Устройство (варианты) и способ очистки поверхности внутри резервуара
Группа изобретений относится к детонационной очистке промышленного оборудования. Устройство для очистки поверхности внутри резервуара, имеющего стенку, отделяющую внутреннее пространство резервуара от наружного, в которой выполнено отверстие, снабжено вытянутой трубой, имеющей первый конец, вышерасположенный по направлению потока, и второй конец, нижерасположенный по направлению потока, и установленной с возможностью направления ударной волны от второго конца во внутреннее пространство резервуара, источником топлива и окислителя, присоединенным к трубе с возможностью подачи в нее топлива и окислителя, и инициирующим средством. Труба содержит первую часть, имеющую первую характеристическую площадь поперечного сечения, и вторую часть, расположенную ниже по направлению потока от первой части и имеющую вторую характеристическую площадь поперечного сечения, превышающую первую характеристическую площадь поперечного сечения, инициирующее средство установлено с возможностью инициирования быстрого горения топлива и окислителя в первой части трубы, а первая и вторая части трубы расположены с возможностью обеспечения перехода "быстрое горение - детонация" от указанного быстрого горения и образования указанной детонационной волны. В другом варианте устройство снабжено вытянутой трубой, имеющей первый конец, вышерасположенный по направлению потока, и второй конец, нижерасположенный по направлению потока, и установленной с возможностью направления ударной волны от второго конца во внутреннее пространство резервуара, и средствами введения первой и второй смесей топлива и окислителя в трубу и инициирования быстрого горения первой смеси с возможностью обеспечения перехода "быстрое горение-детонация" от указанного быстрого горения и детонации указанной второй смеси с созданием ударной волны. Способ очистки поверхности осуществляют путем подачи первой смеси топлива и окислителя в первую часть трубы, подачи второй смеси топлива и окислителя, различающейся с первой смесью по химическому составу или пропорциям частей, во вторую часть трубы, и инициируют реакцию первой смеси топлива и окислителя с вызовом детонации второй смеси топлива и окислителя и образованием ударной волны, взаимодействующей с поверхностью. Группа изобретений обеспечивает повышение качества очистки и расширение ассортимента очищаемого оборудования. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 10 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к промышленному оборудованию. В частности, изобретение относится к детонационной очистке промышленного оборудования.
Уровень техники
Загрязнение поверхности представляет собой серьезную проблему для промышленного оборудования. Сюда относятся топки (сжигающие уголь, нефтепродукты, отходы и пр.), котлы, газогенераторы, реакционные аппараты, теплообменники и т.п. Обычно подобное оборудование включает резервуар (под которым здесь понимается широкое значение этого термина как устройства, стенки которого ограничивают некоторое пространство, в частности пространство, ограниченное обмуровкой котла), содержащий внутренние поверхности теплопередачи, которые подвержены загрязнению за счет накопления частиц, например сажи, золы, минералов и других продуктов и побочных продуктов сгорания, нарастания совместных отложений, например шлака, и/или загрязнения и др. Нарастание таких загрязнений может постепенно начинать мешать работе установки, снижая ее эффективность и производительность и создавая опасность повреждения. Поэтому чистка оборудования является крайне необходимой и при ее выполнении соблюдаются соответствующие требования. Часто непосредственный доступ к загрязненным поверхностям затруднен. Кроме того, для сохранения рентабельности производства желательно свести к минимуму простой промышленного оборудования и затраты, связанные с выполнением очистки. Были предложены различные технологии. Например, различные способы были предложены в патентах США 5,494,004 и 6,438,191 и в публикации патентной заявки США 2002/0112638. Другие способы раскрыты в докладе З.Хьюка (Huque, Z.) "Экспериментальные исследования снятия шлака с использованием импульсных детонационных волн", Ежегодный симпозиум DOE/HBCU/OMI, Майями, Флорида, 16-18 марта 1999 г. В частности, способы с использованием взрывной волны описаны Ханъяличем и Смайевичем в статьях: К.Ханъялич и И.Смайевич (Hanjalic, К.; Smajevic, I.) "Новые результаты использования детонационных волн для очистки нагревающихся поверхностей котлов", International Journal of Energy Research. Vol.17, 583-595 (1993), и К.Ханъялич и И.Смайевич "Технология использования детонационных волн для снятия под нагрузкой отложений с загрязняемых поверхностей: часть I и часть II", Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Transactions of the ASME, Vol.1, 116, 223-236, январь 1994 г. Подобные системы также обсуждались в Югославских патентных публикациях Р 1756/88 и Р 1728/88. Такие системы часто называют "сажеобдувочными устройствами" в соответствии с одной из форм применения в промышленности.
