Устройство пульсирующего горения с повышенным КПД и с пониженным уровнем шума Российский патент 2022 года по МПК F23C15/00 

Область техники

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в системах отопления, в частности в водонагревателях или бойлерах; в системах утилизации, работающих на сжигании попутного газа; в системах выработки электрической энергии.

Предыдущий уровень техники

Широко известны устройства пульсирующего горения, содержащие камеру сгорания, запальное устройство, устройства подвода топлива, подвода воздуха и выхлопные каналы отвода продуктов сгорания. Такие устройства имеют высокий КПД, но создают значительный шум и вибрации. Предпринимаются попытки по дополнительному повышению КПД, кроме того, предпринимаются попытки по снижению шума и вибрации. Повышение КПД и проблема снижения шума и вибрации в устройствах пульсирующего горения решалась по-разному.

Известны глушители для компрессоров с пульсирующим расходом газа и им подобных устройств. В патенте US2943641 описан глушитель на основе резонаторов Гельмгольца, коэффициент глушения зависит от отношения частоты шума к собственной частоте резонатора.

В устройстве пульсирующего горения по патенту US 4639208 для снижения уровня шума установлены звукопоглощающие материалы на пути от камеры сгорания до обратного клапана.

В устройстве пульсирующего горения по патенту US 4259928 в канале подачи воздуха применен глушитель, сопряженный с воздушным обратным клапаном, и кроме того, этот глушитель сам находится внутри ограждающей полости, которая расположена в сосуде с водой. В канале дымовых газов также установлен глушитель.

В устройстве пульсирующего горения по патенту US 4,477,246 содержится глушитель на подаче воздуха и глушитель отходящих дымовых газов, выполненный в одном корпусе и состоящий из внешнего и внутреннего цилиндров, которые разделены на низкочастотные и высокочастотные звукозадерживающие камеры

В устройстве пульсирующего горения по патенту US 4475621 ограждение воздушного клапана покрыто звукопоглощающим материалом, в канале отвода дымовых газов содержится теплообменник типа газ-газ.

В устройстве пульсирующего горения по патенту US 5020987 для снижения уровня шума применен усовершенствованный обратный механический клапан газовой среды, позволяющий понизить амплитуду колебаний давления в камере сгорания.

Наиболее близким к предложенному является устройство пульсирующего горения по патенту US4919085, в котором в канале отвода дымовых газов установлен глушитель, состоящий из двух камер, соединенных трубой. Для повышения КПД устройства пульсирующего горения и для снижения уровня шума, указанные полости размещают в сосуде с теплоносителем. В канале подачи воздуха установлен глушитель, с одной стороны связанный с вентилятором, с другой стороны с воздушной камерой, ограждающей воздушный клапан и имеющей внутреннюю и наружную стенки, пространство между которыми заполнено песком.

Указанные решения дают незначительное повышение КПД и применение иных решений позволяет получить дополнительно значительно больший КПД. Также указанные решения не позволяют получить необходимый уровень глушения шума и снижения вибраций.

Сущность изобретения

Технической проблемой, решаемой изобретением, заключается в повышении КПД устройства пульсирующего горения с одновременным снижением уровня шума.

Техническая проблема решается устройством пульсирующего горения, содержащим камеру сгорания, соединенный с ней узел подачи воздуха и горючего газа и соединенный с ней дымовой канал, включающий по меньшей мере одну соединенную с камерой сгорания резонансную трубу и последовательно расположенные после по меньшей мере одной резонансной трубы по меньшей мере два резонатора Гельмгольца, каждый из которых образован дымовой камерой и расположенной после нее дымовой трубой, при этом собственная резонансная частота каждого из резонаторов Гельмгольца ниже частоты пульсаций горения.

Возможен вариант выполнения, когда при наличии по меньшей мере трех резонаторов Гельмгольца по меньшей мере один резонатор Гельмгольца посредством второй дымовой трубы в обход следующего по потоку дымового газа другого резонатора Гельмгольца соединен с дымовой камерой третьего по потоку дымового газа резонатора Гельмгольца.

Кроме того, возможно выполнение, когда по меньшей мере одна резонансная труба соединена с первым резонатором Гельмгольца через акустический фильтр нижних частот, имеющий частоту среза выше частоты пульсаций горения..

Кроме того, камера по меньшей мере одного из резонаторов Гельмгольца может быть разделена на две полости перегородкой с отверстием или щелью, имеющей площадь больше суммарной площади поперечного сечения резонансных труб.

Возможно выполнение устройства, при котором в дымовом канале выше или ниже по потоку относительно дымовой камеры, по меньшей мере, одного резонатора Гельмгольца установлен элемент с активным сопротивлением и/или индуктивным сопротивлением потоку газа.

При этом элемент с активным сопротивлением потоку газа может представлять собой сетчатый фильтр.

В другом варианте элемент с активным сопротивлением потоку газа может представлять собой теплообменник типа газ-газ.

Кроме того, элемент с индуктивным сопротивлением может представлять собой турбину, или вентилятор, или обратимое устройство, которое может работать как вентилятор и как турбина.

При этом в одном варианте турбина, или вентилятор, или обратимое устройство, которое может работать как вентилятор и как турбина, установлена в дымовой камере, по меньшей мере, одного резонатора Гельмгольца.

В другом варианте турбина или вентилятор, или обратимое устройство, которое может работать как вентилятор и как турбина, установлена выше или ниже по потоку относительно дымовой камеры, по меньшей мере, одного резонатора Гельмгольца.

Возможен вариант выполнения устройства, при котором к дымовой камере по крайней мере одного резонатора Гельмгольца дымового канала подсоединен четвертьволновый резонатор или резонатор Гельмгольца, имеющий собственную резонансную частоту равную частоте пульсаций горения..

В предпочтительном варианте выполнения устройства узел подачи воздуха и горючего газа включает по меньшей мере один обратный клапан.

В случае раздельной подачи в камеру сгорания воздуха и горючего газа узел подачи воздуха включает по меньшей мере один обратный воздушный клапан, соединенный с воздушным каналом, и по меньшей мере один обратный клапан горючего газа, соединенный с каналом горючего газа.

При этом целесообразно, чтобы воздушный канал включал по меньшей мере одну камеру ограждения, внутри которой расположен по меньшей мере один обратный воздушный клапан, и соединенную с по меньшей мере одной камерой ограждения трубу подачи воздуха, которые образуют первый резонатор Гельмгольца воздушного канала.

Предпочтительно, чтобы стенки камеры ограждения по меньшей мере одного обратного воздушного клапана были покрыты с внутренней стороны и/или с внешней стороны звукопоглощающим материалом.

Кроме того, воздушный канал может включать дополнительно последовательно подсоединенный по меньшей мере один резонатор Гельмгольца, имеющий собственную резонансную частоту ниже частоты пульсаций горения.

При этом трубы резонаторов Гельмгольца воздушного канала расположены внутри труб резонаторов Гельмгольца дымового канала.

Кроме того, предпочтительно, чтобы резонаторы Гельмгольца дымового и воздушного каналов были размещены в одном корпусе.

Кроме того, в воздушном канале может быть установлен элемент с активным сопротивлением потоку газа.

При этом элемент с активным сопротивлением потоку газа может представлять собой сетчатый фильтр.

Возможен вариант, при котором в камере по меньшей мере одного резонатора Гельмгольца воздушного канала установлен вентилятор, или турбина, или обратимое устройство, которое может работать как вентилятор во время продувки и как турбина во время работы камеры сгорания.

Также возможен вариант, при котором камера по меньшей мере одного резонатора Гельмгольца воздушного канала разделена на две полости перегородкой с отверстием или щелью, имеющей площадь больше площади сечения резонансной трубы, если устройство содержит одну резонансную трубу, или суммарной площади поперечного сечения резонансных труб.

Возможны различные варианты выполнения подсоединения воздушного канала и канала горючего газа к камере сгорания.

В одном варианте по меньшей мере один обратный воздушный клапан и по меньшей мере один обратный клапан горючего газа соединены с камерой сгорания посредством соответственно первого и второго патрубков, ось первого патрубка расположена под углом к стенке камеры сгорания с наклоном в сторону второго патрубка, при этом второй патрубок соединен с камерой сгорания посредством отверстий и/или щелей, а на выходе первого патрубка расположена перегородка, отделяющая выход первого патрубка от выхода второго патрубка.

В другом варианте по меньшей мере один обратный воздушный клапан соединен с камерой сгорания посредством третьего патрубка, на выходе которого в камере сгорания расположен направляющий элемент, выполненный с возможностью направления потока воздуха вдоль стенки камеры сгорания, по меньшей мере один обратный клапан горючего газа соединен с камерой сгорания посредством четвертого патрубка, при этом четвертый патрубок соединен с камерой сгорания посредством отверстий и/или щелей, расположенных по ходу воздуха, поступающего от направляющего элемента.

В третьем варианте по меньшей мере один обратный воздушный клапан соединен с камерой сгорания посредством пятого патрубка, в котором на выходе в камеру сгорания установлена, по меньшей мере одна, лопасть, частично перекрывающая канал трубы подачи воздуха, при этом пятый патрубок охватывает кольцевая камера горючего газа, сообщенная с камерой сгорания посредством кольцевой щели и соединенная с по меньшей мере одним обратным клапаном горючего газа, а на выходе кольцевой щели установлен направляющий элемент с наклоном к выходу трубы подачи воздуха.

В еще одном варианте по меньшей мере один обратный воздушный клапан соединен с камерой сгорания посредством шестого патрубка, в котором на входе в камеру сгорания установлена, по меньшей мере одна лопасть, частично перекрывающая канал трубы подачи воздуха, по меньшей мере один обратный клапан горючего газа соединен с камерой сгорания через соответствующую переходную камеру, смежную с шестым патрубком и сообщенную с камерой сгорания посредством щели, на выходе которой установлен по меньшей мере один направляющий элемент с наклоном к выходу шестого патрубка.

В случае подачи в камеру сгорания готовой горючей смеси узел подачи воздуха и горючего газа включает по меньшей мере один обратный клапан горючей смеси, соединенный с камерой сгорания посредством патрубка, в котором расположен пламегаситель с проходными каналами, внутренний диаметр каждого из которых меньше длины канала.

