Способ получения сильно перегретого пара и устройство детонационного парогенератора (варианты)
Владельцы патента RU 2686138:
Общество с ограниченной ответственностью "Новые физические принципы" (RU)
Изобретение относится к способам и устройствам для получения сильно перегретого водяного пара. Способ получения сильно перегретого водяного пара из питательной воды за счет циклического детонационного сжигания горючей смеси, в котором водяной пар, предварительно получаемый из питательной воды, подвергается циклическому или непрерывному детонационному сжатию в случае, когда горючая смесь перемешана с водяным паром и находится внутри концентрационных пределов детонации, или циклическому ударному сжатию в случае, когда горючая смесь не перемешана с водяным паром, причем в обоих случаях часть тепловой энергии, выделяющейся при циклическом или непрерывном детонационном сжигании горючей смеси, расходуется на предварительное получение водяного пара из питательной воды с помощью теплопередачи. Предложенный способ реализован в устройстве, включающем камеру сгорания, системы подачи горючего и окислителя, систему зажигания и систему подачи питательной воды, в котором камера сгорания выполнена или в виде импульсно-детонационной трубы, или в виде непрерывно-детонационной камеры сгорания, снабженной системой охлаждения, а система подачи питательной воды включает приточный резервуар с датчиком температуры питательной воды и датчиком уровня питательной воды, причем приточный резервуар всегда частично заполнен питательной водой, а импульсно-детонационная труба или непрерывно-детонационная камера сгорания и подводящие магистрали систем подачи горючего и окислителя всегда погружены в эту питательную воду, а в верхней части приточного резервуара, всегда заполненной водяным паром, расположен паровой коллектор с клапаном, направляющий водяной пар во входное сечение импульсно-детонационной трубы или непрерывно-детонационной камеры сгорания. Изобретение направлено на формирование плотной и дальнобойной струи сильно перегретого водяного пара для переработки и утилизации твердых бытовых и других отходов по бескислородным технологиям. 3 н.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники
Изобретение относится к способам и устройствам для получения сильно перегретого водяного пара для использования в различных технологических установках, например, по переработке и утилизации твердых бытовых и других отходов по бескислородным технологиям.
В существующих парогенераторах перегретый водяной пар, как правило, получают теплопередачей от горячих продуктов сгорания того или иного горючего: тепло сначала подводится для подогрева питательной воды до температуры насыщения и ее парообразования, а затем - к насыщенному водяному пару. В результате на выходе из парогенератора получают перегретый пар заданной температуры, которая не может превысить адиабатическую температуру горения того или иного горючего (например, для смеси метана с воздухом около 2200 K) и определяется жаропрочностью материала стенок теплообменников. Даже если стенки теплообменников выполнены из дорогостоящей жаропрочной стали их максимальная температура не превышает ~1000 К. Поэтому получение сильно перегретого пара, т.е. пара с очень высокой температурой (1500-2000 К и выше) - проблема, которая до настоящего времени не решена. Для решения этой проблемы предлагается новый способ сильного перегрева насыщенного водяного пара с помощью его ударного или детонационного сжатия и разогрева в циклическом или непрерывном рабочем процессе, основанном на импульсно-детонационном (Фролов С.М., Сметанюк В.А., Фролов Ф.С., Патент WO/2016/060582 А1, Способ детонационной штамповки и устройство для его реализации B21D 26/08 (2006.01), опубликованный 21.04.2016) или непрерывно-детонационном (Фролов С.М., Фролов Ф.С Устройство для сжигания топлива в непрерывной детонационной волне. Заявка PCT/RU 2013/000130 от 19.02.2013) сжигании того или иного горючего. Во-первых, в таком способе вместо относительно медленной теплопередачи через стенки теплообменника используется быстропротекающий процесс ударного сжатия и разогрева водяного пара в бегущей ударной или детонационной волне, повышающей давление и температуру до 25-30 и до 8-10 раз соответственно в течение нескольких микросекунд. Во-вторых, детонационное сжигание горючего более энергоэффективно, чем дефлаграционное (Фролов С.М., Барыкин А.Е., Борисов А.А. Термодинамический цикл с детонационным сжиганием топлива. Химическая физика, 2004, том 23, №3, с. 17-25).
