Способ контактного нагрева жидкостей и устройство для его осуществления
Изобретение относится к способу и устройству для контактного нагрева жидкостей. Способ контактного нагрева жидкостей заключается в том, что в камеру сгорания, погруженную в жидкость, раздельно подают горючее и окислитель через форсунки, образуя однородный кольцевой слой горючей смеси, в котором инициируют сжигание топлива в режиме непрерывной спиновой детонации, продукты которого попадают напрямую в жидкость, отдавая ей свое тепло. Устройством для контактного нагрева является детонационная камера сгорания, представляющая собой кольцевой канал между двумя коаксиально расположенными цилиндрическими трубами, заглушенный с одного торца. Через два ряда отверстий, равномерно расположенных в кольцевом зазоре вдоль окружностей, равноудаленных от цилиндрических стенок камеры, раздельно подаются горючее и окислитель. Накопившаяся смесь с помощью электрического разряда поджигается. Горение переходит в процесс непрерывной спиновой детонации. Поток продуктов детонации, выходящий из детонационной камеры, эжектирует через центральную трубу жидкость, дробится в ударных волнах на мелкие пузырьки и отдает жидкости свое тепло. Для усиления дробления пузырьков на выходе детонационной камеры установлена перфорированная пластина - кавитатор. Изобретение направлено на повышение энергетической безопасности и снижение тепловых потерь. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для нагревания жидкостей в различных технологических процессах без применения теплообменников при прямом контакте продуктов сгорания топлива с жидкостью.
Известен способ нагрева теплоносителя (RU 93017298 А, 27.10.1996), включающий подачу топлива и окислителя, их перемешивание и сжигание в камере сгорания, подачу в область горения жидкости (воды), предварительно нагретой в водогрейной рубашке камеры сгорания, отвод полученного из смеси паров жидкости и продуктов сгорания биагентного теплоносителя. Недостаток описанного способа - снижение температуры пламени за счет подачи воды в камеру сгорания, что приводит к неполному сгоранию топлива и образованию сажи, загрязняющей теплоноситель.
Известен способ двухэтапного нагрева теплоносителя продуктами сгорания метана с воздухом в газовой горелке (патент RU 2183791 С1, 20.06.2002). На первом этапе теплоноситель нагревается в водяной рубашке камеры сгорания, затем подается в струйный аппарат, где смешивается с продуктами полного сгорания топлива и нагревается до температуры 120-900 градусов. К недостаткам данного способа следует отнести неполное сгорание топлива в турбулентной газовой горелке и попадание несгоревших остатков топлива в теплоноситель, а также сложность способа.
Известен способ нагрева жидкости (JP 2005147464 А, 09.06.2005), включающий подачу и сжигание газообразного топлива (смеси горючего и окислителя) из одной трубки в жидкость в виде одного пузырька с последующим поджигом электрическим разрядом. Образовавшаяся при сгорании топлива тепловая энергия переходит в жидкость. Недостаток данного способа: подача готового топлива по одной трубке в теплоноситель может привести, при сжигании пузырька, к проскакиванию пламени в трубку и взрыву внутри камеры смешения горючего и окислителя.
Известно устройство для сжигания топлива в режиме непрерывной спиновой детонации, описанное в патенте RU 2459150 С2, 20.08.2012.
Устройство содержит кольцевую камеру сгорания, систему смешения реагентов (горючего с окислителем), размещенную в начале камеры сгорания, систему подачи, включающую кольцевую форсунку с равномерно расположенными по окружности стенки камеры сгорания отверстиями, входное и выходное отверстие для продуктов горения, источник зажигания. Камера сгорания выполнена расширяющейся от входа к выходу, на переднем конце камеры сгорания имеется щель, через которую в режиме эжекции подают один из реагентов горючей смеси (горючее или окислитель), напротив щели расположена кольцевая форсунка, которая является средством турбулизации потока. Устройство работает следующим образом: горючее подается через кольцевую форсунку, окислитель в режиме эжекции поступает через щель на переднем конце камеры. После инициирования горения тепловым импульсом запускается сжигание топлива в спиновых поперечных детонационных волнах, за которыми в волне разрежения, примыкающей к детонационному фронту, через щель эжектируется окислитель. Детонация осуществляется непрерывно до тех пор, пока подается горючее в условиях расположения камеры в безграничном объеме окислителя.