Тем не менее, существуют возможности дальнейшего прогресса в данной области.
Раскрытие изобретения
В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения предлагается устройство для очистки поверхности внутри резервуара, имеющего стенку, отделяющую внутреннее пространство резервуара от наружного, в которой выполнено отверстие. Устройство снабжено вытянутой трубой (трубопроводом), имеющей первый конец, вышерасположенный по направлению потока, и второй конец, нижерасположенный по направлению потока. Труба установлена с возможностью направления ударной волны от второго конца во внутреннее пространство резервуара. Устройство также снабжено источником топлива и окислителя, присоединенным к трубе с возможностью подачи в нее топлива и окислителя, и инициирующим средством. Труба содержит первую часть, имеющую первую характеристическую площадь поперечного сечения, и вторую часть, расположенную ниже по направлению потока от первой части и имеющую вторую характеристическую площадь поперечного сечения, превышающую первую характеристическую площадь поперечного сечения. Инициирующее средство установлено с возможностью инициирования быстрого горения топлива и окислителя в первой части трубы. Первая и вторая части трубы расположены с возможностью обеспечения перехода "быстрое горение - детонация" от указанного быстрого горения и образования указанной детонационной волны.
В различных вариантах выполнения источник топлива и окислителя содержит источник первого топлива, источник первого окислителя, источник второго топлива и источник второго окислителя. Источники второго топлива и второго окислителя соединены с трубой ниже по направлению потока относительно места соединения с трубой источников первого топлива и первого окислителя. Вторая часть трубы содержит ряд секций трубы, соединенных концами и имеющих по существу постоянный характеристический диаметр, а первая часть трубы включает вышерасположенный по направлению потока участок, имеющий в основном постоянный характеристический диаметр, и нижерасположенный по направлению потока участок, имеющий в основном увеличивающийся внутренний диаметр в направлении вниз по потоку. Первая часть трубы и/или вторая часть трубы содержат средства увеличения площади внутренней поверхности. В первой части трубы содержится меньшая часть топлива и окислителя, обладающая большей способностью к детонации, чем остальная основная часть топлива и окислителя.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается устройство для очистки поверхности внутри резервуара, имеющего стенку, отделяющую внутреннее пространство резервуара от наружного, в которой выполнено отверстие. Устройство снабжено вытянутой трубой, имеющей первый конец, вышерасположенный по направлению потока, и второй конец, нижерасположенный по направлению потока, и установленной с возможностью направления ударной волны от второго конца во внутреннее пространство резервуара. Устройство также снабжено средствами введения первой и второй смесей топлива и окислителя в трубу и инициирования быстрого горения первой смеси с возможностью обеспечения перехода "быстрое горение - детонация" от указанного быстрого горения и детонации указанной второй смеси с созданием ударной волны.
В различных вариантах выполнения окислитель в первой смеси имеет содержание кислорода больше, чем окислитель во второй смеси. Вторая смесь топлива и окислителя отличается от первой смеси топлива и окислителя по химическому составу или пропорциям частей. Указанные средства содержат ряд изменений площади поперечного сечения внутри трубы.
Другой аспект изобретения относится к способу очистки поверхности внутри резервуара, имеющего стенку с отверстием. Согласно способу осуществляют подачу первой смеси топлива и окислителя в первую часть трубы, подачу второй смеси топлива и окислителя, различающейся с первой смесью по химическому составу или пропорциям частей, во вторую часть трубы и инициируют реакцию первой смеси топлива и окислителя с вызовом детонации второй смеси топлива и окислителя и образованием ударной волны, взаимодействующей с поверхностью.
В различных вариантах осуществления прохождение реакции в первой смеси топлива и окислителя включает переход от быстрого горения к детонации. Вторая смесь топлива и окислителя обладает более слабыми детонационными свойствами, чем первая смесь. Окислитель второй смеси топлива и окислителя имеет меньшее содержание кислорода, чем окислитель первой смеси. Первую смесь топлива и окислителя вводят в первую часть трубы в виде отдельных компонентов топлива и окислителя, а вторую смесь топлива и окислителя вводят во вторую часть трубы предварительно смешанной; или первую смесь топлива и окислителя вводят в первую часть трубы предварительно смешанной, а вторую смесь топлива и окислителя вводят во вторую часть трубы предварительно смешанной. Дополнительно осуществляют продувку трубы продувочным газом. Используют трубу, имеющую характеристическая площадь поперечного сечения первой части трубы меньше, чем характеристическую площадь поперечного сечения второй части трубы. Основную часть указанной первой смеси топлива и окислителя подают перед подачей основной части указанной второй смеси топлива и окислителя.