Предшествующий уровень техники
Известны способы работы и устройства генераторов перегретого пара, описанные в монографии Резникова М.И. и Липова Ю.М «Паровые котлы тепловых электростанций» - М.: Энергоиздат, 1981, с. 9-11. Описанные в данной монографии способы заключаются в передаче энергии, выделяемой при сжигании различных топлив посредством теплопередачи через стенки теплообменника, сначала воде, а затем к влажному насыщенному пару, который поступает в пароперегреватель, где завершается образование перегретого пара. Известные устройства для получения перегретого пара включают, как правило, камеру сгорания (топку) и три вида поверхностей нагрева: экономайзер (для предварительного подогрева воды), парообразующий экран (для получения влажного пара) и пароперегреватель (для получения собственно перегретого пара). Основной недостаток таких способов и устройств заключается в их низкой экономичности, обусловленной недогоранием топлива, и высокой металлоемкости из-за необходимости использовать развитые поверхности теплообмена между продуктами горения и водой/паром.
Известны способ работы и устройство для генерирования перегретого пара, предложенные в заявке на изобретение RU 94028304 A1, F22G 1/10 (1995.01), F22B 1/28 (1995.01), 27.05.1995. В предложенном способе перегретый пар генерируется дросселированием и последующим нагреванием насыщенного пара, причем насыщенный пар получают в емкости путем нагревания находящейся в ней жидкости при постоянном давлении насыщения, меньшем давления в критической точке и равном давлению до дросселирования, а нагревание сдросселированного пара осуществляют путем рекуперативного теплообмена с этой же жидкостью в этой же емкости. В устройстве, согласно предложенному способу, жидкость по патрубку 7 поступает в корпус 1, где нагревается с помощью нагревателя 2. Нагрев жидкости происходит при постоянном давлении. Образующийся насыщенный пар поднимается в верхнюю часть корпуса 1 и поступает в дроссель 3. Сдросселированный пар по магистрали 4 проходит в теплообменник 5, который погружен в нагреваемую в корпусе жидкость. При теплообмене сдросселированного пара с жидкостью происходит перегрев пара, и перегретый пар по магистрали 6 поступает потребителю. Основной недостаток устройства заключается в том, что максимально достижимая температура образуемого перегретого пара ограничена температурой системы «вода -насыщенный пар» в корпусе, которая, не превышает, согласно изобретению, температуру при давлении в критической точке.
Известно устройство для генерирования перегретого пара, предложенное в патенте RU 2202067 С2, F22B 31/04 (2000.01), F23R 7/00 (2000.01), 10.04.2003. Устройство содержит топочную камеру, включающую горелочное устройство, камеру охлаждения, питательный насос, экономайзер, парообразующие экраны, пароперегреватель, детонатор и дополнительные топочные камеры с горелочными устройствами и камерами охлаждения. Детонатор имеет цилиндр, поршень, энергоаккумулятор, амортизатор, детонационный канал, систему клапанов и установлен в одной из топочных камер. Все топочные камеры содержат жалюзи и клапаны и соединены между собой детонационными каналами, а камеры охлаждения снабжены шлаковыми летками, фильтрами и соплами. Основной недостаток устройства заключается в том, что для получения перегретого пара используется только тепловая составляющая детонационной волны, а тепловая энергия передается водяному пару традиционным способом - с помощью теплопередачи.
Наиболее близкими к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ и устройство для его реализации, предложенные в патенте WO 2011/070580 A1, F23D 14/12 (2006.01), 09.12.2010 и в работе «Performance-Stability and Performance-Safety of a Practical Pulse Detonation Burner (based on patent WO 2011070580 A8)» // Michael Zettner / The 31st Annual Symposium on the Israel Section of the Combustion Institute, December 14th, 2017, pp.73-76. В способе-прототипе пар генерируется в результате теплопередачи от ударных волн и продуктов детонации к нагреваемой воде и/или пару через стенку камеры сгорания, имеющей развитую наружную поверхность. Устройство-прототип включает систему подачи топлива, систему подачи окислителя, каналы подачи топлива и окислителя в камеру сгорания, камеру сгорания с гладкими внутренними стенками, источник искрового зажигания, выпускной канал, соединяющий камеру сгорания с атмосферой, а также теплообменник для нагрева воды и/или пара, состоящий из внешнего кожуха и ребер, выполненных на внешней стороне стенки камеры сгорания. Основной недостаток способа-прототипа и устройства-прототипа заключается в том, что для получения перегретого пара используется только тепловая составляющая детонационной волны, а тепловая энергия передается водяному пару традиционным способом - с помощью теплопередачи.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения - создание способа сильного перегрева водяного пара с помощью его ударного или детонационного сжатия и разогрева в циклическом или непрерывном рабочем процессе, основанном на детонационном сжигании смеси «горючее - окислитель», не перемешанной или перемешанной с водяным паром.