По меньшей мере один из вышеуказанных обратных клапанов может представлять собой механический обратный клапан.

Кроме того, на входе и/или выходе по меньшей мере одного из вышеуказанных обратных клапанов может быть установлен гаситель ударной волны.

При этом гаситель ударной волны предпочтительно представляет собой акустический фильтр нижних частот с частотой среза выше частоты пульсаций горения.

Кроме того, гаситель ударной волны на входе и/или выходе обратного воздушного клапана может представлять собой поворот канала на входе и/или выходе этого клапана.

Либо гаситель ударной волны может представляет собой сплошной или перфорированный экран.

Кроме того, между по меньшей мере одним из вышеуказанных обратных клапанов и камерой сгорания установлен виброизолятор.

Кроме того, между по меньшей мере одним обратным клапаном с акустическим фильтром и камерой сгорания может быть установлен виброизолятор, при этом по меньшей мере один указанный обратный клапан фиксирован в необходимом положении в пространстве посредством упругих элементов.

Перечень чертежей

Изобретение поясняется чертежами.

На Фиг. 1 показано предложенное устройство пульсирующего горения с раздельной подачей воздуха и горючего газа.

На Фиг. 2 - место А на фиг. 1 в увеличенном масштабе.

На Фиг. 3 - фрагмент устройства пульсирующего горения с предварительным приготовлением горючей смеси.

На Фиг. 4 - динамический обратный воздушный клапан.

На Фиг. 5 - устройство пульсирующего горения с передачей тепловой энергии от дымового канала воздушному потоку.

На Фиг. 6 - параллельный колебательный контур - аналог резонатора Гельмгольца.

На Фиг. 7 - график зависимости отношения амплитуды колебаний расхода газа в трубах резонатора Гельмгольца к амплитуде колебаний расхода газа на входе в резонатор Гельмгольца от добротности резонатора Гельмгольца и отношения частоты колебаний расхода газа к собственной частоте резонатора Гельмгольца.

На Фиг. 8 - график зависимости выраженного в децибелах отношения амплитуды колебаний расхода газа на входе в резонатор Гельмгольца к амплитуде колебаний расхода газа в трубах от добротности резонатора Гельмгольца и отношения частоты колебаний расхода газа к собственной частоте резонатора Гельмгольца.

На Фиг. 9 - акустический фильтр нижних частот на выходе резонансных труб.

На Фиг. 10 - устройство пульсирующего горения с индуктивным сопротивлением на входе в первую дымовую камеру снаружи камеры.

На Фиг. 11 - то же, с индуктивным сопротивлением на входе в первую дымовую камеру внутри камеры.

На Фиг. 12 - то же, с индуктивным сопротивлением на выходе первой дымовой камеры снаружи камеры.

На Фиг. 13 - то же, с индуктивным сопротивлением на выходе первой дымовой камеры внутри камеры.

На Фиг. 14 - устройство пульсирующего горения с несколькими последовательно подключенными резонаторами Гельмгольца в дымовом канале и воздушном канале.

На Фиг. 15 - устройство пульсирующего горения с индуктивным сопротивлением на входе в последующую дымовую камеру снаружи камеры.

На Фиг. 16 - то же, с индуктивным сопротивлением на входе в последующую дымовую камеру внутри камеры.

На Фиг. 17 - то же, с индуктивным сопротивлением на выходе последующей дымовой камеры снаружи камеры.

На Фиг. 18 - то же, с индуктивным сопротивлением на выходе последующей дымовой камеры внутри камеры.

На Фиг. 19 - график изменения во времени давления Р в камере сгорания от времени t с увеличением энергии колебаний давления в интервале времени T.

На Фиг. 20 - график изменения во времени давления Р в камере сгорания от времени t с уменьшением энергии колебаний давления в интервале времени T.

На фиг. 21 - график изменения во времени давления Р в камере сгорания от времени t с началом горения в момент времени t₁ (сплошная линия) и без горения (пунктирная линия).

На Фиг. 22 - график изменения во времени давления Р в камере сгорания от времени t при различных значениях среднего давления в камере сгорания.

На Фиг. 23 - узел формирования горючей смеси при раздельной подаче воздуха и горючего газа с перегородкой для создания турбулентности, вид сбоку.

На Фиг. 24 - то же, что на Фиг. 23, вид сверху.

На Фиг. 25 - то же, что на Фиг. 23, вид на внутреннюю поверхность торцевой стенки камеры сгорания в изометрии.

На Фиг. 26 - узел формирования горючей смеси при раздельной подаче воздуха и горючего газа с направляющим элементом, вид сбоку.

На Фиг. 27 - то же, что на Фиг. 26, вид сверху.

На Фиг. 28 - то же, что на Фиг. 26, вид на внутреннюю поверхность торцевой стенки камеры сгорания в изометрии.

На Фиг. 29 - узел формирования горючей смеси при раздельной подаче воздуха и горючего газа с лопастями, вид сбоку.

На Фиг. 30 - то же, что на Фиг. 29, вид сверху.

На Фиг. 31 - то же, что на Фиг. 29, вид на внутреннюю поверхность торцевой стенки камеры сгорания в изометрии.

На Фиг. 32 - узел формирования горючей смеси при раздельной подаче воздуха и горючего газа с лопастями, вид сбоку.

На Фиг. 33 - то же, что на Фиг. 32, разрез Б-Б.

На Фиг. 34 - пластина обратного газового клапана.

На Фиг. 35 - резонаторы Гельмгольца дымового канала с подключением в обход следующего по потоку резонатора.

Примеры предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Устройство пульсирующего горения содержит камеру 1 сгорания, соединенный с ней узел подачи воздуха и горючего газа и соединенный с ней дымовой канал, включающий по меньшей мере одну соединенную с камерой 1 сгорания резонансную трубу 2 и последовательно расположенные после по меньшей мере одной резонансной трубы 2 по меньшей мере два резонатора Гельмгольца 3 и 4, каждый из которых образован дымовой камерой 5 и 6 и расположенной после нее дымовой трубой 7 и 8, и имеет собственную резонансную частоту ниже частоты пульсаций горения.

На Фиг. 1 и Фиг. 2 показан вариант устройства пульсирующего горения с раздельной подачей горючего газа и воздуха в камеру 1 сгорания. Устройство содержит камеру 1 сгорания, к которой подсоединен с одной стороны узел подачи воздуха и горючего газа и с другой стороны - дымовой канал. В варианте на Фиг. 1 и Фиг. 2 узел подачи воздуха и горючего газа включает обратный воздушный клапан 9, соединенный с воздушным каналом, и обратный клапан 10 горючего газа, соединенный с каналом горючего газа, дымовой канал, включающий по меньшей мере одну соединенную с камерой 1 сгорания резонансную трубу 2. На фиг. 1 показано несколько параллельно соединенных с камерой 1 сгорания резонансных труб 2, после которых последовательно расположены по меньшей мере два резонатора Гельмгольца 3 и 4, каждый из которых образован дымовой камерой 5, 6 и расположенной после нее дымовой трубой 7 и 8 соответственно.

На Фиг. 2 воздушный канал включает камеру 11 ограждения, внутри которой расположен обратный воздушный клапан 9, и соединенную с камерой 11 ограждения трубу 12 подачи воздуха, которые также образуют резонатор 13 Гельмгольца. Стенки камеры 11 ограждения могут быть покрыты с внутренней и/или внешней стороны звукопоглощающим материалом 14. Канал горючего газа включает камеру 15 ограждения, внутри которой расположен обратный клапан 10 горючего газа, и соединенную с камерой 15 ограждения трубу 16 подачи горючего газа, которые также образуют резонатор 17 Гельмгольца.

Показанное на Фиг. 1 и Фиг. 2 устройство работает следующим образом. Вентилятор 18 нагнетает воздух через трубу 12 подачи воздуха в камеру 11 ограждения обратного воздушного клапана 9 и обеспечивает продувку камеры 1 сгорания и поток воздуха для запуска камеры 1 сгорания через обратный воздушный клапан 9 поступает в камеру 1 сгорания и через резонансные трубы 2 поступает в дымовой канал. При открытии электромагнитного клапана 19 через обратный клапан 10 в камеру 1 сгорания поступает горючий газ. При перемешивании горючего газа с воздухом образуется горючая смесь, которая воспламеняется свечой 20 зажигания. При горении в камере 1 сгорания повышается давление. Давление в камере 1 сгорания вынуждает продукты горения двигаться через резонансные трубы 2 из камеры 1 с ускорением, пропорциональным давлению в камере 1 сгорания. При этом скорость потока дымовых газов в резонансных трубах 2 растет, а давление в камере сгорания 1 подает. Когда давление в камере сгорания 1 выравнивается с давлением дымового канала, в резонансных трубах 2 поток продуктов горения разгонится до некоторой скорости, завершив преобразование потенциальной энергии давления в камере 1 сгорания в кинетическую энергию потока в резонансных трубах 2. Обладая инерцией, продукты горения в резонансных трубах 2 продолжат двигаться, создавая разрежение в камере 1 сгорания. Разрежение в камере 1 сгорания открывает обратные клапаны 9 и 10, и в камеру 1 сгорания поступают воздух и горючий газ, которые, перемешиваясь, образуют горючую смесь, которая воспламеняется горячими газами продуктов горения. Давление в камере 1 повышается, и цикл работы камеры 1 сгорания повторяется. Поскольку воздух в камеру 1 сгорания подается разрежением, а воспламенение горючей смеси производится горячими продуктами горения, то от источника питания отключаются вентилятор 18 и свеча 20 зажигания, но вентилятор 18 может продолжить вращение под воздействием потока воздуха, поступающего на горение. Камеру 1 сгорания и резонансные трубы 2 помещают в теплоноситель, например, в сосуд 21 с водой.

Обычно продукты горения требуется выводить в атмосферу на удалении от устройства пульсирующего горения. Для этого используются каналы отвода дымовых газов. Каналы отвода дымовых газов могут содержать различные элементы и устройства, например турбина или вентилятор, теплообменник типа газ-газ, повороты, изменения площади поперечного сечения, изменение формы поперечного сечения, сетку-фильтр, запорную заслонку, виброизолирующие элементы.

