную и открытую во второй объем, первый впуск топлива в первый объем, причем первый впуск топлива расположен радиально внутри наружного диаметра множества лопаток, и второй впуск топлива во второй объем, ближний ко второму концу блока горелки, расположенный радиально внутри наружного диаметра множества лопаток, причем каждый по меньшей мере один блок горелки образует первую точку, которая является точкой вдоль центральной оси, наиближайшей к первому концу, где плоскость, перпендикулярная центральной оси в упомянутой точке, пересекает множество лопаток вихревого смесителя блока горелки; образует вторую точку, которая является точкой вдоль центральной оси, самой дальней от первого конца, где плоскость, перпендикулярная центральной оси в упомянутой точке, пересекает множество лопаток вихревого смесителя блока горелки; и образует геометрическую среднюю точку вдоль центральной оси, равноудаленную от первой точки и второй точки, при этом каждый первый впуск топлива расположен в точке в осевом направлении относительно центральной оси между впуском окислителя и вихревым смесителем, которая пересекается с плоскостью, перпендикулярной центральной оси и пересекающейся с точкой вдоль центральной оси между 1 и 2 эквивалентными диаметрами окружностей проходного сечения первого впуска топлива из первой точки, и каждый второй впуск топлива расположен в точке между первым впуском топлива и вторым концом, которая пересекается с плоскостью, перпендикулярной центральной оси и пересекающейся с точкой вдоль центральной оси, равной или менее, чем внутренний диаметр множества лопаток из геометрической средней точки. Изобретение позволяет уменьшить количество выбросов монооксида углерода (CO) и оксидов азота (NO_x). 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 18 ил.

1. Узел вихревой горелки, включающий в себя:

(i) полый продольно вытянутый корпус, проходящий вдоль центральной оси и имеющий первый конец и второй конец,

(ii) концевую стенку на первом конце,

(iii) стенку горелки, расположенную между первым концом и вторым концом и образующую первый объем от первого конца до стенки горелки и второй объем от стенки горелки до второго конца,

(iv) впуск окислителя в первый объем,

(v) по меньшей мере один полый продольно вытянутый блок горелки, имеющий первый конец блока горелки, проходящий снаружи отверстия в концевой стенке от первого объема, причем блок горелки проходит через отверстие в стенке горелки от первого объема ко второму объему ко второму концу блока горелки и образует внутренний объем блока горелки, и включает в себя:

(a) вихревой смеситель с осевым завихрением, размещенный внутри блока горелки и расположенный между первым концом блока горелки и вторым концом блока горелки, причем вихревой смеситель включает в себя множество лопаток, имеющих внутренний диаметр и наружный диаметр, первую сторону, направленную и открытую в первый объем, и вторую сторону, направленную и открытую во второй объем,

(b) первый впуск топлива в первый объем, причем первый впуск топлива расположен радиально внутри наружного диаметра множества лопаток, и

(c) второй впуск топлива во второй объем, ближний ко второму концу блока горелки, расположенный радиально внутри наружного диаметра множества лопаток,

причем каждый по меньшей мере один блок горелки:

(A) образует первую точку, которая является точкой вдоль центральной оси, наиближайшей к первому концу, где плоскость, перпендикулярная центральной оси в упомянутой точке, пересекает множество лопаток вихревого смесителя блока горелки;

(B) образует вторую точку, которая является точкой вдоль центральной оси, самой дальней от первого конца, где плоскость, перпендикулярная центральной оси в упомянутой точке, пересекает множество лопаток вихревого смесителя блока горелки; и

(C) образует геометрическую среднюю точку вдоль центральной оси, равноудаленную от первой точки и второй точки,

при этом:

каждый первый впуск топлива расположен в точке в осевом направлении относительно центральной оси между впуском окислителя и вихревым смесителем, которая пересекается с плоскостью, перпендикулярной центральной оси и пересекающейся с точкой вдоль центральной оси между 1 и 2 эквивалентными диаметрами окружностей проходного сечения первого впуска топлива из первой точки, и

каждый второй впуск топлива расположен в точке между первым впуском топлива и вторым концом, которая пересекается с плоскостью, перпендикулярной центральной оси и пересекающейся с точкой вдоль центральной оси, равной или менее, чем внутренний диаметр множества лопаток из геометрической средней точки.

