Горелочное устройство

 

Изобретение относится к области энергетики, в частности горелочным устройствам, и может быть использовано в автомобильной промышленности, а именно для создания независимых предпусковых подогревателей. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение мощности и пожаробезопасности горелочного устройства. Технический результат достигается тем, что в известном горелочном устройстве формирователь вихревых потоков выполнен в виде усеченного конуса, соосного с цилиндрической ограничительной стенкой топочной камеры, между формирователем вихревых потоков и цилиндрической ограничительной стенкой топочной камеры соосно с ними дополнительно введен цилиндр, верхний срез которого газоплотно соединен со стабилизатором пламени, а нижний - с нижним срезом формирователя вихревых потоков, введен дополнительный топливный насос и топливопровод, между цилиндрической ограничительной стенкой и цилиндром размещен патрубок, один конец которого соединен с дополнительным топливопроводом, а другой газоплотно вставлен в отверстие в боковой поверхности цилиндра. 3 ил.

Изобретение относится к области энергетики, в частности горелочным устройствам, и может быть использовано в автомобильной промышленности, а именно для создания независимых предпусковых подогревателей.

В качестве аналога было выбрано устройство "Камера сгорания горелки для отопительного прибора транспортного средства или для фильтра для улавливания частиц отработанных газов" фирмы Й. Эбершпехер PCT/DE 95/00614 от 06.05.95 г. , которое имеет торцовую ограничительную стенку, круговую ограничительную стенку, штуцера для размещения свечи накаливания и для подачи необходимого для сгорания воздуха, изготовленные методом точного литья. Сопло для подачи воздуха имеет продольные прорези, с постоянной или изменяющейся к низу шириной. Данная камера сгорания выполнена по принципу испарительной камеры, т. е. имеет пористую футеровку из различных материалов. На пути потока, необходимого для сгорания воздуха, перед штуцером для подачи воздуха предусмотрено устройство для создания завихрения потока - завихритель.

Однако при эксплуатации данному устройству присуще образование углесодержащих отложений, кроме того, в камере сгорания имеются зоны с низким содержанием кислорода, что также приводит к образованию углесодержащих отложений, следовательно снижается интенсивность горения, мощность и кпд горелки. Кроме того, данная камера сгорания может быть вмонтирована в линию отвода отработавших газов в качестве фильтра для улавливания сажи, который через определенные промежутки времени должен очищаться от отфильтрованных частиц. Такая унификация данного устройства приводит к значительному усложнению конструкции горелочного устройства [1].

Наиболее близким техническим решением к предполагаемому изобретению, выбранным в качестве прототипа, является горелочное устройство [2], содержащее топочную камеру с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру (1), с торцевой ограничительной стенкой (2), в которой выполнено центральное отверстие с входящим коаксиально с осью в топочную камеру соплом подачи воздуха (3), воздух в которое подается завихрителем. С внутренней стороны цилиндрической ограничительной стенки расположена испарительная капиллярная структура (4), формирователь вихревых потоков (5), штуцер для установки свечи (6), жаровую трубу (7) и стабилизатор пламени (8). На боковой поверхности сопла подачи воздуха выполнено не менее двух рядов разнесенных по высоте сопла подачи воздуха одинаковых по количеству и симметрично размещенных продольных радиальных отверстий, причем каждое отверстие верхнего ряда размещено на линии, равноудаленной от двух ближайших нижних отверстий. Формирователь вихревых потоков расположен между соплом подачи воздуха и испарительной капиллярной структурой, размещенной как на цилиндрической, так и на торцевой ограничительных стенках топочной камеры. Формирователь вихревых потоков газоплотно или с зазором прилегает нижним основанием к испарительной капиллярной структуре, размещенной на торцевой поверхности топочной камеры, а верхним - к стабилизатору пламени.

Увеличение мощности горелочного устройства достигается соответствующим увеличением массы горючей смеси, сгорающей в топочной камере. В известных горелочных устройствах испарительного типа горючая смесь формируется из воздуха, поступающего из сопла подачи воздуха и паров горючего, поступающего из капиллярной структуры испарительного элемента. Интенсивность испарения горючего определяется количеством и температурой жидкой фазы, заключенной в испарительном элементе, суммарной площадью поверхности капиллярной структуры, состоящей, как правило из тонких проволочек, характером и интенсивностью воздушных струй, "сдувающих" верхние слои парового облака над испарительным элементом.

Для повышения интенсивности испарения можно использовать каждый из перечисленных факторов.

Однако потенциал допустимых изменений данных факторов в известных устройствах в значительной степени уже реализован. Параметры, определяющие действия данных факторов, находятся вблизи предельно допустимых значений.

Допустимый уровень температуры жидкого топлива не должен достигать температуры кипения поскольку при закипании образуются жидкие капли, которые попадают в теплообменник и образуют сажистые выделения, резко снижающие эффективность теплопередачи и соответственно кпд отопителей на базе известных горелочных устройств. Кроме того, кипение жидкого топлива, заключенного в испарительном элементе, приводит к быстрому закоксовыванию капиллярной структуры.