Устройства пульсирующего горения могут иметь различные варианты реализации, отличающиеся способом формирования горючей смеси, типов используемых обратных клапанов, способом съема тепловой энергии.

На Фиг. 1 и Фиг. 2 показан вариант с раздельной подачей воздуха через механический обратный воздушный клапан 9 и горючего газа через механический обратный клапан 10 горючего газа в камеру 1 сгорания.

На Фиг. 3 показан вариант с предварительным приготовлением горючей смеси. Горючий газ через канал 22 поступает в поток воздуха, движущийся в канале 23. По каналу 24 горючая смесь поступает в камеру 25 готовой горючей смеси. В камеру 1 сгорания горючая смесь поступает через обратный клапан 26 и пламегаситель 27, который имеет проходные каналы, диаметр каждого из которых меньше длины канала.

На Фиг. 4 показан динамический обратный воздушный клапан 28. По каналу 29 воздух поступает в воздушную камеру 30 и через динамический обратный клапан 28 поступает в камеру 1 сгорания. По каналу 31 отводятся обратные дымовые газы.

На Фиг. 1 показан вариант передачи тепловой энергии в воду камерой 1 сгорания, резонансными трубами 2 и резонаторами 3, 4 Гельмгольца дымового канала.

На Фиг. 5 показана передача тепловой энергии воздушному потоку, создаваемому вентилятором 32 через теплообменный аппарат 33 типа газа-газ от трубы 8 резонатора 4 Гельмгольца дымового канала, образованного камерой 6 и трубой 8

В основном случае реализации несколько резонансных труб 2 могут на выходе объединяться в одну трубу. На Фиг. 1 показана реализация устройства пульсирующего горения с несколькими резонансными трубами 2, соединенных своими выходами с камерой 34 малого объема, которая соединена с дымовой камерой 5 первого резонатора 3 Гельмгольца трубой 35 сопряжения.

Камера 1 сгорания и резонансные трубы 2 образуют резонатор Гельмгольца. Обычно резонатор Гельмгольца состоит из камеры и одной трубы. Если в устройстве пульсирующего горения несколько резонансных труб 2, то свойства этого резонатора, образованного камерой 1 сгорания и резонансными трубами 2, соответствуют свойствам резонатора, образованного такой же камерой и одной трубой, у которой площадь поперечного сечения равна сумме площадей поперечного сечения резонансных труб 2 и длина трубы равна длине резонансных труб 2. Некоторые свойства резонатора Гельмгольца, необходимые для описания изобретения, приведены для резонатора с одной трубой. Для резонатора с несколькими трубами площадь перечного сечения трубы принимается равной сумме поперечного сечения всех труб резонатора.

Как известно, собственная частота резонатора Гельмгольца равна:

где - собственная резонансная частота, ,

- скорость звука, ,

- площадь поперечного сечения трубы, для нескольких труб сумма площадей поперечного сечения труб, ,

- объем камеры, ,

- длина каждой труб, .

В электротехнике свойства колебательного контура хорошо изучены, а свойства резонатора Гельмгольца подобны свойствам колебательного контура. Аналогом резонатора Гельмгольца является параллельный колебательный контур, показанный на Фиг. 6, где - идеальный генератор переменного тока, выходной ток которого не зависит от сопротивления на выходе генератора.

Камера имеет свойства акустической емкости, равной:

где - акустическая емкость, ,

- коэффициент адиабаты,

- среднее давление в камере, ,

- объем камеры, .

Труба имеет свойство акустической индуктивности, равной:

где - акустическая индуктивность, ,

- плотность газа в трубе, ,

- длина трубы, ,

- площадь поперечного сечения трубы, для нескольких труб сумма площадей поперечного сечения труб, .

Формула не учитывает сжимаемость газа и скорость звука. Сжимаемость газа в трубе приводит к тому, что ускорение расхода газа на входе в трубу увеличивается, что эквивалентно понижению фактической акустической индуктивности. При большой длине трубы скорости газа на входе и выходе отличаются, в начале трубы не вся масса газа в трубе влияет на ускорение расхода в начале трубы, поэтому фактическая акустическая индуктивность трубы ниже. При длине трубы, соизмеримой с длиной волны колебаний расхода газа в трубе, фаза колебаний расхода газа по длине трубы значительно отличается, поэтому эффективная акустическая индуктивность значительно отличается от расчетной, и такая труба может не образовывать резонатор Гельмгольца с присоединенной к ней камерой.

В резонансных трубах 2 устройства пульсирующего горения температура продуктов горения различна по длине трубы 2, а также в некоторых режимах работы устройства пульсирующего горения из продуктов горения в резонансных трубах 2 выпадает конденсат, поэтому плотность и расход продуктов сгорания по длине резонансных труб 2 различны. Для упрощения изложения будет предполагаться, что плотность и скорость продуктов горения в резонансной трубе 2 одинакова по всей длине резонансной трубы 2.

Сопротивление камеры резонатора Гельмгольца с акустической емкостью колебаниям с частотой равно:

где - сопротивление акустической емкости колебаниям с частотой , ,

- частота колебаний, Гц,

- акустическая емкость, .

Сопротивление трубы резонатора Гельмгольца с акустической индуктивностью колебаниям с частотой равно:

- сопротивление акустической индуктивности колебаниям с частотой , ,

- частота колебаний, Гц,

- акустическая индуктивность, .

Активное сопротивление R резонатора Гельмгольца, в отличие от электрического активного сопротивления, не постоянно. Известно, что при турбулентном движении потока газа через трубу, на концах трубы создается перепад давления равный:

где - перепад давления на концах трубы, Па,

- сумма аэродинамических коэффициентов сопротивления трубы: входа, выхода, по длине и местных, например, поворотов,

- плотность газа, ,

- площадь поперечного сечения трубы, ,

- расход газа, .

Активное сопротивление трубы равно:

где - активное сопротивление трубы, ,

- перепад давления на концах трубы, Па,

- расход газа, ,

- сумма аэродинамических коэффициентов сопротивления трубы: входа, выхода, по длине и местных, например, поворотов,

- плотность газа, ,

- площадь поперечного сечения трубы, .

Добротность резонатора Гельмгольца равна:

где - добротность резонатора Гельмгольца,

- сопротивление акустической индуктивности трубы колебаниям с резонансной частотой , ,

- активное сопротивление трубы, .

На резонансной частоте входное сопротивление резонатора Гельмгольца, как и параллельного колебательного контура, равно:

где - входное сопротивление резонатора Гельмгольца на резонансной частоте, ,

- добротность резонатора Гельмгольца,

- сопротивление акустической индуктивности трубы колебаниям с резонансной частотой , .

Амплитуда колебаний давления в камере на резонансной частоте равна:

где - амплитуда колебаний давления, Па,

- амплитуда колебаний расхода на входе в резонатор Гельмгольца, ,

- входное сопротивление резонатора Гельмгольца на резонансной частоте, .

Амплитуда колебаний расхода газа в трубе на резонансной частоте равна:

где - амплитуда колебаний расхода в трубе резонатора Гельмгольца, ,

- амплитуда колебаний расхода на входе в резонатор Гельмгольца, ,

- добротность резонатора Гельмгольца.

Амплитуда колебаний давления в камере Гельмгольца на произвольной частоте равна:

где - амплитуда колебаний давления в камере резонатора Гельмгольца на произвольной частоте, Па,

- амплитуда колебаний давления в камере резонатора Гельмгольца на резонансной частоте, Па,

- добротность резонатора Гельмгольца,

- резонансная частота, Гц,

- частота колебаний, Гц.

Амплитуда колебаний расхода газа в трубе резонатора Гельмгольца на произвольной частоте равна:

где - амплитуда колебаний расхода газа в трубе резонатора Гельмгольца на частоте , ,

- амплитуда колебаний давления в камере резонатора Гельмгольца на произвольной частоте, Па,

- активное сопротивление трубы, ,

- сопротивление акустической индуктивности трубы колебаниям с частотой , ,

- частота колебаний, Гц,

- акустическая индуктивность, .

На Фиг. 7 показано отношение амплитуды q₂ колебаний расхода газа в трубах резонатора Гельмгольца к амплитуде q₁ колебаний расхода газа на входе в резонатор Гельмгольца в зависимости от добротности резонатора Гельмгольца и отношения частоты колебаний расхода газа к собственной частоте резонатора Гельмгольца.

Принято оценивать отношение амплитуды колебаний расхода газа на входе к амплитуде расхода газа на выходе устройств в децибелах. Для этого используется формула:

где - отношение амплитуды колебаний расхода газа на входе к амплитуде колебаний расхода газа на выходе устройства в децибелах, дБ.

- амплитуда колебаний расхода газа на входе резонатора Гельмгольца, ,

- амплитуда колебаний расхода газа на выходе резонатора Гельмгольца, .

На Фиг. 8 показано выраженное в децибелах отношение K амплитуды колебаний расхода газа на входе в резонатор Гельмгольца к амплитуде колебаний расхода газа в трубах в зависимости от добротности резонатора Гельмгольца и отношения частоты колебаний расхода газа к собственной частоте резонатора Гельмгольца.

Из графиков видно, что есть полоса частот, где амплитуда колебаний расхода в трубах резонатора больше амплитуды колебаний расхода на входе в резонатор. При превышении частоты колебаний расхода газа в 1,3 - 1,4 раза собственной частоты резонатора Гельмгольца, амплитуда колебаний расхода газа в трубах резонатора Гельмгольца становится ниже амплитуды колебаний расхода на входе в резонатор.

На резонансной частоте амплитуда колебаний давления в камере резонатора Гельмгольца и амплитуда колебаний расхода в трубах резонатора Гельмгольца зависит от добротности. Для увеличения амплитуд резонансных колебаний давления в камере и расхода газа в трубах, следует повышать добротность. Добротность зависит от сопротивления труб резонатора Гельмгольца. Для повышения добротности должно понижаться сопротивление труб. Сопротивление трубы складывается из сопротивления входа, сопротивления выхода, сопротивления по длине и местных сопротивлений, таких как повороты труб, изменения проходного сечения труб, установка в трубах или на входе или выходе элементов конструкции, например сетчатый фильтр. Понизить сопротивления труб на входе и на выходе можно применением насадок, например, Борда и/или Вентури. В устройствах пульсирующего горения понижение сопротивления труб резонатора Гельмгольца позволяет, также, уменьшить требуемый перепад давления на отвод дымовых газов. Понизить сопротивление труб по длине можно, применив трубы с меньшей шероховатостью внутренних стенок. Кроме сопротивления труб, добротность понижается при падении давления газа в камере резонатора Гельмгольца из-за утечек газа.