Задача изобретения - создание устройства, которое обеспечит сильный перегрев водяного пара с помощью его ударного или детонационного сжатия и разогрева в циклическом или непрерывном рабочем процессе, основанном на детонационном сжигании смеси «горючее - окислитель», не перемешанной или перемешанной с водяным паром.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемыми:
- способом получения сильно перегретого водяного пара из питательной воды за счет циклического или непрерывного детонационного сжигания горючей смеси, в котором водяной пар, предварительно получаемый из питательной воды, подвергается циклическому или непрерывному детонационному сжатию в случае, когда горючая смесь перемешана с водяным паром и находится внутри концентрационных пределов детонации, или циклическому ударному сжатию в случае, когда горючая смесь не перемешана с водяным паром, причем в обоих случаях часть тепловой энергии, выделяющейся при циклическом или непрерывном детонационном сжигания горючей смеси, расходуется на предварительное получение водяного пара из питательной воды с помощью теплопередачи.
- устройством, включающим камеру сгорания, системы подачи горючего и окислителя, систему зажигания и систему подачи питательной воды, в котором камера сгорания выполнена в виде импульсно-детонационной трубы, система подачи питательной воды включает приточный резервуар с датчиком температуры питательной воды и датчиком уровня питательной воды, причем приточный резервуар всегда частично заполнен питательной водой, а импульсно-детонационная труба и подводящие магистрали систем подачи горючего и окислителя всегда погружены в эту питательную воду, а в верхней части приточного резервуара, всегда заполненной водяным паром, расположен паровой коллектор с клапаном, направляющий водяной пар во входное сечение импульсно-детонационной трубы;
- устройством, включающим камеру сгорания, системы подачи горючего и окислителя, систему зажигания и систему подачи питательной воды, в котором камера сгорания выполнена в виде кольцевой или дисковой непрерывно-детонационной камеры сгорания, снабженной системой охлаждения, а система подачи питательной воды включает приточный резервуар с датчиком температуры питательной воды и датчиком уровня питательной воды, причем питательная вода сначала поступает в систему охлаждения непрерывно-детонационной камеры сгорания, а затем в приточный резервуар, всегда частично заполненный питательной водой, а непрерывно-детонационная камера сгорания и подводящие магистрали систем подачи горючего и окислителя всегда погружены в эту питательную воду, а в верхней части приточного резервуара, всегда заполненной водяным паром, расположен паровой коллектор с клапаном, направляющий водяной пар во входное сечение непрерывно-детонационной камеры сгорания.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведена схема первого варианта заявляемого устройства: 1 - импульсно-детонационная труба, 2 - паровой коллектор с клапаном, 3 - приточный резервуар, 4 - датчик уровня питательной воды, 5 - датчик температуры питательной воды, 6 - система зажигания, 7 - подводящая магистраль системы подачи окислителя, 8 - подводящая магистраль системы подачи горючего, ДВ - детонационная волна, ВП - водяной пар.
На фиг. 2 приведена схема второго варианта заявляемого устройства: 2 - паровой коллектор с клапаном, 3 - приточный резервуар, 4 - датчик уровня питательной воды, 5 - датчик температуры питательной воды, 6 - система зажигания, 7 - подводящая магистраль системы подачи окислителя, 8 - подводящая магистраль системы подачи горючего, 9 - непрерывно-детонационная кольцевая или дисковая камера сгорания, ДВ - детонационная волна, ВП - водяной пар, СО - система охлаждения, НДКС - непрерывно-детонационная камера сгорания.
Вариант осуществления изобретения
На фиг. 1 приведена схема первого варианта заявляемого устройства. Основной узел устройства - импульсно-детонационная труба (1) с присоединенным к ее входному сечению паровым коллектором (2) с клапаном. Импульсно-детонационная труба (1) и паровой коллектор (2) с клапаном размещены в приточном резервуаре (3) с датчиком уровня питательной воды (4) и датчиком температуры (5). Устройство также включает систему зажигания (6), а также системы подачи окислителя и горючего и систему управления (на фиг. не показаны). Импульсно-детонационная труба (1) и подводящие магистрали систем подачи окислителя (7) и горючего (8) всегда погружены в питательную воду, а паровой коллектор (2) с клапаном располагается в верхней части приточного резервуара (3), всегда заполненной водяным паром.