К недостаткам известного устройства относится невозможность его использования в жидкостях или разряженной атмосфере, так как эжекция окислителя должна осуществляться из окружающей среды.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ нагрева жидкого теплоносителя (RU 2465521 С2, 27.10.2012) (прототип): горючее и окислитель подают в теплоноситель раздельно, затем смешивают их в теплоносителе с образованием газового пузырька горючей смеси, которая поджигается электрическим разрядом при достижении пузырьком заданных размеров. Для получения нагревателя большой мощности создают множество пар потоков «топливо - окислитель» за счет разветвления трубопровода и увеличивают количество поджигающих электродов, что следует отнести к недостаткам данного способа наряду со сложностью системы синхронизации поджигания пузырьков. Известный способ отличается низким КПД за счет неполного сжигания топлива в процессе обычного горения (дефлаграции). Устройство, применяемое для осуществления способа, имеет не менее двух подводящих трубопроводов для обеспечения возможности раздельной подачи топлива и окислителя в теплоноситель. Каждый трубопровод имеет множество трубок-ответвлений, которые объединены попарно таким образом, что образуют каналы для раздельной подачи топлива и окислителя в теплоноситель с возможностью образования пузырька горючей смеси. Трубки-ответвления объединены в отдельные блоки, заключенные в диэлектрические корпуса, и подсоединены к соответствующим трубопроводам. При этом трубки-ответвления имеют выход на активную поверхность упомянутого диэлектрического корпуса. Недостатком известного способа и устройства является сложность системы выдувания и поджигания пузырьков с топливом непосредственно в теплоносителе. Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является упрощение способа нагрева теплоносителя и устройства для его осуществления, повышение энергетической эффективности и безопасности. Решение поставленной задачи достигается путем контактного нагрева жидкостей, включающего сжигание горючей смеси из топлива и окислителя и реализацию нагретого теплоносителя. При этом сжигание горючей смеси проводят в камере сгорания, погруженной в нагреваемую жидкость, с последующим выводом из нее продуктов реакции в нагреваемую жидкость, причем горючее и окислитель вводят в камеру сгорания с образованием однородного кольцевого слоя горючей смеси, в котором инициируют сжигание топлива в режиме непрерывной спиновой детонации.
Предпочтительно горючее и окислитель в камеру сгорания подают раздельно через форсунки.
Также цель достигается при использовании устройства для контактного нагрева жидкости, содержащем кольцевую камеру сгорания, образуемую двумя полыми коаксиально расположенными цилиндрами, заглушенным с одного торца, систему раздельной подачи горючего и окислителя, представляющую собой два ряда форсунок равномерно расположенных по окружности в камере сгорания, входное отверстие в центре устройства для проточного поступления жидкости в процессе сжигания топлива, выходное отверстие для продуктов горения, источник зажигания, кавитатор, представляющий собой пластину с отверстиями, установленный напротив выходного отверстия камеры.
Кавитатор предназначен для дробления продуктов детонации на мелкие пузырьки в жидкости и усиления теплообмена между горячими продуктами детонации и жидкостью.
В отличие от известного способа (прототипа) нагрев жидкости происходит за счет сжигания топлива в поперечных детонационных волнах, а не в процессе обычного горения (дефлаграции). Теоретические расчеты показывают, что процесс детонационного сжигания топлива термодинамически эффективнее обычного горения (Зельдович Я.Б. К вопросу об энергетическом использовании детонационного горения // Журн. техн. Физики. – 1940. - Т. 10, Вып. 17. - С. 1453-1461), а эксперименты, проведенные в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СОРАН (Быковский Ф.А., Ждан С.А. Непрерывная спиновая детонация. Новосибирск, Издательство СО РАН 2013 г. 423 с.), показывают, что при детонационном сжигании топливовоздушных смесей меньше образуется окислов азота и других вредных соединений, чем при обычном горении.