Детали одного или нескольких вариантов выполнения изобретения приведены на прилагаемых чертежах и описании. Другие признаки, цели и преимущества изобретения будут очевидны из описания и чертежей, а также из формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 представлен вид промышленной топки (топочной камеры), соединенной с несколькими сажеобдувочными устройствами, расположение которых обеспечивает очистку определенного уровня топки.
На Фиг.2 представлен вид сбоку одного из обдувочных устройств, показанных на Фиг.1.
На Фиг.3 представлен вид сбоку с частичными вырезами вышерасположенного по направлению потока конца обдувочного аппарата, показанного на Фиг.2.
На Фиг.4 представлен вид продольного сечения основного сегмента трубы сгорания сажеобдувочного устройства, показанного на Фиг.2.
На Фиг.5 представлен вид с торца сегмента, показанного на Фиг.4.
На Фиг.6 представлено схематическое изображение продольного сечения вышерасположенного по направлению потока конца первого альтернативного варианта трубы сгорания.
На Фиг.7 представлено схематическое изображение продольного сечения вышерасположенного по направлению потока конца второго альтернативного варианта трубы сгорания.
На Фиг.8 представлено схематическое изображение продольного сечения вышерасположенного по направлению потока конца третьего альтернативного варианта трубы сгорания.
На Фиг.9 представлено схематическое изображение продольного сечения вышерасположенного по направлению потока конца четвертого альтернативного варианта трубы сгорания.
На Фиг.10 представлено схематическое изображение продольного сечения вышерасположенного по направлению потока конца пятого альтернативного варианта трубы сгорания.
Одними и теми же цифрами и обозначениями на разных чертежах показаны одинаковые элементы.
Осуществление изобретения
На Фиг.1 показана топка 20, которая, в качестве примера, содержит три соединенных с ней сажеобдувочных устройства 22. В приведенном в качестве примера варианте выполнения топка выполнена в виде резервуара в форме прямоугольного параллелепипеда, а сажеобдувочные устройства все присоединены к одной стенке 24 резервуара и расположены на одной высоте вдоль стенки. Возможны и иные конфигурации (например, использование единственного сажеобдувочного устройства, одного или более сажеобдувочных устройств на каждом из нескольких уровней и др.).
Каждое сажеобдувочное устройство 22 содержит удлиненную трубу 26, называемую здесь также трубой сгорания (представляющую собой камеру сгорания) или детонационной трубой, проходящую от дальнего (дистального) конца 28 (от топки), вышерасположенного по направлению потока от стенки 24 топки, до ближнего (проксимального) конца 30, нижерасположенного по направлению потока и прилегающего к стенке 24. В качестве варианта конфигурации конец 30 может быть расположен и внутри топки. В процессе работы каждого сажеобдувочного устройства горение смеси "топливо/окислитель" внутри трубы 26 инициируется вблизи вышерасположенного по направлению потока конца (например, на вышерасположенном по направлению потока участке трубы, составляющем 10% ее длины) для создания детонационной волны, которая выбрасывается из нижерасположенного по направлению потока конца в виде ударной волны вместе с сопутствующими газообразными продуктами сгорания для очистки поверхностей во внутреннем пространстве топки. Каждое сажеобдувочное устройство может быть связано с источником 32 топлива и окислителя. Такой источник либо один или более компонентов его могут быть общими для нескольких сажеобдувочных устройств. Приведенный в качестве примера источник включает баллон 34 для сжиженного или сжатого газообразного топлива и кислородный баллон 36, размещенные в соответствующих защитных помещениях 38 и 40. В приведенном в качестве примера варианте выполнения окислитель является первым окислителем, например практически чистым кислородом. Второй окислитель может представлять собой производственный сжатый воздух, подаваемый из централизованного источника 42 воздуха. В приведенном в качестве примера варианте выполнения воздух содержится в накопителе 44 воздуха. Топливо, находящееся в расширенном состоянии, по сравнению с состоянием топлива в баллоне 34 содержится в накопителе 46 топлива. Каждый использованный в качестве примера источник 32 присоединен снизу к соответствующей трубе 26 подходящими трубопроводами. Аналогично, каждое сажеобдувочное устройство содержит искровую камеру 50 для инициирования горения смеси топлива с окислителем, которая так же, как и источник 32, управляется системой управления и мониторинга (не показана). На Фиг.1 также показана стенка 24, включающая ряд люков для проведения контроля и/или измерений. Показанные для примера люки включают люк 54 для визуального мониторинга и люк 56 для мониторинга температуры, которые соответствуют каждому сажеобдувочному устройству 22 для установки соответственно видеокамеры инфракрасного и/или видимого света и датчика с термопарой для наблюдения очищаемых поверхностей и мониторинга температуры внутри. Могут использоваться и другие датчики/мониторинг/взятие замеров, включая мониторинг давления, анализ состава и т.п.