2. Узел вихревой горелки по п.1, причем по меньшей мере один узел горелки дополнительно включает в себя:

i) наружное кольцо, проходящее через отверстие в стенке горелки от первого объема по направлению ко второму объему, причем наружное кольцо имеет наружный диаметр, внутренний диаметр, первый конец и второй конец; и

ii) внутреннее кольцо, проходящее через отверстие в стенке горелки от первого объема по направлению ко второму объему, причем внутреннее кольцо имеет наружный диаметр, внутренний диаметр, первый конец и второй конец.

3. Узел вихревой горелки по п.2, в котором внутреннее кольцо расположено радиально внутренним относительно наружного кольца.

4. Узел вихревой горелки по п.2 или 3, в котором множество лопаток проходит радиально между наружным кольцом и внутренним кольцом, при этом внутренний диаметр наружного кольца равен наружному диаметру множества лопаток, а наружный диаметр внутреннего кольца равен внутреннему диаметру множества лопаток.

5. Узел вихревой горелки по любому из предшествующих пунктов, в котором первый и второй впуски топлива размещены каждый в точках радиально внутри внутреннего диаметра множества лопаток.

6. Узел вихревой горелки по любому из предшествующих пунктов, дополнительно включающий в себя воспламенитель.

7. Узел вихревой горелки по п.6, в котором воспламенитель размещен во втором объеме и проходит снаружи от корпуса из второго объема.

8. Узел вихревой горелки по любому из предшествующих пунктов, в котором стенка горелки имеет по меньшей мере одно отверстие разделения воздуха, включающее в себя по меньшей мере один проход, проходящий от стороны первого объема стенки горелки к стороне второго объема стенки горелки.

9. Узел вихревой горелки по п.8, в котором упомянутое по меньшей мере одно отверстие разделения воздуха выполнено радиально концентрическим относительно наружного диаметра множества лопаток.

10. Узел вихревой горелки по любому из предшествующих пунктов, причем корпус выполнен многостеночным, причем множество стенок проходит от стенки горелки ко второму концу, и включает в себя:

(i) внутреннюю стенку, имеющую внутреннюю поверхность, причем второй объем образован между стенкой горелки, вторым концом и внутренней поверхностью внутренней стенки; и

(ii) наружную стенку, расположенную снаружи внутренней стенки, причем между стенкой горелки, внутренней стенкой, наружной стенкой и вторым концом образован третий объем,

причем стенка горелки дополнительно включает в себя по меньшей мере один обходной проход между первым объемом и третьим объемом, образующий путь потока текучей среды, при этом обходной проход представляет собой канал, сообщающийся по текучей среде, от первого объема к третьему объему.

11. Узел вихревой горелки по п.10, в котором упомянутый по меньшей мере один обходной проход включает в себя множество обходных проходов, радиально концентрических относительно наружного диаметра множества лопаток.

12. Способ эксплуатации узла вихревой горелки по любому из предшествующих пунктов, включающий в себя этапы:

(i) подачи окислителя к впуску окислителя;

(ii) подачи топлива, включающего в себя топливо с высокой теплотой сгорания (ВТС), к первому впуску топлива, и/или топливо с низкой теплотой сгорания (НТС), ко второму впуску топлива; и

(iii) обеспечения сгорания топлива во втором объеме.

13. Способ по п.12, в котором, когда подают топливо ВТС к первому впуску топлива, поток окислителя и поток топлива ВТС сходятся в первом объеме между первым впуском топлива и вихревым смесителем, а когда подают топливо НТС ко второму впуску топлива, окислитель и поток топлива НТС сходятся во втором объеме между вихревым смесителем и вторым концом.

14. Способ по п.12 или 13, в котором топливо ВТС и/или топливо НТС воспламеняется или горит во втором объеме с помощью воспламенителя.

15. Способ по любому из пп.12-14, в котором скорость топлива ВТС через первый впуск топлива упомянутого по меньшей мере одного блока горелки находится между 3 и 6 м/с и/или скорость топлива НТС через второй впуск топлива упомянутого по меньшей мере одного блока горелки находится между 10 и 35м/с.