Способ получения газовоздушных топливных смесей в смесительных камерах

 

Использование: в области волновых технологий смешения физических смесей газообразного топлива с воздухом для их эффективного сжигания в технологических целях производства тепла. Сущность изобретения: способ используют кинетическую энергию потоков газов и медленно действующую естественную молекулярную диффузию газов, интенсифицированную высокочастотной механической вибрацией частиц на уровне молекул газов, резонанса ударных волн потоков, искусственно созданного дозированным подогревом воздуха и внутрикамерным давлением, рвущей старые молекулярные связи и создающей условия для образования новых молекулярных связей топлива-окислителя.

Изобретение относится к области технологий смешения физических смесей газообразного топлива с воздухом для их сжигания в технологических целях в нефтеперерабатывающей, нефтехимической промышленности, энергетике, металлургии.

Известен способ диффузионно-кинетического смешения газовоздушных топливных смесей (Газогорелочные устройства. Ю.В.Иванов. М: Недра, 1972, глава 1, стр. 6-7-8-9), использующий медленно действующую молекулярную диффузию газов, ограниченную временем и площадью контакта газов, и технические мероприятия, интенсифицирующие процесс диффузии во времени и увеличивающие площадь контакта, к которым относятся закручивание потока с помощью поворотных лопаток, завихривание-изменение угла атаки потоков; турбулизация потоков с помощью лопастей вентиляторов и дробление потоков на мелкие струи, применяемый при разработке и конструировании диффузных, атмосферных, эжекционных горелок и горелок с принудительной подачей воздуха и газа. Способ использует кинетическую энергию удара потоков газов, значительная часть которой расходуется на организацию технических мероприятий интенсификации диффузии.

Способ имеет недостатки: энергетическая база способа, использующая энергию удара потоков газов, производную массы объемов газов и скорости потоков, в связи с тем, что масса объема газа незначительна слаба, и расходуемая в определенной степени на организацию технических мероприятий интенсификации диффузии снижает возможности горелок на преодоление сопротивления газовоздушного тракта, противодавления топки и организации факела пламени. Примитивный способ смешения в прямоточных, дутьевых камерах при значительных скоростях движения не дает качественного, на уровне молекул топлива и окислителя, смешения; дисперсность смеси не выше мелких частиц, но любая мелкая частица в неизмеримое количество раз больше молекулы. Струнная, тем более мелкоструйная структура потока недолговечна, звуковая волна потока, пройдя газовпускные отверстия как дифракцию (препятствие), неизбежно смыкает поток в единое целое. Примитивный струйный способ смешения и технические мероприятия по интенсификации диффузии газов определяют макроуровень процесса, его низкий технический уровень. Смешение на уровне молекул топлива и окислителя требует технических мероприятий того же молекулярного уровня. Предварительный подогрев воздуха не имеет достаточной базы, и его бессистемное применение в способе в технологических и теплотехнических целях, как и полное неприменение, наносит ущерб процессу смешения и эффективного горения в связи с тем, что температурное воздействие и воздействие давлением на процесс смешения находятся на одном молекулярном уровне и по силе воздействия превосходят влияние технических мероприятий кинетического характера. Предварительный необоснованный подогрев природного газа исключается в связи с тем, что температурное воздействие на газообразное топливо меняет параметры волн потоков, их волновые взаимосвязи и условия слияния струй потоков, ухудшая параметры эффективного смешения. Чрезмерный и бессистемный прогрев теплонеустойчивых природных газов без доступа воздуха сдвигает стартовые параметры воспламенения смеси, создавая условия для проскока пламени в камеру смешения и ставит газ на грань разложения с выделением сажи. Процесс смешения газов должен быть кратковременным, так как прогрев холодного топлива теплом подогревного воздуха должен быть минимальным в связи с тем, что молекулы метана и водорода при подогреве меняют свои волновые параметры и в активный контакт с молекулой кислорода не вступают, в виду чего камеры смешения и трубопроводы смеси должны быть минимальной длины, чего не может обеспечить способ струйного смешения, использующий медленно протекающую диффузию газов, интенсифицируемую мероприятиями кинетического характера по пути следования потока смеси, и реализованный в дутьевых камерах современных эжекционных и принудительной подачи воздуха и газа, горелках.

Целью заявленного способа является создание условий для производства тонкодисперсных, на молекулярном уровне, химически активных, при горении, воздушно-газовых топливных смесей, для их сжигания, в одноструктурном, с единой волной и подавленной струйностью потока топлива и кислорода, единообразным по содержанию газа и воздуха в единице объема и, на основе этого, увеличения скорости горения смеси и температуры пламени при полном выгорании топлива.