Выход трубы резонатора Гельмгольца дымового канала должен быть выполнен в атмосферу или камеру, чтобы не было сопротивления колебаниям расхода газа в трубе. В противном случае, если к выходу трубы резонатора Гельмгольца дымового канала подключена длинная труба, то свойства резонатора дымового канала теряются.

Если камера имеет выход для потока газа в виде отверстия или щели, или трубы с длиной соизмеримой с ее диаметром, то такая камера является фильтром нижних частот. Для пояснения реализуемых технических решений воспользуемся свойствами фильтров нижних частот по аналогии с электротехникой, поскольку в электротехнике свойства фильтра нижних частот известны и изучены.

Фильтры нижних частот оказывают зависимое от частоты влияние на колебания расхода газа. Фильтры нижних частот имеют частоту среза. На колебания с частотой ниже частоты среза фильтры не оказывают влияния и уменьшают амплитуду колебаний расхода газа с частотами выше частоты среза. Частота среза фильтра нижних частот равна:

где - частота среза фильтра нижних частот, Гц,

- активное сопротивление на выходе камеры фильтра нижних частот, ,

- акустическая емкость камеры фильтра нижних частот, .

Высокий коэффициент полезного действия устройств пульсирующего горения является следствием пульсаций скорости (расхода) горячих дымовых газов в резонансных трубах 2. При пульсациях скорости турбулентность потока газа выше, чем при равномерном движении. Турбулентность дымовых газов перемешивает поток и увеличивает взаимодействие потока дымовых газов со стенками резонансных труб 2, которые являются частью теплообменного аппарата устройства пульсирующего горения. Поскольку в резонансных трубах 2 происходит передача большей части тепловой энергии, то наиболее перспективно повышение эффективности теплообмена в резонансных трубах 2.

Согласно настоящему изобретению, повышение коэффициента полезного действия устройств пульсирующего горения является результатом увеличения амплитуды колебаний расхода дымовых газов в резонансных трубах 2 при заданном отношении площади теплообмена к площади проходного сечения резонансных труб 2.

Для повышения амплитуды колебаний расхода дымовых газов в резонансных трубах 2 повышается амплитуда колебаний давления в камере 1 сгорания и повышается амплитуда колебаний давления на выходе резонансных труб 2 в противофазе колебаниям давления в камере 1 сгорания, то есть повышается амплитуда колебаний перепада давления между входом и выходом резонансных труб 2 устройства пульсирующего горения.

Для работы устройства колебаниям расхода дымовых газов в резонансных трубах 2 на выходе резонансных труб 2 не должно создаваться сопротивление. Для этого выход резонансных труб 2 должен быть выполнен либо в атмосферу, либо в дымовую камеру 5 резонатора 3 Гельмгольца напрямую, либо в дымовую камеру 5 через акустический фильтр нижних частот, состоящий из камеры 34 и трубы сопряжения 35 и имеющий частоту среза выше частоты пульсаций горения..

Амплитуда колебаний давления в камере 1 сгорания зависит от добротности резонатора, образованного камерой 1 сгорания и резонансными трубами 2, фазы начала горения относительно фазы давления в камере 1 сгорания и времени горения.

Добротность резонатора Гельмгольца, вычисляемая по уравнению 8, показывает относительные потери энергии колебаний резонатора за период колебаний:

где - добротность резонатора Гельмгольца,

- энергия колебаний резонатора в начале периода, ,

- потерянная энергия колебаний резонатором Гельмгольца за период, .

Амплитуда колебаний давления в камере 1 сгорания не будет изменяться, если при горении колебания получат прибавку энергии равную потерям энергии колебаний за период. В резонаторе, образованном камерой 1 сгорания и резонансными трубами 2, добротность всегда выше 1, иначе отсутствуют свойства резонатора, поэтому энергия колебаний выше прибавки энергии колебаний горением. Повышение добротности резонатора, образованного камерой 1 сгорания и резонансными трубами 2, приводит к повышению амплитуды колебаний давления в камере 1 сгорания и амплитуды колебаний расхода дымовых газов в резонансных трубах 2 и, следовательно, к повышению эффективности теплообмена устройства пульсирующего горения.

При колебаниях резонатора, образованного камерой 1 сгорания и резонансными трубами 2, кинетическая энергия скорости потока в резонансных трубах 2 переходит в потенциальную энергию давления в камере 1 сгорания и в дымовой камере 5 и обратно. Потеря энергии колебаний состоит из потери кинетической энергии на сопротивлении резонансных труб 2 и из потери потенциальной энергии давления в камере 1 сгорания и в дымовой камере 5. Потеря потенциальной энергии давления происходит при понижении повышенного, относительно среднего, давления из-за утечек дымового газа и при повышении пониженного, относительно среднего, давления из-за притока дымового газа.

Чем меньше утечки энергии колебаний давления из первой дымовой камеры 5, тем больше потенциальной энергии давления этой дымовой камеры 5 вернется в кинетическую энергию газа в резонансных трубах 2, тем меньше будут потери энергии колебаний рабочего резонатора устройства пульсирующего горения на утечки в направлении отвода дымовых газов.

Если дымовая камера 5 не имела бы выхода для отвода дымовых газов, то вся потенциальная энергия давления в ней переходила бы обратно в кинетическую энергию скорости потока в резонансных трубах 2. При этом колебания давления в дымовой камере 5 находились бы в противофазе к колебаниям давления в камере сгорания 1, а колебания давления в дымовой камере 5 описывались бы зависимостью:

где - амплитуда колебаний давления в дымовой камере 5, ,

- амплитуда колебаний давления в камере 1 сгорания, ,

- объем камеры 1 сгорания, ,

- объем полости дымовой камеры 5, .

Увеличение объема полости дымовой камеры 5 приводит к уменьшению давления в дымовой камере 5 относительно давления в камере 1 сгорания, что уменьшает долю потенциальной энергии давления в дымовой камере 5 в общей потенциальной энергии резонатора, что уменьшает возможные потери энергии колебаний резонатора из-за утечек давления дымовой камеры 5 в направлении отвода дымовых газов.

Наличие выхода в дымовой камере 5 создает утечки газа в направлении отвода дымовых газов и приводит к потерям потенциальной энергии давления в дымовой камере 5, что понижает добротность резонатора Гельмгольца, образованного камерой 1 сгорания и резонансными трубами 2. Количество утечек зависит от типа выхода дымовой камеры 5. Если выход из дымовой камеры 5 выполнен в виде отверстия или щели, то дымовая камера 5 является фильтром нижних частот дымового канала. Если на выходе дымовой камеры 5 установлена труба 7, то дымовая камера 5 с трубой 7 образуют первый резонатор Гельмгольца дымового канала.

На Фиг. 9 на выходе резонансных труб 2 показан образованный камерой 36 с отверстием 37 первый фильтр нижних частот дымового канала. Акустический фильтр нижних частот с большим активным и малым индуктивным сопротивлениями создает сопротивление колебаниям расхода примерно равное сопротивлению постоянному потоку. Для значительного снижения утечек давления в дымовой камере 36 в направлении отвода дымовых газов, активное сопротивление на выходе камеры 36 должно быть достаточно большим, что потребует большого перепада давления для отвода дымовых газов. Такое исполнение акустического фильтра нижних частот для запирания утечек значительно снижает достижимый уровень мощности устройства пульсирующего горения.

Если дымовая камера 36 соединена со следующей последовательно установленной дымовой камерой 38 через большое активное сопротивление в виде отверстия 37 или щели (на рисунке не показано), площадь поперечного сечения которого меньше суммарной площади поперечного сечения резонансных труб 2, то это снижает достижимый уровень мощности устройства пульсирующего горения. И напротив, когда дымовая камера 36 сопряжена со следующей последовательно установленной дымовой камерой 38 малым активным сопротивлением в виде отверстия 37 или щели (на рисунке не показано), площадь поперечного сечения которого больше суммарной площади поперечного сечения резонансных труб, то указанные две полости указанных двух дымовых камер 36 и 38 обладают свойством одной полости суммарного объема.

Наиболее эффективно снижение утечек давления из дымовой камеры в направлении отвода дымовых газов производится дымовой камерой 5 с дымовой трубой 7 на выходе, которые образуют первый резонатор 3 Гельмгольца дымового канала. Чем ниже собственная частота резонатора 3 Гельмгольца дымового канала, тем меньше утечек в виде колебаний расхода он пропускает.

К резонатору 3 Гельмгольца может подключаться индуктивное сопротивление - устройство, обладающее акустической индуктивностью, как показано на Фиг. 10-13. На входе дымовой камеры 5 резонатора 3 Гельмгольца показано устройство 39 снаружи камеры 5 и устройство 40 внутри камеры 5, которыми могут быть турбина, вентилятор или обратимое устройство, которое может работать как вентилятор и как турбина. На выходе дымовой камеры 5 резонатора 3 Гельмгольца показано устройство 41 снаружи камеры 5 и устройство 42 внутри камеры 5, которыми могут быть турбина, вентилятор или обратимое устройство, которое может работать как вентилятор и как турбина.

Турбина или обратимое устройство в режиме турбины, установленные на выходе дымовой камеры, обладает инертностью. Это увеличивает суммарную акустическую индуктивность трубы и турбины или обратимого устройства по сравнению с акустической индуктивностью трубы, что уменьшает утечки энергии рабочих колебаний. Для создания мощности на валу турбины или обратимого устройства требуется перепад давления, что приводит к повышению общего перепада давления на отвод дымовых газов. Установленный на выходе дымовой камеры 5, расположенной после резонансных труб 2 по потоку дымовых газов, вентилятор во время работы устройства пульсирующего горения может вращаться или не вращаться. Если вентилятор вращается, то акустическая индуктивность на выходе дымовой камеры 5 увеличивается, что приводит к снижению утечек энергии рабочих колебаний. Вне зависимости от вращения вентилятора потоку дымовых газов создается сопротивление, что приводит к повышению общего перепада давления для отвода дымовых газов.