Повышение суммарной площади капиллярной структуры за счет использования все более тонких проволочек с повышенной плотностью упаковок приводит к ускоренному засорению капиллярной структуры загрязнениями, содержащимися в жидком топливе.

Эффективность "сдувания" верхних слоев "парового облака", образующегося в результате испарения в известных горелочных устройствах, также достаточно высока и не может быть существенно увеличена.

Увеличение мощности горелочного устройства за счет наращивания размеров капиллярной структуры испарительного элемента и соответственно общей массы заключенного в нем жидкого топлива также имеет ограничения, близкие к размерам, реализованным в известных горелочных устройствах. Это ограничение связано с пожаробезопасностью при нештатных отключениях воздухонагнетающего устройства. В этом случае интенсивное горение прекращается, но охлаждение испарительного элемента до температуры, при которой прекращается испарение, наступает только через некоторый интервал времени. В течение всего этого интервала времени в топочную камеру продолжают поступать пары топлива. Очевидно, что чем больше масса жидкого топлива, заключенного в капиллярной структуре испарительного элемента, тем большее количество пара образуется к моменту охлаждения жидкого топлива до температуры ниже температуры испарения.

Для существенного уменьшения количества жидкого топлива, находящегося в топочной камере, при сохранении или даже увеличении количества вырабатываемого пара необходимо значительно увеличить скорость нагрева и температуру топлива, поступающего в топочную камеру. Чтобы устранить вредные последствия, вызванные кипением жидкой фазы, жидкое топливо можно вводить не непосредственно в рабочую зону топочной камеры, а в замкнутую разогретую до высокой температуры полость с небольшими отверстиями. На раскаленной внутренней поверхности полости впрыскиваемые порции топлива практически мгновенно закипают и превращаются в пар и в быстро перемещающиеся внутри полости и интенсивно испаряющиеся капли. Вследствие повышения давления внутри полости пар вытекает из отверстий и при соответствующей ориентации поверхностей полости направляется в зону горения. В данном случае образование при кипении жидкого топлива капель не представляет опасности, поскольку, перемещаясь внутри полости, капли не выходят за ее пределы. При достаточно высокой температуре сажистые отложения не формируются вследствие образования между жидкой фазой и раскаленной поверхностью парогазовой прослойки. Но даже при локальном охлаждении отдельных участков внутренней поверхности полости, вызванным интенсивным испарением, образующиеся сажистые зародыши быстро выгорают. Вытекающие из отверстий разогретой полости пары поступают в рабочую зону топочной камеры, и обеспечивают интенсивное горение, часть тепла которого используется для поддержания высокой температуры замкнутой поверхности, образующей полость, в которую поступает жидкое топливо. Таким образом обеспечивается устойчивый стационарный режим горения с высокой мощностью. Причем, поскольку все топливо, поступающее в разогретую полость, практически сразу превращается в пар, то при прекращении поступления жидкого топлива прекращается процесс парообразования, что обеспечивает необходимый уровень безопасности при возникновении нештатного отключения воздухонагнетающего устройства.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение мощности и пожаробезопасности горелочных устройств.

Технический результат достигается тем, что в известном горелочном устройстве, содержащем топочную камеру с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру, с торцевой ограничительной стенкой, в которой выполнено центральное отверстие с входящим коаксиально с осью в топочную камеру соплом подачи воздуха, на боковой поверхности которого выполнено не менее двух рядов разнесенных по высоте сопла одинаковых по количеству и симметрично размещенных продольных щелевых отверстий, причем каждое отверстие верхнего ряда размещено на линии, равноудаленной от двух ближайших нижних отверстий, с внутренней стороны цилиндрической и торцевой ограничительных стенок расположена испарительная капиллярная структура, завихритель потока воздуха, формирователь вихревых потоков, верхний срез которого газоплотно соединен со стабилизатором пламени, штуцер для установки свечи, жаровую трубу и стабилизатор пламени, формирователь вихревых потоков выполнен в виде усеченного конуса с симметрично размещенными отверстиями малого диаметра, соосного с цилиндрической ограничительной стенкой топочной камеры, между формирователем вихревых потоков и цилиндрической ограничительной стенкой топочной камеры соосно с ними дополнительно введен цилиндр, верхний срез которого газоплотно соединен со стабилизатором пламени, а нижний - с нижним срезом формирователя вихревых потоков, введен дополнительный топливный насос и топливопровод, между цилиндрической ограничительной стенкой и цилиндром размещен патрубок, один конец которого соединен с дополнительным топливопроводом, а другой газоплотно вставлен в отверстие в боковой поверхности цилиндра.

На фиг.1 представлен прототип предлагаемого устройства.