Указанная цель достигается тем, что кинетическое взаимодействие потоков газов, разных по физическим параметрам, выраженное в соударении потоков под разными углами атаки, закручивании, завихривании, турбулизации совместно с естественной диффузией газов, логически переходит в волновую взаимосвязь потоков, внешним температурным воздействием и внутрикамерным давлением, компоненты смеси в потоках, разных по физическим волновым параметрам, вводятся в кратные, волновые резонансные взаимоотношения; поток метана (для природного газа) и поток кислорода создают единую синусоидную волну единого потока; волновые границы потоков и струй в потоках исчезают, струи смешиваются, высокочастотная механическая вибрация, возникающая в результате острого резонанса рабочих волн по метану и кислороду в камере волнового смешения, рвет слабые молекулярные связи в потоке природного газа и потока воздуха, в результате чего создаются условия для новых молекулярных связей по метану-кислороду по временному родственному признаку. Эти временные связи создаются в особых условиях температуры и давления; в иных условиях - недолговечны и требуют коротких путей транспортирования и стабилизации режима по температуре и давлению по пути следования. В потоке сжатого воздуха действует основная продольная, звуковой частоты пневматическая волна, длиною где с₂ скорость звуковой волны в кислороде воздуха (0^oC;101325 Па); f₂ частота периодов волны, задаваемая пневматической турбиной.

При соударении воздушного и газового потоков возбуждается волна газового потока где C₄ скорость звуковой волны в метане природного газа (0^oC;101325 Па) Полное слияние потоков, разных по физическим, прежде всего волновым параметрам, возможно при совмещении волновых параметров потоков (1:1) согласно общеволновому закону кратностей в единую периодическую синусоидную волну потока.

Условие совмещения и резонанса основных волн λ₂:λ₄=1/8:1/4:1/2:1:2:3 и т.д.

или C₂/f₂ C₄/f₂, или C₂ C₄ (кратная 1) Для кислорода воздуха при C₂ 316 м/сек (0^oC;101325 Па) и метана природного газа при C₄ 430 м/сек (0^oC;101325 Па) условие резонанса волн при (0^oC; 101325 Па) не выполняется.

Скорости звуковой волны в газах являются физическими постоянными (при определенных условиях) величинами и изменяются при изменении условий среды обитания. К условиям среды обитания волн относятся температура среды, давление среды и влажность среды.

Имея целью способа слияние струй окислителя и топлива и эффективное на молекулярном уровне смешение потоков, расчет способа ведется по кислороду воздуха и метану природного газа под кратную (1:1).

Для сухого природного газа и подогревного воздуха поправка на влажность в практический расчет не вводится, в связи с чем формула волнового равновесного совмещения (слияния) потоков может быть универсально записана:
C₂±K_p·Р±K_T·t C₄± K'_p·Р'±K'_Т·t',
где C₂ скорость звуковой волны в кислороде воздуха (0^oC; 101325 Па);
С₄ скорость звуковой волны в газообразном топливе (0^oC;101325 Па);
K_p; K'_p коэффициенты изменения скорости волны на единицу давления для кислорода воздуха и газообразного топлива;
P; P'- количество единиц избыточного (+) давления или (-) разрежения;
K_Т; K'_Т коэффициенты изменения скорости волны на единицу температуры для кислорода воздуха и газообразного топлива;
t; t'- температура газов, подлежащих смешению (+)(-);
Для проточных (дутьевых) и автономных низкого давления волновых камер смешения формула волнового равновесия
C₂+K_Т·t C₄+K'_Т·t',
для автономных волновых камер низкого давления с активной струей воздушного потока, обладающих вакуумным подсосом,
C₂+K_Т·t+K_p·Р C₄+K'_Т·t- K'_p·Р',
для автономных волновых камер среднего и высокого давления:
C₂+K_p·Р+K_Т·t C₄+K'_p·Р' +K'_Т·t'.

Формула изобретения

Способ получения газовоздушных топливных смесей в смесительных камерах путем реализации диффузионно-кинетического взаимодействия потоков газов и их естественной молекулярной диффузии, отличающийся тем, что, при затухании кинетической волны, потере энергии движения и остановке потоков газов, диффузионно-кинетическое взаимодействие потоков газов осуществляют путем внешнего температурного воздействия на компоненты смеси и внутрикамерного импульсного давления с обеспечением волновой резонансной взаимосвязи потоков газов и через длину единой волны, волновой зависимости, включающей кратность волне длины и диаметра смесительной камеры, причем скорости основных волн газов вводятся в кратные волновые резонансные равновесные взаимоотношения по формуле
C₂±K_p·P_имп±K_т·t = C₄±K^I_pP_имп+K^I_т·t¹
где C₂ скорость звуковой волны в кислороде воздуха ( 0^oС; 101325 Па);
C₄ скорость звуковой волны в газообразном топливе ( О^oС; 101325 Па);
К_р; K^I_p коэффициенты изменения скорости волны на единицу давления для кислорода воздуха и газообразного топлива;
P_имп оптимально-расчетный параметр импульсного избыточного (+) давления камеры, относительно 101325 Па, или же (-) разрежения;
K_т, K^I_т коэффициенты изменения скорости волны на единицу температуры для кислорода воздуха и газообразного топлива;
t, t¹ температура газов, подлежащих смешению (+), при которых волновые границы в зонах контакта газов исчезают.