Турбина или обратимое устройство в режиме турбины, установленное на входе в дымовую камеру 5, расположенную после резонансных труб 2 по потоку дымовых газов, обладают инертностью. Это увеличивает акустическую индуктивность резонансных труб 2, что приводит к снижению частоты рабочих колебаний. Момент инерции турбины или обратимого устройства должен быть низким, поскольку требуется возможность изменения с частотой рабочих колебаний скорости вращения турбины или обратимого устройства. На создание мощности на валу турбины или обратимого устройства тратится энергия рабочих колебаний.

Установленный на входе дымовой камеры 5, расположенной после резонансных труб 2 по потоку дымовых газов, вентилятор во время работы устройства пульсирующего горения может вращаться или не вращаться. Если вентилятор вращается, то акустическая индуктивность резонансных труб 2 увеличивается, что приводит к снижению рабочей частоты колебаний. Момент инерции вентилятора должен быть низким, поскольку требуется возможность изменения с частотой рабочих колебаний скорости вращения вентилятора. Если вентилятор не вращается, то потоку дымовых газов создается сопротивление, на преодоление которого тратится энергия рабочих колебаний.

Выход дымовой камеры 5 в виде длинной дымовой трубы 7 является предпочтительным для повышения КПД устройства пульсирующего горения. Эти дымовая камера 5 и дымовая труба 7 образуют резонатор 3 Гельмгольца, который имеет собственную резонансную частоту, которая ниже рабочей частоты резонатора Гельмгольца, образованного камерой 1 сгорания и резонансными трубами 2. При этом, чем больше отношение указанной частоты пульсаций горения к собственной частоте резонатора 3 Гельмгольца, образованного дымовой камерой 5 и дымовой трубой 7, тем выше запирание энергии колебаний устройства пульсирующего горения. При этом происходит наибольшее запирание энергии колебаний в устройстве пульсирующего горения и препятствование проникновению колебаний расхода дымовых газов в канал отвода дымовых газов, что понижает шум в канале отвода дымовых газов. Обычно понижение шума в газовых каналах приводит к понижению коэффициента полезного действия устройства из-за создания противодавления потоку газа, но в предложенном решении происходит повышение эффективности теплообмена устройства пульсирующего горения и, следовательно, повышение коэффициента полезного действия с одновременным понижением шума в канале отвода дымовых газов.

Если последовательно по потоку дымовых газов установлена еще одна дымовая камера 6 с трубой 8, которые также образуют резонатор 4 Гельмгольца, то утечки колебаний давления газа из первой дымовой камеры 5 будут создавать колебания давления во второй дымовой камере 6. Эти колебания давления во второй дымовой камере 6 будут являться противодавлением для утечек из первой дымовой камеры 5, что приведет к уменьшению утечек из первой дымовой камеры 5. Кроме того, труба 8 на выходе второй дымовой камеры 6 понизит уровень колебаний расхода дымовых газов, что понизит шум в канале отвода дымовых газов. В результате, применение второй дымовой камеры 6 с дымовой трубой 8, образующих второй резонатор 4 Гельмгольца дымового канала, а также применение последующих резонаторов Гельмгольца 43, 44 и 45, показанных на Фиг. 14, повысит КПД устройства и понизит шум в дымовом канале. Для достижения максимального эффекта в дымовом канале последовательно устанавливают несколько, предпочтительно от трех до пяти, резонаторов Гельмгольца, имеющих собственную резонансную частоту в 1,3-5 раз меньше частоты пульсаций горения. При отношении частот менее чем 1,3 раза резонаторы Гельмгольца не сильно уменьшают утечки энергии рабочих колебаний. С другой стороны, при отношении частот более 5 раз резонаторы Гельмгольца имеют значительные геометрические размеры, и замена одного такого резонатора двумя эффективнее уменьшает утечки энергии рабочих колебаний при меньших габаритах и материалоемкости.

Можно понизить потери утечек из дымовой камеры 5 или 6 резонатора Гельмгольца 3 или 4 (на Фиг. 1 указано для резонатора 3 Гельмгольца), если понизить амплитуду колебаний давления при сохранении объема дымовой камеры 5 или 6. Для этого можно подключить к дымовой камере 5 или 6 резонатор 46 Гельмгольца или четвертьволновый резонатор (на рисунке не указан), собственная частота которого равна частоте пульсаций горения. Резонатор 46 должен иметь высокую добротность. При высокой добротности резонатора 46 небольшое различие собственной частоты резонатора 46 и частоты пульсаций горения, фаза колебаний резонатора 46 значительно отличается от фазы колебаний устройства пульсирующего горения, что значительно понижает эффективность применения резонатора 46. Обычно устройство пульсирующего горения. работает в широком диапазоне температур теплоносителя, что приводит к значительному диапазону температур дымовых газов и скорости звука в дымовых газах. В этих условиях собственная частота резонатора 46 изменяется. Применение резонатора 46 для понижения амплитуды колебания давления в дымовой камере 5 или 6 ограниченно узкими применениями устройства пульсирующего горения, если в этих применениях температурный режим работы устройства пульсирующего горения одинаков большую часть времени эксплуатации. На Фиг. 1 показано подключение к дымовой камере 5 резонатора 46 Гельмгольца для уменьшения амплитуды колебаний давления в дымовой камере 5 для уменьшения утечек колебаний давления в дымовую трубу 7.

К резонатору 4 Гельмгольца и последующих по потоку резонаторов 43, 44, 45 Гельмгольца может подключаться индуктивное сопротивление - устройство, обладающее акустической индуктивностью, как показано на Фиг. 15-18. На входе дымовой камеры 6 резонатора Гельмгольца 4, показано устройство 47 снаружи камеры 6 и устройство 48 внутри камеры 6, которыми могут быть турбина, вентилятор или обратимое устройство, которое может работать как вентилятор и как турбина. На выходе дымовой камеры 6 резонатора Гельмгольца 4, показано устройство 49 снаружи камеры 6 и устройство 50 внутри камеры 6, которыми могут быть турбина, вентилятор или обратимое устройство, которое может работать как вентилятор и как турбина.

В некоторых случаях в дымовом канале или в канале подачи воздуха можно устанавливать элементы с активным сопротивлением, например, элементы в виде акустических фильтров нижних частот. Например, дополнительный теплообменник 33 типа газ-газ как указано на Фиг. 5, или, например, для исключения попадания мусора и нежелательных предметов можно установить фильтр 51 в виде сетки в любом месте дымового канала или в любом месте воздушного канала. На Фиг. 5 показан теплообменник 33, обдуваемый вентилятором 32, установленный в разрыв трубы 8 резонатора 4 дымового канала. Такой элемент может располагаться между дымовой камерой и дымовой трубой любого резонатора Гельмгольца. При этом не изменится акустическая индуктивность дымовой трубы, но увеличится сопротивление дымовой трубы. Собственная резонансная частота резонатора Гельмгольца не изменится, но увеличится общий перепад давления на отвод дымовых газов.

На Фиг. 1 представлено сопряжение нескольких резонансных труб 2 с дымовой камерой 5. В устройствах пульсирующего горения, имеющих несколько резонансных труб 2, в наиболее предпочтительном варианте реализации эти резонансные трубы 2 для сопряжения с дымовой камерой 5 объединены переходным элементом 34, соединенным с трубой 35 сопряжения, имеющей площадь поперечного сечения больше суммарной площади поперечного сечения резонансных труб 2. При этом переходный элемент 34 может представлять собой камеру небольшого объема, которая с указанной трубой 35 сопряжения образует акустический фильтр нижних частот с частотой среза выше частоты пульсаций горения. Поэтому резонансные трубы 2 и труба 35 сопряжения образуют единую акустическую индуктивность.

Для повышения КПД устройства пульсирующего горения повышением энергии колебаний необходимо снизить утечки в дымовой канал энергии колебания и оптимизировать фазу горения относительно колебаний давления в камере 1 сгорания. Если горение происходит во время повышенного давления в камере 1 сгорания, то горение увеличивает энергию колебаний, а если горение происходит при пониженном давлении в камере 1 сгорания, то горение уменьшает энергию колебаний. На Фиг. 19 показано увеличение, а на Фиг. 20 показано уменьшение энергии колебаний в зависимости от фазы горения, где линии 55 и 56 показывают изменение давления в камере 1 сгорания при горении в интервале времени T.

Поскольку подача предварительно приготовленной горючей смеси или раздельно воздуха и горючего газа в камеру 1 сгорания происходит за счет пониженного давления в камере 1 сгорания, то горение всегда начинается при пониженном давлении в камере 1 сгорания. При горении при пониженном давлении в камере 1 сгорания происходит повышение давления в камере 1 сгорания, что ограничивает возможную добротность резонатора, образованного камерой сгорания 1 и резонансными трубами 2, что ограничивает минимальное возможное давление в камере 1 сгорания и, следовательно, ограничивает амплитуду колебаний давления в камере 1 сгорания. На Фиг. 21 в момент времени начинается горение, линия 57 показывает возможную амплитуду без горения, а линия 58 показывает ограничение амплитуды колебаний давления в камере сгорания 1 горением.

Начало горения при пониженном давлении в камере 1 сгорания уменьшает энергию колебаний, поэтому время горения должно быть таким, чтобы горение заканчивалось при повышенном давлении в камере 1 сгорания и увеличение энергии колебаний при горении при повышенном давлении в камере 1 сгорания должно быть больше, чем уменьшение энергии колебаний при горении при пониженном давлении в камере 1 сгорания. Небольшое изменение фазы горения или времени горения приводит к значительному изменению энергии колебаний горением.

