Горелочное устройство
Владельцы патента RU 2647172:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) (RU)
Изобретение относится к области энергетики, в частности к жидкотопливным горелочным устройствам, использующим для горения перегретый водяной пар. Горелочное устройство содержит цилиндрический корпус, пароперегреватель, установленный на корпусе, распылительную паровую форсунку, топливопровод, камеру газогенерации, дополнительные паровые форсунки, сопло для выхода продуктов горения. С обеих сторон цилиндрического корпуса установлены крышки, левая и правая, в центр которых вмонтированы патрубки для естественной подачи воздуха в камеру газогенерации, распылительная паровая форсунка установлена под углом к оси цилиндрического корпуса на патрубке левой крышки с возможностью подачи струи перегретого водяного пара в камеру газогенерации, дополнительные паровые форсунки, установленные тангенциально на цилиндрическом корпусе вблизи левой крышки, размещены так, что оси форсунок лежат в одной плоскости, сопло для выхода продуктов горения в виде факела установлено тангенциально на цилиндрическом корпусе вблизи правой крышки, на конец топливопровода в месте его соединения с патрубком левой крышки установлена игла, имеющая внутреннюю полость с отверстием на конце, причем острие иглы расположено в непосредственной близости от выходного отверстия паровой распылительной форсунки таким образом, что жидкое топливо подается на струю пара из паровой форсунки в область с максимальной температурой и скоростью потока. Технический результат - повышение качества распыла загрязненного, вязкого жидкого топливного сырья и увеличение времени химических реакций в камере газогенерации при высокой концентрации паров воды и низкой концентрации воздуха. 4 ил.
Изобретение относится к жидкотопливным горелочным устройствам, использующим для горения перегретый водяной пар, и обеспечивает при его использовании возможность снижения образования отложений кокса на поверхности дна камеры горения при сжигании жидкого топливного сырья, сильно загрязненного твердыми частицами и водой.
Известно горелочное устройство [Патент W09301449, F23L 7/00, F23L 7/005, 10.07.1991], содержащее камеру газогенерации в виде трубы, соединенной с выходным каналом центробежного вентилятора, жидкотопливную форсунку, расположенную в камере газогенерации и соединенную с устройством подачи топлива трубопроводом, а также встроенный парогенератор перегретого водяного пара, установленный на входе смесительной трубы, соединенной с входным каналом центробежного вентилятора. Перегретый водяной пар производится с использованием электрической энергии и смешивается с всасывающимся воздухом так, чтобы не происходила конденсация пара. Смесь воздуха и перегретого водяного пара нагнетается центробежным вентилятором в трубу, где топливной форсункой распыляется жидкое топливо.
Недостатком этого устройства является то, что при сжигании загрязненного углеводородного топливного сырья может происходить засорение топливной форсунки, что приведет к выходу из строя всего горелочного устройства. Кроме того, прямолинейное движение потока ограничивает время для протекания химических реакций, что снижает степень газификации жидкого топливного сырья.
Известно также горелочное устройство для газификации топлива [Патент РФ №2040731, F23C 5/06, 16.05.1994], содержащее цилиндрическую камеру с торцевыми аксиальными отверстиями для подачи первичного воздуха, центральную мазутную форсунку и периферийный газовый коллектор, а также сквозную наклонную щель по периметру камеры для подачи вторичного воздуха, и дополнительно - пароподводящий узел в виде коллектора с соплами для подачи водяного пара, установленный в цилиндрической камере в зоне распыла топлива, причем оси сопел расположены параллельно продольной оси камеры.
Недостатком этого устройства является то, что при сжигании загрязненного углеводородного топливного сырья может происходить засорение топливной форсунки, что приведет к выходу из строя всего горелочного устройства. Кроме того, прямолинейное движение потока ограничивает время для протекания химических реакций, что снижает степень газификации жидкого топливного сырья.
Известно устройство для газификации жидкого топлива [Авторское свидетельство СССР №191032, С10В 55/08, C10J 1/12, 20.04.1964], содержащее цилиндрическую камеру с тангенциальными отверстиями для подачи воздуха и аксиальными отверстиями для подачи топлива и части воздуха, кроме того, тангенциальные отверстия расположены по всей длине камеры. Здесь камера газификации закрытая, где происходит вихревое движение вторичного воздуха, а вместе с ним горящего газового потока. Степень газификации в этом устройстве выше, чем в предыдущих устройствах, но здесь производится воздушная газификация жидкого топлива.