Помещенная в жидкость детонационная камера (устройство для сжигания топлива) не нуждается в рубашке охлаждения и, в отличие от известного устройства (RU 2459150 С2, 20.08.2012), может работать при непосредственном погружении в жидкость за счет подачи горючего и окислителя через форсунки, а не эжекции одного из компонентов топлива из окружающего пространства, имеет центральный цилиндр не массивный, а в виде трубы для сквозного протока жидкости через камеру для улучшения охлаждения стенок цилиндра, на выходе из камеры сгорания предложено установить кавитатор для улучшения теплообмена между горячими продуктами и жидкостью, предназначенный для дробления в жидкости продуктов детонации на мелкие пузырьки.
Применение изобретения будет способствовать более рациональному использованию природных энергетических ресурсов путем снижения тепловых потерь при передаче тепла жидкому теплоносителю в процессе сжигания топлива.
На чертеже представлена схема устройства для нагрева жидкости.
Устройство представляет собой конструкцию с кольцевым зазором между внешним (1) и внутренним (2) полыми цилиндрами, расположенными коаксиально. Зазор заглушен с одного торца и имеет два ряда форсунок (3), равномерно расположенных на этом торце вдоль окружностей, равноудаленных от стенок зазора и предназначенных для раздельной подачи окислителя (4) и горючего (5). В кольцевом зазоре установлена электрическая свеча (6). На выходе из камеры установлен кавитатор (7), представляющий собой пластину с отверстиями. Устройство помещено в емкость (8), наполненную жидкостью.
Устройство работает следующим образом.
В зазор между двумя коаксиально расположенными цилиндрами: внешнего - 1, внутреннего - 2, через форсунки 3 раздельно подаются горючее 5 и окислитель 4. Перемешанные компоненты топлива зажигаются с помощью электрической свечи 6. Горение переходит в процесс непрерывной спиновой детонации. Поток продуктов детонации, выходящий из детонационной камеры, эжектирует жидкость через проточную трубу внутреннего цилиндра, дробится о кавитатор 7 на мелкие пузырьки и отдает жидкости свое тепло. Из емкости 8 нагретая жидкость поступает потребителю.
Именно заявляемые конструктивные отличия, признаки устройства для нагрева жидкости позволяют реализовать заявляемый способ, тем самым обеспечивая достижение поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о том, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в упрощении способа нагрева теплоносителя и устройства для его осуществления, повышении энергетической эффективности и безопасности.
1. Способ контактного нагрева жидкостей, включающий сжигание горючей смеси из топлива и окислителя и реализацию нагретого теплоносителя, отличающийся тем, что сжигание горючей смеси проводят в камере сгорания, погруженной в нагреваемую жидкость, с последующим выводом из нее продуктов реакции в нагреваемую жидкость, причем горючую смесь и окислитель вводят в камеру сгорания с образованием однородного кольцевого слоя горючей смеси, в котором инициируют сжигание топлива в режиме непрерывной спиновой детонации.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что горючую смесь и окислитель в камеру сгорания подают раздельно.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что горючую смесь и окислитель в камеру сгорания подают через форсунки.
4. Устройство для контактного нагрева жидкости, включающее емкость с теплоносителем и устройство для сжигания топлива, отличающееся тем, что устройство для сжигания топлива выполнено в виде кольцевой камеры сгорания, представляющей собой зазор, образуемый двумя полыми коаксиально расположенными цилиндрами и заглушенный с одного торца, систему раздельной подачи горючего и окислителя, представляющую собой два ряда форсунок, равномерно расположенных по окружности в камере сгорания, входное отверстие в центре устройства для проточного поступления жидкости в процессе сжигания топлива, выходное отверстие для продуктов горения, источник зажигания, кавитатор, представляющий собой пластину с отверстиями, установленную напротив выходного отверстия камеры, с возможностью дробления продуктов детонации на мелкие пузырьки в жидкости.