Если добротность резонатора Гельмгольца, образованного камерой сгорания 1 и резонансными трубами 2, не ограниченная началом горения, значительно выше, чем добротность этого резонатора, ограниченная началом горения, то возникает запас добротности. Этот запас добротности можно использовать для повышения эффективности теплообмена. При уменьшении объема полости дымовой камеры 5 увеличивается амплитуда колебаний давления в дымовой камере 5 и увеличиваются потери давления, но только до тех пор, пока остается запас добротности, это не приводит к уменьшению амплитуды колебаний давления в камере 1 сгорания. Повышение амплитуды колебаний давления в дымовой камере 5 при сохранении амплитуды колебаний давления в камере 1 сгорания приводит к повышению амплитуды скорости дымовых газов в резонансных трубах 2, что повышает эффективность теплообмена. Предпочтительно объем полости дымовой камеры 5 составляет от 1 до 5 объемов камеры 1 сгорания, длина дымовой трубы 7 на выходе дымовой камеры 5 равняется от 20 до 80 внутренних диаметров этой трубы 7, а поперечное сечение дымовой трубы 7 составляет от 1/4 до 3/4 суммы поперечных сечений резонансных труб 2.

Поскольку начало горения зависит от времени начала подачи горючего газа в камеру 1 сгорания, то для повышения амплитуды колебаний производится задержка подачи газа. Для задержки подачи горючего газа в камеру 1 сгорания повышается среднее давление в камере 1 сгорания относительно давления горючего газа при обратном клапане 10 горючего газа увеличением сопротивления дымового канала. Влияние среднего давления в камере 1 сгорания на амплитуду колебаний давления в камере 1 сгорания показано на Фиг. 22, где линия 59 показывает более высокое среднее давление в камере 1 сгорания по сравнению со средним давлением 60 в камере 1 сгорания, линия 61 показывает давление в камере 1 сгорания, при котором начинается подача горючего газа в камеру 1 сгорания, линия 62 показывает давление в камере 1 сгорания при начале горения, которое ограничивает амплитуду колебаний давления в камере 1 сгорания, амплитуда колебаний 63 при среднем давлении 60 ниже, чем амплитуда колебаний давления 64 при среднем давлении 59.

Повышение амплитуды колебаний давления производится при неизбежном повышении среднего давления в камере 1 сгорания. При повышении среднего давления в камере 1 сгорания затрудняется подача воздуха в камеру 1 сгорания, поскольку подача воздуха производится уменьшенным перепадом давления.

В воздушном канале (как показано на Фиг. 1 и Фиг. 2) для подачи воздуха в камеру 1 сгорания присутствуют сопротивления, такие как вентилятор 18 продувки, труба 12 подачи воздуха, обратный воздушный клапан 9, сетка-фильтр. При турбулентном потоке перепад давления на сопротивлении пропорционален квадрату расхода. Подача воздуха в камеру 1 сгорания производится по времени менее половины периода рабочих колебаний, поэтому расход подачи воздуха в камеру 1 сгорания более чем в два раза превышает средний расход воздуха, и требуется перепад давления более чем в четыре раза больше, чем при равномерном среднем расходе. Для обеспечения эффективной подачи требуемого количества воздуха обратный воздушный клапан 9 помещен в полость камеры 11 ограждения, к которой последовательно подключена труба 12 подачи воздуха с высокими инертными свойствами (высокой акустической индуктивностью). Эти камера 11 ограждения и труба 12 образуют резонатор 13 Гельмгольца воздушного канала, который имеет собственную резонансную частоту.

Движение воздуха в трубе 12 подачи воздуха при камере 11 ограждения клапана 9 продолжается во время всего периода рабочих колебаний, что создает повышенное давление в камере 11 ограждения ко времени очередного открытия обратного воздушного клапана 9 и начала поставки воздуха в камеру 1 сгорания, что значительно улучшает поставку воздуха в камеру 1 сгорания.

Для повышения стабилизации притока воздуха резонатором 13 Гельмгольца воздушного канала, собственная частота этого резонатора должна быть ниже частоты пульсаций горения, эта частота является одинаковой как для дымового газа, так и для подаваемых в камеру 1 сгорания воздуха, горючего газа или горючей смеси. Отношение частоты пульсаций горения к собственной частоте резонатора 13 Гельмгольца определяет степень стабилизации притока воздуха. Чем больше отношение частот, тем больше степень стабилизации притока воздуха. Для получения стабилизации притока воздуха до близкого к постоянному требуется очень низкая частота резонатора, что требует большого объема камеры 11 и большой длины трубы 12. При большой длине трубы 12 на инертные свойства трубы оказывают влияние сжимаемость газа и скорость звука, что приводит к снижению фактической инертности газа в трубе 12 относительно расчетной и повышению фактической частоты резонатора 13 относительно расчетной.

Поскольку невозможно получить требуемую стабилизацию притока воздуха одним резонатором, то в воздушном канале последовательно устанавливают несколько, предпочтительно от трех до пяти, резонаторов Гельмгольца, как указано на Фиг. 14.

В воздушном канале камера 11 резонатора 13 Гельмгольца, расположенного ближе всех к камере 1 сгорания, является камерой 11 ограждения обратного воздушного клапана 9, которая может быть выполнена из металла или армированного бетона. Желательно на внутренних (и/или на внешних) поверхностях камеры 11 ограждения установить звукопоглощающий материал 14 для подавления реверберации, возникающей вследствие многократного отражения ударной волны от внутренних поверхностей камеры 11 ограждения воздушного обратного клапана 9.

По результатам проведенных экспериментов, предпочтительно, объем камер резонаторов Гельмгольца в воздушном канале составляет от 0,5 до 5 объемов камеры сгорания, площадь поперечного сечения труб в воздушном канале составляет от 0,5 до 1,0 суммарного поперечного сечения резонансных труб 2, длина каждой трубы в воздушном канале составляет от 20 до 50 внутренних диаметров одной трубы, что соответствует коэффициенту отношения частоты рабочих колебаний расхода воздуха к собственной частоте резонатора от 1,3 до 5.

Для повышения эффективности устройства можно поместить трубы воздушного канала внутри труб дымового канала, как указано на Фиг. 14. Отводимые дымовые газы будут нагревать воздух, идущий на горение, температура отводимых дымовых газов будет понижаться, что уменьшит потери тепла с отводом дымовых газов и повысит коэффициент полезного действия устройства.

Значительное повышение амплитуды колебаний давления в камере 1 сгорания может потребовать значительного повышения среднего давления в камере 1 сгорания, что значительно усложнит поставку необходимого количества воздуха в камеру 1 сгорания. Сохранить разницу среднего давления в камере 1 сгорания и давления горючего газа при обратном клапане 10 и, при этом, понизить среднее давление в камере 1 сгорания можно понижением давления горючего газа. Для этого повышают сопротивление между обратным клапаном 10 горючего газа и каналом горючего газа и понижают сопротивление обратного клапана 10 горючего газа и канала между обратным клапаном 10 и камерой 1 сгорания.

При понижении давления горючего газа в камере 15 ограждения обратного клапана 10 горючего газа относительно среднего давления в камере 1 сгорания, подача горючего газа в камеру 1 сгорания происходит на малом участке пониженного давления в камере 1 сгорания, и небольшое отклонение амплитуды колебаний давления в камере 1 сгорания может привести к большому изменению порции горючего газа, поступившего в камеру 1 сгорания, что делает колебания давления в камере 1 сгорания склонными к нестабильности. Для повышения стабильности колебаний давления в камере 1 сгорания, а, следовательно, повышения возможной амплитуды стабильных колебаний давления в камере 1 сгорания между каналом горючего газа камерой 15 ограждения обратного клапана 10 горючего газа установлена труба 16 на Фиг. 2 с высокой акустической индуктивностью, например, труба длиной от 10 до 30 внутренних диаметров, и объем полости камеры 15 ограждения выбирается, например, от 0,05 до 0,5 объемов камеры сгорания 1, чтобы изменение порции горючего газа, поступившего в камеру 1 сгорания, приводило к заметному изменению давления в камере 15 ограждения. Это делает приток горючего газа в камеру 15 ограждения близким к постоянному. Объем порции горючего газа, поступившего в камеру 1 сгорания на следующем периоде колебаний давления в камере 1 сгорания давление в камере 15 ограждения изменится, что будет компенсировать изменение объема очередной порции газа изменением амплитуды давления в камере 1 сгорания. Стабилизация притока горючего газа в камеру 15 ограждения обратного клапана 10 уменьшает шум, который создают пульсации расхода в канале горючего газа. Для создания значительного понижения давления горючего газа в камере 15 ограждения требуется значительное сопротивление трубы 16, что понижает влияние акустической индуктивности на поток горючего газа. Повышает эффект стабилизации замена одной камеры с трубой на несколько последовательно расположенных камер с трубами между обратным клапаном 10 горючего газа и каналом горючего газа. Стабилизация порции горючего газа, поступающего в камеру 1 сгорания за период, позволяет повысить амплитуду стабильных колебаний давления в камере 1 сгорания.

Кроме того, на повышение амплитуды давления в камере 1 сгорания в процессе горения влияет качество перемешивания топливно-воздушной смеси.

На Фиг. 23-25 показан узел формирования горючей смеси с перегородкой для создания турбулентности при раздельной подаче воздуха и горючего газа в камеру 1 сгорания через торцевую стенку 68 камеры 1 сгорания. Обратный воздушный клапан 9 и обратный клапан 10 горючего газа соединены с камерой сгорания посредством соответственно первого 69 и второго 70 патрубков. Ось первого патрубка 69 расположена под углом к торцевой стенке 68 камеры 1 сгорания с наклоном в сторону второго патрубка 70. Второй патрубок 70 соединен с камерой 1 сгорания посредством отверстий 71 и/или щелей. На выходе первого патрубка 69 расположена перегородка 72, отделяющая выход первого патрубка 69 от выхода второго патрубка 70.

Воздух от обратного воздушного клапана 9 по каналу первого патрубка 69 поступает в камеру 1 сгорания близко к торцевой стенке 68 камеры 1 сгорания. Находящаяся на пути потока воздуха плохо обтекаемая перегородка 72 создает турбулентность воздушного потока. Горючий газ от обратного клапана 10 по каналу второго патрубка 70 поступает в камеру 1 сгорания через отверстия 71, где смешивается с воздухом. Расстояние между входом воздуха и входом газа в камеру 1 сгорания и близость торцевой стенки 68 камеры 1 сгорания создает задержку образования горючей смеси, чем задерживается начало горения. Турбулентность потока воздуха делает перемешивание газа и воздуха таким, что обеспечивается достаточное время горения для поддержания высокой амплитуды колебаний и полное сгорание горючего газа с низким содержанием вредных выбросов.