На Фиг.2 показаны дополнительные детали приведенного в качестве примера сажеобдувочного устройства 22. Приведенная в качестве примера труба 26 имеет основной корпус, составленный из проходящей вдоль движения потока последовательности секций или сегментов 60 трубы, имеющих два фланца, и нижерасположенной по направлению потока секции или сегмента 62 сопла (выпускного патрубка), имеющей часть 64, нижерасположенную по направлению потока, проходящую сквозь отверстие 66 в стенке и кончающуюся нижерасположенным по направлению потока концом (выпускным отверстием) 30, открывающимся во внутреннее пространство 68 топки. Термин сопло используется в широком смысле и не предусматривает наличия какого-либо аэродинамического сжатия, расширения или их комбинации. Конец 30 с выпускным отверстием может быть расположен глубже внутри топки при условии, что обеспечивается соответствующее крепление и охлаждение. На Фиг.2 также показаны пучки 70 труб внутри топки, наружные поверхности которых подвержены загрязнению. В приведенном в качестве примера варианте выполнения каждый из сегментов 60 трубы закреплен на соответствующей тележке 72, колеса которой опираются на направляющую систему 74 на полу 76 производственного помещения. Направляющая система в приводимом примере включает пару параллельных рельсов, в зацепление с которыми входят внешние поверхности колес тележек. Сегменты 60 в приводимом примере имеют одинаковую длину L1 и свинчены концами соответствующими группами болтов сквозь отверстия в своих фланцах. Аналогично, нижерасположенный по направлению потока фланец сегмента, расположенного по потоку ниже остальных, свинчен болтами с вышерасположенным по направлению потока фланцем сегмента 62 сопла. В варианте выполнения, приведенном в качестве примера, с этой последней состыкованной парой фланцев соединен ремень 80 успокоителя (например, из хлопка или теплоустойчивой/механически прочной синтетики), последовательно соединенный с одной или более металлической пружиной 82 успокоителя, соединяющий трубу сгорания с конструкцией здания, например стенкой топки, для упругого поглощения реактивных сил, связанных с выбросом из сажеобдувочного устройства, и обеспечения правильной установки трубы сгорания для следующих поджигов. В другом варианте выполнения может быть обеспечено дополнительное демпфирование (не показано). Комбинация "ремень/пружина" успокоителя может быть выполнена в виде единого отрезка или петли. В приведенном в качестве примера варианте выполнения полная длина составной секции, нижерасположенной по направлению потока, составляет L2.
От вышерасположенного по направлению потока конца 28 в направлении вниз по потоку проходит секция/сегмент 84 трубы преддетонационной камеры длиной L3, которая также может иметь два фланца. Сегмент 84 трубы преддетонационной камеры имеет характеристическую площадь внутреннего поперечного сечения (поперек оси/центральной линии 500 трубы) меньше, чем характеристическая площадь внутреннего поперечного сечения (например, средняя, медианная, модальная и т.п.) части (60, 62) трубы сгорания, нижерасположенной по направлению потока. В приведенном в качестве примера варианте выполнения, использующем круглые сегменты трубы, площадь поперечного сечения преддетонатора определяется диаметром, составляющим от 8 до 12 см, в то время как нижерасположенная по направлению потока часть характеризуется диаметром, составляющим от 20 до 40 см. Соответственно, отношение площадей поперечных сечений нижерасположенных по направлению потока частей преддетонатора составляет в приведенном примере от 1:1 до 10:1, в частности от 2:1 до 10:1. Общая длина L между концами 28 и 30 может составлять 1-15 м, в частности 5-15 м. В приведенном в качестве примера варианте выполнения переходной сегмент 86 трубы расположен между сегментом 84 преддетонатора и сегментом 60, расположенным по потоку выше остальных. Размеры фланцев сегмента 86, расположенных выше и ниже по направлению потока, стыкуются с размерами соответствующих фланцев сегментов 84 и 60, а внутренняя поверхность обеспечивает плавный переход между их внутренними поперечными сечениями. Сегмент 86 в приведенном примере имеет длину L4. Половина угла раствора внутренней поверхности сегмента 86 в приведенном примере меньше или равна 12°, в частности составляет 5-10°.