Недостатком этого устройства является то, что при сжигании загрязненного углеводородного топливного сырья может происходить засорение топливной форсунки, что приведет к выходу из строя всего горелочного устройства.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков является горелочное устройство [Патент РФ №2450207, F23C 99/00, F23G 7/05, F23D 11/20, F23L 7/00, 28.10.2010], содержащее цилиндрический корпус в виде стакана, паровую форсунку для подачи перегретого водяного пара, вмонтированную в дно корпуса, воздухоподводящие отверстия, выполненные на цилиндрической стенке корпуса, топливопровод и камеру газогенерации, согласно изобретению, содержит дополнительные паровые форсунки, закрепленные на держателе форсунок, имеющем форму кольцевой камеры, установлены внутри корпуса с возможностью подачи перегретого водяного пара в камеру газогенерации, а также содержит камеру распыла жидкого топлива, образованную внутренними поверхностями корпуса и держателя форсунок, а топливопровод вмонтирован в стенку камеры распыла с возможностью подачи жидкого топлива сверху на струю пара из распылительной паровой форсунки, установленной в дне корпуса.
В этом устройстве конец топливоподающей трубки, из которого истекает жидкое топливо, расположен на расстоянии от выходного отверстия распылительной форсунки, необходимом для размещения пламени, выходящего из камеры газогенерации. Приблизить конец трубки к выходному отверстию распылительной форсунки здесь нецелесообразно из-за коксования вязкого топлива на конце топливоподающей трубки, которая окажется в зоне пламени.
Пламя, выходящее из камеры газогенерации, является нестационарным, образующиеся пульсации потока могут отклонять струю жидкого топлива от струи перегретого пара, что ухудшает качество распыла. Кроме того, прямолинейное движение реагирующего потока в камере газогенерации ограничивает время для протекания химических реакций, что снижает степень газификации жидкого топлива.
В основу изобретения положена задача повышения качества распыла загрязненного, вязкого жидкого топливного сырья, сильно загрязненного твердыми частицами и водой, и увеличения времени химических реакций в камере газогенерации при высокой концентрации паров воды и низкой концентрации воздуха, с целью снижения образования отложений кокса на поверхности дна камеры горения и увеличения степени газификации жидкого топливного сырья.
Поставленная задача решается тем, что в горелочном устройстве, содержащем цилиндрический корпус, пароперегреватель, установленный на корпусе, распылительную паровую форсунку, топливопровод, дополнительные паровые форсунки, камеру газогенерации и сопло для выхода продуктов горения, согласно изобретению, с обеих сторон цилиндрического корпуса установлены крышки, левая и правая, в центры которых вмонтированы патрубки для естественной подачи воздуха в камеру газогенерации, распылительная паровая форсунка установлена под углом к оси цилиндрического корпуса на патрубке левой крышки с возможностью подачи струи перегретого водяного пара в камеру газогенерации, дополнительные паровые форсунки, установленные тангенциально на цилиндрическом корпусе вблизи левой крышки, размещены так, что оси форсунок лежат в одной плоскости, сопло для выхода продуктов горения в виде факела установлено тангенциально на цилиндрическом корпусе вблизи правой крышки, на конец топливопровода в месте его соединения с патрубком левой крышки установлена игла, имеющая внутреннюю полость с отверстием на конце, причем острие иглы расположено в непосредственной близости от выходного отверстия паровой распылительной форсунки таким образом, что жидкое топливо подается на струю пара из паровой форсунки в область с максимальной температурой и скоростью потока.
Сущность технического решения поясняется чертежами. Продольное сечение устройства - фиг. 1. Поперечное сечение устройства - фиг. 2. Где: 1 - цилиндрический корпус, 2 - пароперегреватель, 3 - распылительная паровая форсунка, 4 - топливопровод, 5 - дополнительные форсунки, 6 - левая крышка, 7 - правая крышка, 8 - патрубок левой крышки, 9 - патрубок правой крышки, 10 - сопло, 11 - игла, 12 - штуцер для подачи водяного пара, 13 - штуцер для подачи перегретого водяного пара, 14 - отверстие иглы, 15 - камера газогенерации, 16 - трубопровод.
Заявляемое устройство состоит из цилиндрического корпуса 1, пароперегревателя 2, распылительной паровой форсунки 3, топливопровода 4 и дополнительных форсунок 5. На цилиндрический корпус 1 с обеих сторон установлены крышки 6 и 7, в центр которых вмонтированы патрубки 8 и 9. На патрубке левой крышки 6 под углом к оси цилиндрического корпуса 1 установлена распылительная паровая форсунка 3. Распылительная паровая форсунка 3 установлена с возможностью подачи струи перегретого водяного пара в камеру газогенерации, 15. Вблизи правой крышки на цилиндрический корпус 1 тангенциально установлено сопло 10 прямоугольного поперечного сечения. Дополнительные паровые форсунки 5 установлены тангенциально на цилиндрическом корпусе 1 вблизи левой крышки. Дополнительные форсунки размещены так, что их оси лежат в одной плоскости. На топливопроводе 4 установлена игла 11, острие которой находится в непосредственной близости от выходного отверстия паровой распылительной форсунки 3. Игла 11 выполнена полой с одним 14 или несколькими отверстиями в средней части. В нижней части пароперегревателя 2 размещен штуцер 12 для подачи водяного пара в пароперегреватель 2, а в верхней - штуцер 13 для выхода перегретого пара. Штуцер 13 соединен со всеми паровыми форсунками трубопроводом 16, изображенным на фигурах 1 и 2 штриховой линией со стрелками, указывающими направление движения перегретого пара. Наружная поверхность устройства утеплена термостойким теплоизоляционным материалом (на чертежах не показано).