На фиг.2 представлено предлагаемое горелочное устройство, в котором (1) - цилиндрическая ограничительная стенка; (2) - стабилизатор пламени; (3) - формирователь вихревых потоков; (4) - цилиндр; (5) - отверстия в формирователе вихревых потоков; (6) - патрубок; (7) - дополнительный топливопровод; (8) - дополнительный топливный насос, (9) - сопло подачи воздуха; (10) - завихритель; (11) - воздухонагнетающее устройство; (12) - замкнутая полость; (13) - капиллярная структура испарительного элемента.

Работа предлагаемого устройства осуществляется в соответствии с циклограммой, представленной на фиг.3.

В момент времени t₀ включается воздухонагнетающее устройство (11) и до момента времени t₁ на максимальном режиме осуществляет прокачку воздушного тракта горелочного устройства. В момент t₁ воздухонагнетающее устройство переходит в режим минимального нагнетания и включается свеча накаливания, в момент t₂ при достижении на поверхности свечи максимальной температуры включается основной топливный насос и до момента возгорания топливной смеси (t₃) подает с постоянной средней мощностью жидкое топливо в капиллярную структуру испарительного элемента (13). В момент воспламенения горючей смеси воздухонагнетательное устройство (11) и основной топливный насос переходят в режим синхронного наращивания мощности до выхода на стационарный режим горения, достигаемый в точке t₁. В процессе работы горелочного устройства происходит разогрев формирователя вихревых потоков (3), являющегося одним из элементов поверхности, образующей замкнутую полость (12).

В момент времени t₅ включается дополнительный топливный насос (8) и через топливопровод (7) и патрубок (6) ввода топлива в замкнутую полость подается жидкое топливо. Поступающее в замкнутую полость с нагретыми до высокой температуры стенками жидкое топливо превращается в паровоздушную смесь. При этом возрастает давление пара в полости, и через отверстия (5) в формирователе вихревых потоков вытекают струи пара.

Для полного сгорания увеличившейся массы паров топлива, вызванной поступлением жидкого топлива в замкнутую полость, с момента t₅ происходит наращивание мощности воздухонагнетающего устройства, и к моменту t₆ горелочное устройство переходит в стационарное состояние с мощностью тепловыделения, определяемой суммой тепловыделения от сгорания паров, генерируемых капиллярной структурой испарительного элемента (13), и парами, поступающими из отверстий (5) полости (12).

При нештатном отключении воздухонагнетательного устройства и прекращении подачи топлива поступление пара из полости (12) практически сразу прекращается. Количество пара, поступающее из капиллярной структуры (13), будет соответствовать количеству пара горелочного устройства с мощностью, отличающейся от мощности предлагаемого устройства на величину мощности, обеспечиваемой парами из замкнутой полости.

В практически реализованных горелочных устройствах вклад мощности от паров, поступающих из замкнутой полости, составляет не менее 60%.

Таким образом, использование предлагаемого горелочного устройства позволяет существенно увеличить мощность тепловыделения, сохранив приемлемый уровень пожаробезопасности при нештатных отключениях, характерный для горелочных устройств малой мощности.

Источники информации 1. Конвенционная заявка 2420-214828 на патент с приоритетом от 15.05.94 фирма Й. Эбершпрехер, ФРГ, РСТ/ DE 95/00614 от 6.05.95 г.

2. Е.А. Кордит. Патент РФ 2181462 "Горелочное устройство".

Формула изобретения

Горелочное устройство, содержащее топочную камеру с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру, с торцевой ограничительной стенкой, в которой выполнено центральное отверстие с входящим коаксиально с осью в топочную камеру соплом подачи воздуха, на боковой поверхности которого выполнено не менее двух рядов разнесенных по высоте сопла одинаковых по количеству и симметрично размещенных продольных щелевых отверстий, причем каждое отверстие верхнего ряда размещено на линии, равноудаленной от двух ближайших нижних отверстий, с внутренней стороны цилиндрической и торцевой ограничительных стенок расположена испарительная капиллярная структура, завихритель потока воздуха, формирователь вихревых потоков, верхний срез которого газоплотно соединен со стабилизатором пламени, штуцер для установки свечи, жаровую трубу и стабилизатор пламени, отличающееся тем, что формирователь вихревых потоков выполнен в виде усеченного конуса с симметрично размещенными отверстиями малого диаметра, соосного с цилиндрической ограничительной стенкой топочной камеры, между формирователем вихревых потоков и цилиндрической ограничительной стенкой топочной камеры соосно с ними дополнительно введен цилиндр, верхний срез которого газоплотно соединен со стабилизатором пламени, а нижний - с нижним срезом формирователя вихревых потоков, введен дополнительный топливный насос и топливопровод, между цилиндрической ограничительной стенкой и цилиндром размещен патрубок, один конец которого соединен с дополнительным топливопроводом, а другой газоплотно вставлен в отверстие в боковой поверхности цилиндра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3