На Фиг. 26-28 показан узел формирования горючей смеси с направляющим элементом при раздельной подаче воздуха и горючего газа в камеру 1 сгорания через торцевую стенку 68 камеры 1 сгорания. Обратный воздушный клапан 9 соединен с камерой 1 сгорания посредством третьего патрубка 73, на выходе которого в камере 1 сгорания расположен направляющий элемент 74, выполненный с возможностью направления потока воздуха вдоль стенки 68 камеры 1 сгорания. Обратный клапан 10 горючего газа соединен с камерой 1 сгорания посредством четвертого патрубка 75, который соединен с камерой 1 сгорания посредством отверстий 76 и/или щелей, расположенных по ходу воздуха, поступающего от направляющего элемента 74.

Воздух от обратного воздушного клапана 9 по каналу третьего патрубка 73 поступает в камеру 1 сгорания. Направляющий элемент 74 создает турбулентность воздушного потока и поворачивает воздушный поток в направлении вдоль торцевой стенки 68 камеры 1 сгорания. Горючий газ от обратного клапана 10 по каналу четвертого патрубка 75 поступает в камеру 1 сгорания через отверстия 76, где смешивается с воздухом. Расстояние между входом воздуха и входом газа в камеру 1 сгорания и близость торцевой стенки 68 камеры 1 сгорания создает задержку образования горючей смеси, чем задерживается начало горения. Турбулентность потока воздуха делает перемешивание газа и воздуха таким, что обеспечивается достаточное время горения для поддержания высокой амплитуды колебаний и полное сгорание горючего газа с низким содержанием вредных выбросов.

На Фиг. 29-31 показан узел формирования горючей смеси с лопастями при раздельной подаче воздуха и горючего газа в камеру 1 сгорания через торцевую стенку 68 камеры 1 сгорания. Обратный воздушный клапан 9 соединен с камерой 1 сгорания посредством пятого патрубка 77, в котором на выходе в камеру 1 сгорания установлена, по меньшей мере одна, лопасть 78, частично перекрывающая канал пятого патрубка 77. Пятый патрубок 77 охвачен кольцевой камерой 79 горючего газа, сообщенной с камерой 1 сгорания посредством кольцевой щели 80 и соединенной с обратным клапаном 10 горючего газа. На выходе кольцевой щели 80 установлен направляющий элемент 81, направляющий горючий газ к выходу пятого патрубка 77 против потока воздуха.

Воздух от обратного воздушного клапана 9 по каналу пятого патрубка 77 поступает в камеру 1 сгорания. Лопасти 78 создают турбулентность воздушного потока и придают большей части воздушного потока вращательное движение близко к торцевой стенке 68 камеры 1 сгорания. Горючий газ от обратного клапана 10 по каналу патрубка 82 поступает в камеру 1 сгорания через кольцевую щель 80, где смешивается с воздухом. Расстояние между входом воздуха и входом газа в камеру 1 сгорания и близость торцевой стенки 68 камеры 1 сгорания создает задержку образования горючей смеси, чем задерживается начало горения. Также для задержки начала горения устанавливается направляющий элемент 81. Турбулентность потока воздуха делает перемешивание газа и воздуха таким, что обеспечивается достаточное время горения для поддержания высокой амплитуды колебаний и полное сгорание горючего газа с низким содержанием вредных выбросов.

На Фиг. 32 и 33 показан узел формирования горючей смеси с лопастями при раздельной подаче воздуха и горючего газа в камеру 1 сгорания через торцевую стенку 68 камеры 1 сгорания. Горючий газ и воздух могут подаваться в камеру сгорания через один или несколько обратных клапанов. Например, на Фиг. 32 и 33 показан узел формирования горючей смеси при раздельной подаче воздуха и горючего газа в камеру сгорания, при котором горючий газ в камеру сгорания поступает через четыре обратных клапана, воздух также поступает через четыре обратных клапана. Обратные воздушные клапаны 9 соединены с камерой 1 сгорания посредством шестого патрубка 83, в котором на выходе в камеру 1 сгорания установлены четыре лопасти 84, 85, 86 87, частично перекрывающие канал седьмого патрубка 83. К шестому патрубку 83 примыкают четыре переходных камеры 88, 89, 90, 91 малого объема, сообщенные с камерой 1 сгорания посредством щелей 92, 93, 94, 95 и соединенные с обратными клапанами 96, 97, 98, 99 горючего газа, установленными в камере ограждения 100. На выходе щелей 92, 93, 94, 95 установлены направляющие элементы 101, 102, 103, 104, направляющие горючий газ к выходу патрубка 82 против потока воздуха.

Воздух от обратных воздушных клапанов 9 по каналу шестого патрубка 83 поступает в камеру 1 сгорания. Лопасти 84, 85, 86 87 создают турбулентность воздушного потока и придают большей части воздушного потока вращательное движение близко к торцевой стенке 68 камеры 1 сгорания. Горючий газ из камеры ограждения 100 через обратные клапаны 96, 97, 98, 99 по переходным камерам 88, 89, 90, 91 поступает в камеру 1 сгорания через щели 92, 93, 94, 95, где смешивается с воздухом. Расстояние между входом воздуха и входом газа в камеру 1 сгорания и близость торцевой стенки 68 камеры 1 сгорания создает задержку образования горючей смеси, чем задерживается начало горения. Также для задержки начала горения устанавливаются направляющие элементы 101, 102, 103, 104. Турбулентность потока воздуха делает перемешивание газа и воздуха таким, что обеспечивается достаточное время горения для поддержания высокой амплитуды колебаний и полное сгорание горючего газа с низким содержанием вредных выбросов.

Узлы формирования горючей смеси, представленные на Фиг. 23-33, позволяют реализовать предложенное повышение КПД устройства пульсирующего горения. Для этого в узлах формирования горючей смеси обратные клапаны газовых сред должны обеспечивать высокую герметичность в закрытом состоянии. Предпочтительно применять механические обратные клапаны газовых сред. Высокую герметичность механических обратных клапанов в закрытом состоянии обеспечивают мембраны малого диаметра до 100 мм с шириной от 5 мм до 15 мм и диаметром проходных отверстий в пластине обратного клапана не более половины ширины мембраны. На Фиг. 34 показана пластина 105 обратного клапана газовой среды с проходными отверстиями 106 и место 107 прилегания мембран.

Работа устройств пульсирующего горения сопровождается колебаниями расхода газа. Колебания расхода газа являются источником шума. Кроме того, при работе устройств пульсирующего горения обратными клапанами газовых сред образуется крутой фронт изменения скорости и давления газового потока, который по своим свойствам похож на ударную волну. Далее для этого явления используется формулировка ударная волна. Ударная волна является источником шума и вибрации высокой интенсивности. Таким образом, кроме шума от колебаний расхода газа при работе устройства пульсирующего горения создается дополнительный шум и вибрация от ударной волны.

Ударная волна создается обратным клапаном. При закрытии механического обратного клапана производится перемещение мембран из положения открытого состояния клапана в положение закрытого состояния клапана обратным потоком газа. В момент достижения мембранами положения закрытого состояния клапана поток газа быстро, практически мгновенно, останавливается, что создает ударную волну в газе, подобно образованию гидроудара при закрытии обратного гидравлического клапана. При этом на одной стороне обратного механического клапана происходит скачок повышения давления, а на другой стороне клапана происходит скачок понижения давления. Клапан испытывает воздействие, подобное удару твердым предметом, а в газовой среде в обе стороны от обратного клапана распространяется ударная волна, которая является источником шума и вибрации высокой интенсивности.

Ударная волна обладает большой энергией, длится короткое время и имеет короткий фронт. На каждом рабочем периоде колебаний расхода газа образуется ударная волна. Время формирования ударной волны и ее переходных процессов многократно меньше рабочего периода колебаний расхода газа. Поэтому каждая отдельная ударная волна ведет себя как одиночное воздействие.

Для снижения влияния ударной волны на входе и/или выходе обратного воздушного клапана 9 может быть установлен гаситель ударной волны (Фиг. 2). Гасители ударной волны могут представлять собой акустические фильтры 108 нижних частот, включающие малые камеры 109, имеющие не соосные входы и выходы и соединенные последовательно отверстиями 110, и/или щелями или гасители ударной волны представляют собой резонаторы Гельмгольца 111, включающий малые камеры 112, имеющие не соосные входы и выходы и соединенные последовательно трубами 113, имеющими диаметр соизмеримый с длиной. При этом акустический фильтр 108 нижних частот подбирается с частотой среза выше частоты пульсаций горения, а также собственная частота указанного резонатора Гельмгольца 111 подбирается выше частоты пульсаций горения. Кроме того, гаситель ударной волны может быть выполнен в виде изогнутого участка трубы 114, образующего поворот канала, или сплошного листа 115, установленного с зазором относительно стенок канала, или перфорированного листа 116, или листа металловойлока 117, установленного на пути распространения ударной волны.

Обратный клапан воздуха 9 с гасителями ударной волны в виде акустических фильтров 108 нижних частот или с гасителями ударной волны в виде резонаторов Гельмгольца 86 устанавливается на камеру 1 сгорания с применением виброизоляции 118.

На входе и/или выходе обратного клапана 10 горючего газа также может быть установлены гасители ударной волны в виде акустических фильтров 119 нижних частот, представляющего собой малые камеры 120, аналогичные камерам акустического фильтра 108, имеющие несоосные входы и выходы и соединенные отверстиями 121, и/или щелями, или гасителями ударной волны в виде резонаторов Гельмгольца 122, включающий малые камеры 123, имеющие не соосные входы и выходы и соединенные последовательно трубами 124, имеющими диаметр соизмеримый с длиной. Обратный клапан 10 горючего газа с акустическими фильтрами 119 нижних частот или резонаторами Гельмгольца 122 устанавливается на камеру 1 сгорания с применением виброизолятора 125. При высоком коэффициенте виброизоляции, конструкция обратного клапана 9, 10 с установленными акустическим фильтрами 108, 119 нижних частот или резонаторов Гельмгольца 111, 122 может потребовать дополнительных мер для фиксации в необходимом положении в пространстве, например, установка дополнительных упругих элементов 126, 127.