Топливно-окислительный заряд может быть введен внутрь детонационной трубы различными способами. Может быть использована одна или более различных смесей "топливо/окислитель". Такая смесь(и) может быть приготовлена за пределами детонационной трубы, либо может быть приготовлена в момент введения в трубу, либо после этого. На Фиг.3 показаны сегменты 84 и 86, устройство которых соответствует различным способам введения двух различных комбинаций "топливо/окислитель": преддетонаторной комбинации и основной комбинации. В варианте выполнения, приведенном в качестве примера, в вышерасположенной по направлению потока части сегмента 84 два трубопровода 90 впрыска топлива в преддетонатор соединены с отверстиями 92 в стенке сегмента, которые образуют отверстия впрыска топлива. Аналогично, два трубопровода 94 подачи окислителя в преддетонатор подсоединены к впускным отверстиям 96 окислителя. В варианте выполнения, приводимом в качестве примера, эти отверстия выполнены в вышерасположенной по направлению потока половине длины сегмента 84. В варианте выполнения, приводимом в качестве примера, каждое из отверстий 92 впрыска топлива спарено с соответствующим отверстием 96 подачи окислителя при их одинаковом расположении по оси и под углом (для примера показано 90°, хотя угол может быть и другим, включая 180°), обеспечивающими смешивание встречных потоков топлива и окислителя. Как показано далее, трубопровод 98 подачи продувочного газа соединен с отверстием 100 подачи продувочного газа еще выше по потоку. Торцевая плита (диск) 102, привинченная к вышерасположенному по направлению потока фланцу сегмента 84, заглушает вышерасположенный по направлению потока конец трубы сгорания, а сквозь нее проходит воспламенитель/инициирующее средство (детонатор) 106 (например, свеча зажигания), рабочий конец 108 которого расположен внутри сегмента 84.
В приводимом в качестве примера варианте выполнения основное топливо и окислитель вводятся в сегмент 86. В показанном варианте выполнения основное топливо подается рядом трубопроводов 112 основного топлива, а основной окислитель подается рядом трубопроводов 110 основного окислителя, оконечные части каждого из которых концентрически окружают соответствующие части топливных трубопроводов 112 так, чтобы происходило смешивание основных топлива и окислителя в соответствующем впускном отверстии 114. В приведенных в качестве примера вариантах выполнения используются углеводородные топлива. В приведенных в качестве примера конкретных вариантах выполнения используются два одинаковых топлива, подаваемых от одного источника топлива, однако смешиваются они с разыми окислителями: практически чистым кислородом в случае смеси для преддетонатора и воздухом - в случае основной смеси. Используемые в приводимых примерах топлива являются пропаном, МАРР-газом (метилацетиленпропадиен) либо их смесями. Возможно использование и других топлив, включая этилен и жидкие топлива (например, дизельное топливо, керосин и топлива для реактивных авиационных двигателей). В качестве окислителя могут использоваться смеси, например смеси воздуха с кислородом, в соответствующих соотношениях для получения требуемых химических свойств основного и/или преддетонационного зарядов. Кроме того, в качестве варианта могут быть использованы унитарные топлива, в которых компоненты топлива и окислителя соединены молекулярной связью.
В процессе работы, в начале цикла использования, труба сгорания пуста за исключением присутствия воздуха (или другого продувочного газа). Затем через соответствующие отверстия преддетонаторные топливо и окислитель вводятся в сегмент 84 и заполняют его, частично проникая в сегмент 86 (например, до половины), в преимущественном варианте проходя несколько дальше отверстий подачи основного топлива/окислителя. После этого подача преддетонаторных топлива и окислителя отключается. В приведенном примере объем, заполненный преддетонаторными топливом и окислителем, составляет 1-40%, точнее 1-20% полного объема трубы сгорания. Затем подаются основные топливо и окислитель, приблизительно заполняющие некоторую часть (например, 20-100%) оставшегося объема трубы сгорания. Затем потоки основных топлива и окислителя перекрываются. Предварительное введение преддетонаторных топлива и окислителя за пределы отверстий подачи основных топлива/окислителя устраняет риск образования пробки из воздуха или иного негорючего вещества между преддетонаторным и основным зарядами. Подобная пробка может помешать распространению горения между двумя зарядами.