Устройство работает следующим образом.
Сначала производят прогрев устройства. После прогрева через штуцер 12 подают водяной пар от внешнего источника. Пар может быть как насыщенный, так и перегретый. Пароперегреватель 2 увеличивает температуру пара. После подачи пара подают жидкое топливо в топливопровод 4, которое попадает во внутреннюю полость иглы 11 и через отверстие 14 вытекает на внешнюю поверхность иглы, после чего стекает с острия на высокоскоростную паровую струю перегретого пара в непосредственной близости от форсунки 3. Далее производят поджигание паромасляного аэрозоля газовой горелкой через внутреннее отверстие патрубка 8. Горелочное устройство начинает работать.
В заявляемом устройстве распыл топлива осуществляется перегретым водяным паром, истекающим из распылительной форсунки под давлением. В плоскости выхода из паровой форсунки струя пара имеет максимальную скорость и температуру. С увеличением расстояния от форсунки и скорость потока пара, и температура уменьшаются. Таким образом, поместив острие иглы, по которой стекает жидкое топливо, в непосредственной близости от выходного отверстия паровой форсунки так, что жидкое топливо подается в область с максимальной температурой и скоростью потока, в зону пониженного давления, за счет чего обеспечивается качественный мелкодисперсный распыл топлива. Высокотемпературный поток пара вызывает нагрев вязкого топливного сырья, что приводит к снижению вязкости и поверхностного натяжения жидкости, облегчая ее диспергирование на мелкие капли, увлекаемые струей пара. Все вышеперечисленные факторы повышают качество распыла загрязненного жидкого и вязкого топливного сырья.
Для увеличения времени химических реакций в камере газогенерации 15, сама камера выполнена закрытой крышками, причем с обеих сторон, а дополнительные паровые форсунки установлены тангенциально, и сопло для выхода продуктов горения также расположено тангенциально. Дополнительные паровые форсунки создают в камере газогенерации вихревой поток с областью пониженного давления вблизи оси камеры, поэтому из патрубков 8 и 9 обеих крышек внутрь камеры засасывается воздух, необходимый и достаточный для химических реакций. Подача в зону горения перегретого водяного пара приводит к газификации продуктов термического разложения и неполного сгорания топлива, интенсификации реакции и выгоранию углерода. Вихревое движение химически реагирующего газового потока и оригинальный вывод продуктов горения увеличивает время химических реакций в камере газогенерации. Причем массовый расход пара, подаваемого в камеру газогенерации, значительно выше массового расхода засасываемого воздуха.
Авторы изготовили и испытали действующий образец горелочного устройства. На фиг. 3 показано горелочное устройство в процессе сжигания дизельного топлива (вид со стороны правой крышки). На фиг. 4 - распылительный блок горелочного устройства в процессе работы (вид со стороны левой крышки). Проведенные испытания горелочного устройства показали его надежную и эффективную работу. Устройство обеспечивает равномерный мелкодисперсный распыл топлива, устойчивое воспламенение топлива, отсутствует сажа в продуктах сгорания, отсутствует коксование внутренних поверхностей горелки и топливоподающей иглы.
Горелочное устройство, содержащее цилиндрический корпус, пароперегреватель, установленный на корпусе, распылительную паровую форсунку, топливопровод, камеру газогенерации, дополнительные паровые форсунки, сопло для выхода продуктов горения, отличающееся тем, что с обеих сторон цилиндрического корпуса установлены крышки, левая и правая, в центр которых вмонтированы патрубки для естественной подачи воздуха в камеру газогенерации, распылительная паровая форсунка установлена под углом к оси цилиндрического корпуса на патрубке левой крышки с возможностью подачи струи перегретого водяного пара в камеру газогенерации, дополнительные паровые форсунки, установленные тангенциально на цилиндрическом корпусе вблизи левой крышки, размещены так, что оси форсунок лежат в одной плоскости, сопло для выхода продуктов горения в виде факела установлено тангенциально на цилиндрическом корпусе вблизи правой крышки, на конец топливопровода в месте его соединения с патрубком левой крышки установлена игла, имеющая внутреннюю полость с отверстием на конце, причем острие иглы расположено в непосредственной близости от выходного отверстия паровой распылительной форсунки таким образом, что жидкое топливо подается на струю пара из паровой форсунки в область с максимальной температурой и скоростью потока.