В результате проведенных экспериментов были исследованы различные виды глушителей, например, камера с трубой, углубленной в полость этой камеры. Углубленная часть трубы имела отверстия на цилиндрической части, суммарным сечением не менее поперечного сечения трубы, причем испытывались варианты с открытым и заглушенным концом трубы. Такие глушители меньше запирают утечки, создают большее противодавление отводу дымовых газов. Испытывался другой тип глушителей в виде нескольких последовательных камер разного объема с единой проходной сплошной трубой, имеющей отверстия на цилиндрической поверхности, причем отверстия сгруппированы отдельно в каждой камере.

Кроме того, испытывался тип глушителей, представленный на Фиг. 35, в котором резонатор Гельмгольца 128 имеет два направления 129, 130 выхода потока дымовых газов, один из которых поступает в следующий по потоку резонатор 131 Гельмгольца, а другой в обход следующего по потоку резонатора Гельмгольца 131 в третий по потоку резонатор 132 Гельмгольца. Резонатор Гельмгольца, образованный камерой 133 и трубой 134, имеет выход потока дымовых газов в камеру 135 и через отверстия 136 выход части потока дымовых газов в камеру 137, при этом основной поток дымовых газов поступает в камеру 135 из камеры 133 по трубе 134. Перечисленные типы глушителей показали меньшую эффективность по сравнению с последовательно расположенными резонаторами Гельмгольца.

Для повышения КПД теплообмена и снижения уровня шума, уровня вибраций камера сгорания, резонансные трубы, резонаторы Гельмгольца воздушного, дымового каналов могут располагаться в сосуде с теплоносителем. При этом резонаторы воздушного, дымового каналов могут быть выполнены в виде отдельных элементов или могут быть выполнены в едином корпусе, как один элемент с множеством резонаторов.

Для устройства пульсирующего горения мощностью 32 кВт в результате эксперимента были установлены следующие оптимальные величины. К камере 1 сгорания подключены резонансные трубы 2 количеством 16 штук (Фиг. 1). Резонансные трубы 2 подключены к малой переходной камере 34 в виде усеченного конуса с диаметром основания 115 мм, диаметром вершины 32 мм, высотой 30 мм. Переходная камера 34 соединена с первой дымовой камерой 5 трубой 35 внутренним диаметром 32 мм, длиной 30 мм. Фактическая частота пульсаций горения устройства пульсирующего горения составляет 60 Гц. Первая дымовая камера 5 с первой дымовой трубой 7 образуют первый резонатор 3 Гельмгольца дымового канала с собственной резонансной частотой 13 Гц. К первому резонатору 3 Гельмгольца дымового канала последовательно подключены четыре резонатора Гельмгольца с собственными резонансными частотами от 20 Гц до 27 Гц.

На входе и выходе обратного воздушного клапана 9 установлено по пять акустических фильтров 108 нижних частот (Фиг. 2), выполненные в виде последовательно соединенных малых камер 84, каждая из которых имеет внутренний диаметр 125 мм, высоту 15 мм, каждая из которых имеет торцовые стенки с несоосными отверстиями 110 входов и выходов. При этом площадь сечений отверстий в каждой отдельной из указанных торцевых стенок равна 1962,5 мм². Обратный воздушный клапан 9 с установленными акустическими фильтрами нижних частот 108 прикреплен к входу в камеру 1 сгорания с применением виброизолятора 118, и в свою очередь камера 11 первого резонатора 13 Гельмгольца воздушного канала является камерой 11 ограждения обратного воздушного клапана 9 с установленными на нем акустическими фильтрами нижних частот 108. Внутренние стенки камеры 11 ограждения воздушного клапана 9 покрыты звукопоглощающим материалом 14. К первой воздушной камере 11 присоединена первая воздушная труба 12, вместе они образую резонатор 13 Гельмгольца с собственной частотой 40 Гц. К первому резонатору 13 Гельмгольца воздушного канала последовательно подключены четыре резонатора Гельмгольца с собственными частотами от 25 Гц до 27 Гц. Внутри воздушной камеры пятого резонатора воздушного канала размещен вентилятор 18. Обратный клапан 10 горючего газа установлен с акустическими фильтрами 119 нижних частот, по аналогии с воздушным клапаном. Каждый акустический фильтр 119 нижних частот состоит из камеры 95 внутренним диаметром 26 мм, высотой 7 мм, каждая камера 95 имеет торцовые стенки с несоосными отверстиями 96 входов и выходов. При этом площадь сечений отверстий 121 в каждой отдельной из указанных торцевых стенок равна 8 мм². Обратный клапан 10 горючего газа с установленными акустическими фильтрами 94 нижних частот прикреплен к входу в камеру 1 сгорания с применением виброизолятора 125. Обратный клапан 10 горючего газа с установленными на нем акустическими фильтрами 119 нижних частот помещен в камеру 15 ограждения. К указанной камере ограждения 15 подсоединена газовая труба 16 внутренним диаметром 8 мм, длиной 500 мм. Трубы резонаторов воздушного канала размещены внутри труб резонаторов дымового канала.

Данная конструкция при мощности 32 кВт, обеспечивает следующие уровни выбросов вредных веществ: угарный газ СО не более 60 ppm, окислы азота NOx не более 18 ppm. Уровень шума, измеренный в условиях отсутствия реверберации, на расстоянии 1 м составил 44,3 дБА.

В таблице представлены данные испытаний для устройства пульсирующего горения мощностью 32 кВт, при температуре теплоносителя на входе 40 ^оС и температуре воздуха на входе 18 ^оС. В воздушном канале установлено два резонатора Гельмгольца. В дымовом канале установлено два резонатора Гельмгольца с одинаковой собственной резонансной частотой. Трубы резонаторов воздушного канала помещены внутрь труб резонаторов дымового канала. Снятие показаний производилось после стабилизации температурного режима.

Таблица

Собственная резонансная частота резонаторов Гельмгольца Отношение частоты рабочих колебаний расхода дымовых газов к собственной резонансной частоте резонатора Гельмгольца Температура дымовых газов Без резонаторов 48,9°С 45 Гц 1,33 48,7°С 35 Гц 1,71 48,0°С 30 Гц 2,0 47,5°С 28 Гц 2,15 47,1°С 27 Гц 2,22 46,8°С 20 Гц 3,0 45,5°С 12 Гц 5, 0 45,7°С 10 Гц 6, 0 45,2°С

Из представленных в таблице данных видно, что при понижении собственной частоты резонаторов Гельмгольца снижается температура дымовых газов, то есть происходит повышение КПД устройства пульсирующего горения.

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в системах отопления, в частности в водонагревателях или бойлерах; в системах утилизации, работающих на сжигании попутного газа. Устройство пульсирующего горения содержит камеру сгорания, соединенный с ней узел подачи воздуха и горючего газа и соединенный с ней дымовой канал, включающий по меньшей мере одну соединенную с камерой сгорания резонансную трубу и последовательно расположенные после по меньшей мере одной резонансной трубы по меньшей мере два резонатора Гельмгольца, каждый из которых образован дымовой камерой и расположенной после нее дымовой трубой, при этом собственная резонансная частота каждого из резонаторов Гельмгольца ниже частоты пульсаций горения. При наличии по меньшей мере трёх резонаторов Гельмгольца по меньшей мере один резонатор Гельмгольца посредством второй дымовой трубы в обход следующего по потоку дымового газа другого резонатора Гельмгольца соединен с дымовой камерой третьего по потоку дымового газа резонатора Гельмгольца. Изобретение позволяет повысить КПД устройства пульсирующего горения с одновременным снижением уровня шума. 11 з.п. ф-лы, 35 ил.

1. Устройство пульсирующего горения, содержащее камеру сгорания, соединенный с ней узел подачи воздуха и горючего газа и соединенный с ней дымовой канал, включающий по меньшей мере одну соединенную с камерой сгорания резонансную трубу и последовательно расположенные после по меньшей мере одной резонансной трубы по меньшей мере два резонатора Гельмгольца, каждый из которых образован дымовой камерой и расположенной после нее дымовой трубой, при этом собственная резонансная частота каждого из резонаторов Гельмгольца ниже частоты пульсаций горения.

2. Устройство по п. 1, в котором при наличии по меньшей мере трёх резонаторов Гельмгольца по меньшей мере один резонатор Гельмгольца посредством второй дымовой трубы в обход следующего по потоку дымового газа другого резонатора Гельмгольца соединен с дымовой камерой третьего по потоку дымового газа резонатора Гельмгольца.

3. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере одна резонансная труба соединена с первым резонатором Гельмгольца через акустический фильтр нижних частот, имеющий частоту среза выше частоты пульсаций горения.

4. Устройство по п. 1, в котором в дымовом канале выше или ниже по потоку относительно дымовой камеры по меньшей мере одного резонатора Гельмгольца установлен элемент с активным сопротивлением и/или индуктивным сопротивлением потоку газа.

5. Устройство по п. 4, в котором элемент с индуктивным сопротивлением представляет собой турбину, или вентилятор, или обратимое устройство, которое может работать как вентилятор и как турбина.

6. Устройство по п. 1, в котором узел подачи воздуха и горючего газа включает по меньшей мере один обратный клапан.

7. Устройство по п. 6, в котором узел формирования горючей смеси включает по меньшей мере один обратный воздушный клапан, соединенный с воздушным каналом, и по меньшей мере один обратный клапан горючего газа, соединенный с каналом горючего газа.

8. Устройство по п. 7, в котором воздушный канал включает по меньшей мере одну камеру ограждения, внутри которой расположен по меньшей мере один обратный воздушный клапан, и соединенную с камерой ограждения трубу подачи воздуха, которые образуют первый резонатор Гельмгольца воздушного канала.

9. Устройство по п. 7, в котором стенки камеры ограждения по меньшей мере одного обратного воздушного клапана покрыты с внутренней стороны и/или с внешней стороны звукопоглощающим материалом.

10. Устройство по п. 8, в котором воздушный канал включает дополнительно последовательно подсоединенный по меньшей мере один резонатор Гельмгольца, имеющий собственную резонансную частоту ниже частоты пульсаций горения.

11. Устройство по п. 10, в котором трубы резонаторов Гельмгольца воздушного канала расположены внутри труб резонаторов Гельмгольца дымового канала.

12. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что резонаторы Гельмгольца дымового и воздушного каналов размещены в одном корпусе.