Когда заряды введены, включается искровая камера для создания искрового разряда детонатора, поджигающего преддетонационный заряд. Выбор преддетонационного заряда производится для получения очень высокой скорости реакции горения, когда первоначальное быстрое горение внутри сегмента 84 переходит в детонацию и порождает ударную волну. Воздействию преддетонатора, ускоряющему/побуждающему переход, могут способствовать изменения во внутреннем поперечном сечении. Как только возникает детонационная волна, она легко проходит сквозь основной заряд, который, в противном случае, имел бы достаточно низкую скорость горения, чтобы не сдетонировать самопроизвольно внутри трубы. Волна распространяется вдоль направления потока и выходит из нижерасположенного по направлению потока конца 30 во внутреннее пространство топки в виде ударной волны, ударяя в поверхности, требующие очистки, и создавая тепловые и механические удары, обычно, по крайней мере, отслаивающие загрязнения. Вслед за волной происходит выброс сжатых продуктов горения из детонационной трубы, причем выбрасываемые продукты выходят в виде струи из нижерасположенного по направлению потока конца 30 и далее завершают процесс очистки (например, удаление отслоившегося материала). После выпуска продуктов горения, либо еще до окончания этого, сквозь продувочное отверстие 100 вводится продувочный газ (например, воздух из того же источника, из которого подается основной окислитель и/или азот) для выведения оставшихся продуктов горения, после чего детонационная труба остается заполненной продувочным газом и готовой для повторения цикла (либо немедленно, либо в дальнейшем периодически или непериодически, что определяется оператором, или автоматически с использованием системы управления и мониторинга). В варианте использования между циклами заряда/разряда может поддерживаться базовый поток продувочного газа для предотвращения проникновения газа и частиц из внутреннего пространства топки вверх по потоку и охлаждения детонационной трубы.
В различных вариантах выполнения увеличение внутренней поверхности может значительно повысить площадь внутренней поверхности относительно той, что имеет внутренние поверхности простой цилиндрической или усеченно-конической формы. Увеличение поверхности может способствовать переходу от быстрого горения к детонации или может служить для поддержания детонационной волны (например, обеспечить местную или общую компенсацию снижения концентрации реагентов, например, в нижерасположенной по направлению потока части основного заряда, разбавленного оставшимся продувочным газом). На Фиг.4 показано увеличение внутренней поверхности, выполненное внутри одного из основных сегментов 60. Увеличивающая поверхность добавка в данном примере представляет, на самом деле, спираль Чина, хотя могут быть использованы и другие варианты, например спирали Щелкина и камеры Смирнова. Спираль образована спиральным элементом 120. Приведенный в качестве примера спиральный элемент 120 выполнен из металлического элемента круглого поперечного сечения (например, провода из нержавеющей стали) с диаметром поперечника приблизительно 8-20 мм. Могут быть использованы и другие сечения. Приведенный для примера элемент 120 удерживается отделенным от внутренней поверхности сегмента несколькими продольными элементами 122. Используемые для примера продольные элементы представляют собой стержни с тем же поперечным сечением и материалом, что и элемент 120, и приварены к нему и к внутренней поверхности соответствующего сегмента 60. Подобные добавки к поверхности могут также использоваться для обеспечения преддетонации вместо описываемых ниже способов, включающих использование других зарядов и камер сгорания с другим поперечным сечением либо вместе с ними.
Устройство может иметь широкий круг применений. Например, непосредственно внутри обычной топки для сжигания угля устройство может быть использовано в отношении: подвесных или вторичных пароперегревателей, конвективных газоходов (первичных пароперегревателей и пучков труб экономайзера); воздухоподогревателей; селективных каталитических газоуловителей-очистителей (SCR); тканевых пылеуловителей или электростатических осадителей; бункеров экономайзеров; скоплений золы либо на теплообменных поверхностях, либо в иных местах и т.п. Аналогичные возможности существуют и в рамках других применений, включая мазутные топки, котлы-утилизаторы черного щелока, котлы для сжигания биомассы, котлы для сжигания отходов (мусоросжигатели) и т.п.
На Фиг.6 показан альтернативный вариант трубы 140 сгорания, которая может быть аналогична трубе 26 за исключением того, что имеет ступенчатое изменение внутреннего поперечного сечения или диаметра вместо постепенного изменения, образуемого переходным сегментом 86 трубы. Вышерасположенный по направлению потока преддетонационный сегмент 142 трубы определяет преддетонационный объем или камеру 144, отделенную на своем нижерасположенном по направлению потока конце кольцевой радиально расходящейся стенкой 146 от основной трубы или ее сегмента 148. Трубопроводы 149 и 150 топлива и окислителя расположены так, что их выходные отверстия входят в вышерасположенную по направлению потока торцевую стенку сегмента 142 трубы, а трубопроводы 152 и 154 основного топлива и окислителя (в варианте выполнения могут быть объединены) расположены так, что выходят в стенку 146. Относительные диаметры и порядок работы могут быть аналогичны диаметрам и порядку работы трубы 26, включая, как это будет подробно показано ниже, возможные добавки к поверхности.
На Фиг.7 показан альтернативный вариант трубы 160, у которой самый верхний по потоку сегмент 162 содержит спираль 164 Щелкина. В остальном поперечное сечение сегмента 162 трубы может быть таким же, как сечение остальных сегментов, нижерасположенных по направлению потока. Могут подводиться трубопроводы 166 и 168 топлива и окислителя преддетонатора и трубопроводы 170 и 172 основного топлива и окислителя. В варианте выполнения, приведенном в качестве примера, трубопроводы топлива и окислителя преддетонатора входят в торец стенки, вышерасположенный по направлению потока, а трубопроводы основного топлива и окислителя входят в боковую стенку несколько ниже по потоку.
На Фиг.8 показан альтернативный вариант трубы 180, у которой по сравнению с трубой 160 спираль Щелкина заменена рядом пластин 182 с диафрагмами. Каждая пластина 182 по внешнему периметру 184 прикреплена внутри к сегменту трубы, расположенному выше остальных по потоку, и имеет поверхность 186 центрального отверстия (диафрагмы). В используемом примере диафрагмы имеют круглую форму и по площади составляют малую часть внутреннего поперечного сечения трубы (например, 10-50%). Размеры диафрагм и расположение пластин выбраны таким образом, чтобы способствовать переходу от быстрого горения к детонации.
На Фиг.9 показан альтернативный вариант трубы 200, содержащей одну или более камер 202 Смирнова. В варианте выполнения, приведенном в качестве примера, камеры представляют собой расширения поперечного сечения по сравнению с частями, расположенными выше и ниже по направлению потока от камер и между камерами. Эти части могут иметь сходные площади поперечного сечения. В показанном варианте выполнения изображено две камеры Смирнова, а топливо и окислитель преддетонатора и основные топливо и окислитель вводятся выше по направлению потока от камер.
Эффект, до некоторой степени сходный с тем, что получается при использовании пластин с диафрагмами и камер Смирнова, получается и в альтернативном варианте трубы 220 сгорания, показанной на Фиг.10, где в вышерасположенной по направлению потока части труба содержит тело 222 плохо обтекаемой формы с изменяющимся вдоль оси поперечным сечением.
В варианте выполнения, приведенном в качестве примера, тело содержит одну или более зон 224 с большим поперечным сечением, разделенных зонами 226 с маленьким поперечным сечением. Зоны 224 и 226 соответственно образуют кольцевые поперечные сечения с относительно низкой и большой площадями 228 и 230. При том, что в данном примере трубопроводы топлива и окислителя преддетонатора и трубопроводы основных топлива и окислителя расположены вблизи друг к другу по длине, сначала могут вводиться основные топливо и окислитель с тем, чтобы практически заполнить необходимую часть трубы сгорания, после чего вводятся топливо и окислитель преддетонатора, проталкивая основной заряд дальше вниз по потоку пропорционально необходимому объему введенного заряда преддетонатора. Плохо обтекаемое тело может быть составлено из нескольких соединенных частей либо может быть выполнено в форме отдельных частей, каждая из которых действует как отдельное тело. Например, параметры и размеры тела могут быть оптимизированы для конкретного применения путем соединения соответствующего числа частей тела с требуемыми относительными размерами, формируя зоны с увеличенным поперечным сечением на общем валу, проходящим вниз по потоку от вышерасположенного по направлению потока конца трубы.
Прибавки площади, проиллюстрированные на Фиг.7-10, могут быть применимы и для ступенчатых и более постепенно изменяющихся профилей поперечного сечения, показанных на Фиг.6 или 2 соответственно. Например, прибавки площади могут быть вышерасположены по направлению потока от объема преддетонатора. Либо прибавки площади могут охватывать преддетонатор до основных объемов (малого и большого поперечных сечений). Например, могут быть отдельные спирали Щелкина в каждом из двух объемов либо одна единственная спираль Щелкина может проходить между ними обоими.
Приведено описание одного или более вариантов выполнения настоящего изобретения. Тем не менее, понятно, что могут быть сделаны различные модификации без изменения существа и в рамках области притязаний изобретения. Например, изобретение может быть приспособлено для использования с различным промышленным оборудованием и с различными способами сажеобдува. Особенности существующего оборудования и технологий могут оказывать влияние на особенности конкретных вариантов выполнения. Могут быть возможны другие формы трубы сгорания (например, непрямые трубы или их секции для обхода внешних и внутренних препятствий и некруглые поперечные сечения труб и их секций). Соответственно, другие варианты находятся в пределах области притязаний приведенной ниже формулы изобретения.
1. Устройство для очистки поверхности внутри резервуара, имеющего стенку, отделяющую внутреннее пространство резервуара от наружного, в которой выполнено отверстие, отличающееся тем, что оно снабжено вытянутой трубой, имеющей первый конец, вышерасположенный по направлению потока, и второй конец, нижерасположенный по направлению потока, и установленной с возможностью направления ударной волны от второго конца во внутреннее пространство резервуара, источником топлива и окислителя, присоединенным к трубе с возможностью подачи в нее топлива и окислителя, и инициирующим средством, причем труба содержит первую часть, имеющую первую характеристическую площадь поперечного сечения, и вторую часть, расположенную ниже по направлению потока от первой части и имеющую вторую характеристическую площадь поперечного сечения, превышающую первую характеристическую площадь поперечного сечения, инициирующее средство установлено с возможностью инициирования быстрого горения топлива и окислителя в первой части трубы, а первая и вторая части трубы расположены с возможностью обеспечения перехода "быстрое горение - детонация" от указанного быстрого горения и образования указанной детонационной волны.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник топлива и окислителя содержит источник первого топлива, источник первого окислителя, источник второго топлива и источник второго окислителя.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что источники второго топлива и второго окислителя соединены с трубой ниже по направлению потока относительно места соединения с трубой источников первого топлива и первого окислителя.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вторая часть трубы содержит ряд секций трубы, соединенных концами и имеющих по существу постоянный характеристический диаметр, а первая часть трубы включает вышерасположенный по направлению потока участок, имеющий в основном постоянный характеристический диаметр, и нижерасположенный по направлению потока участок, имеющий в основном увеличивающийся внутренний диаметр в направлении вниз по потоку.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первая часть трубы содержит средства увеличения площади внутренней поверхности.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вторая часть трубы содержит средства увеличения площади внутренней поверхности.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в первой части трубы содержится меньшая часть топлива и окислителя, обладающая большей способностью к детонации, чем остальная основная часть топлива и окислителя.
8. Устройство для очистки поверхности внутри резервуара, имеющего стенку, отделяющую внутреннее пространство резервуара от наружного, в которой выполнено отверстие, отличающееся тем, что оно снабжено вытянутой трубой, имеющей первый конец, вышерасположенный по направлению потока, и второй конец, ниже расположенный по направлению потока, и установленной с возможностью направления ударной волны от второго конца во внутреннее пространство резервуара, и средствами введения первой и второй смесей топлива и окислителя в трубу и инициирования быстрого горения первой смеси с возможностью обеспечения перехода "быстрое горение-детонация" от указанного быстрого горения и детонации указанной второй смеси с созданием ударной волны.
9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что окислитель в первой смеси имеет содержание кислорода больше, чем окислитель во второй смеси.
10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что вторая смесь топлива и окислителя отличается от первой смеси топлива и окислителя по химическому составу или пропорциям частей.
11. Устройство по п.8, отличающееся тем, что указанные средства содержат ряд изменений площади поперечного сечения внутри трубы.
12. Способ очистки поверхности внутри резервуара, имеющего стенку с отверстием, отличающийся тем, что осуществляют подачу первой смеси топлива и окислителя в первую часть трубы, подачу второй смеси топлива и окислителя, различающейся с первой смесью по химическому составу или пропорциям частей, во вторую часть трубы, и инициируют реакцию первой смеси топлива и окислителя с вызовом детонации второй смеси топлива и окислителя и образованием ударной волны, взаимодействующей с поверхностью.
13. Способ по п.12, отличающийся тем, что прохождение реакции в первой смеси топлива и окислителя включает переход от быстрого горения к детонации.
14. Способ по п.12, отличающийся тем, что вторая смесь топлива и окислителя обладает более слабыми детонационными свойствами, чем первая смесь.
15. Способ по п.12, отличающийся тем, что окислитель второй смеси топлива и окислителя имеет меньшее содержание кислорода, чем окислитель первой смеси.
16. Способ по п.12, отличающийся тем, что первую смесь топлива и окислителя вводят в первую часть трубы в виде отдельных компонентов топлива и окислителя, а вторую смесь топлива и окислителя вводят во вторую часть трубы предварительно смешанной.
17. Способ по п.12, отличающийся тем, что первую смесь топлива и окислителя вводят в первую часть трубы предварительно смешанной, а вторую смесь топлива и окислителя вводят во вторую часть трубы предварительно смешанной.
18. Способ по п.12, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют продувку трубы продувочным газом.
19. Способ по п.12, отличающийся тем, что используют трубу, имеющую характеристическую площадь поперечного сечения первой части трубы меньше чем характеристическая площадь поперечного сечения второй части трубы.
20. Способ по п.12, отличающийся тем, что основную часть указанной первой смеси топлива и окислителя подают перед подачей основной части указанной второй смеси топлива и окислителя.