На фиг. 2 приведена схема второго варианта заявляемого устройства. Основной узел устройства - непрерывно-детонационная камера сгорания (9), снабженная системой охлаждения (на фиг. не показана). К входному сечению непрерывно-детонационной камеры сгорания (9) присоединен паровой коллектор (2) с клапаном. Непрерывно-детонационная камера сгорания (9) и паровой коллектор (2) с клапаном размещены в приточном резервуаре (3) с датчиком уровня питательной воды (4) и датчиком температуры (5). Устройство также включает систему зажигания (6), системы подачи окислителя и горючего и систему управления (на фиг. не показаны). Непрерывно-детонационная камера сгорания (9) и подводящие магистрали систем подачи окислителя (7) и горючего (8) всегда погружены в питательную воду, а паровой коллектор (2) с клапаном располагается в верхней части приточного резервуара (3), всегда заполненной водяным паром.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В первом варианте предлагаемого устройства нижняя часть приточного резервуара (3) всегда заполнена питательной водой, причем импульсно-детонационная труба (1) и подводящие магистрали систем подачи окислителя (7) и горючего (8) всегда погружены в питательную воду. Верхняя часть приточного резервуара (3) всегда заполнена водяным паром, который образуется при испарении питательной воды, охлаждающей нагретую поверхность импульсно-детонационной трубы (1). Система управления с помощью датчика уровня питательной воды (4) и датчика температуры питательной воды (5) обеспечивает поддержание постоянного уровня и постоянной температуры питательной воды в приточном резервуаре (3). Устройство работает циклически с частотой рабочих циклов, задаваемых системой управления.
Рабочий цикл начинается с заполнения импульсно-детонационной трубы (1) свежей порцией рабочего тела: горючей смесью и водяным паром, причем горючая смесь может быть перемешана или не перемешана с водяным паром. Окислитель подается в импульсно-детонационную трубу (1) по подводящей магистрали системы подачи окислителя (7), а горючее - по подводящей магистрали системы подачи горючего (8). Водяной пар подается в импульсно-детонационную трубу (1) по паровому коллектору (2) с клапаном из верхней части приточного резервуара (3). Времена подачи окислителя, горючего и водяного пара в импульсно-детонационную трубу (1) определяются системой управления. При этом система управления может обеспечить несколько режимов работы предлагаемого устройства.
В режиме работы I окислитель, горючее и водяной пар подаются в импульсно-детонационную трубу (1) одновременно до ее полного или частичного заполнения.
В режиме работы II в импульсно-детонационную трубу (1) сначала подается только водяной пар, а затем в дополнение к водяному пару начинают одновременно подаваться окислитель и горючее до тех пор, пока импульсно-детонационная труба (1) не будет заполнена водяным паром полностью, а горючей смесью частично.
В режиме работы III в импульсно-детонационную трубу (1) сначала подается только водяной пар, а затем подача водяного пара прекращается и одновременно начинают подаваться только окислитель и горючее, и заполнение импульсно-детонационной трубы (1) продолжается до тех пор, пока она не будет заполнена такой расслоенной смесью полностью или частично.
По достижении той или иной заданной степени заполнения импульсно-детонационной трубы (1) подача окислителя и горючего в импульсно-детонационную трубу (1) прекращается. Для устойчивой работы устройства необходимо предотвращать возможность контакта свежей горючей смеси с горячими продуктами детонации предыдущего рабочего цикла. Это достигается формированием «пробки» водяного пара между свежей горючей смесью и горячими продуктами детонации предыдущего рабочего цикла. Например, в режиме работы I после прекращения подачи окислителя и горючего в импульсно-детонационную трубу (1) подача водяного пара еще продолжается в течение некоторого промежутка времени, достаточного для формирования «пробки».
Заполнение импульсно-детонационной трубы (1) горючей смесью заканчивается в момент, когда по команде системы управления в импульсно-детонационной трубе (1) инициируется процесс детонационного горения горючей смеси при помощи системы зажигания (6). Процесс детонационного горения осуществляется в соответствии с принципом, изложенным в патенте WO/2016/060582 А1, Способ детонационной штамповки и устройство для его реализации, B21D 26/08 (2006.01), опубликованном 21.04.2016.
При реализации режима работы I перегрев водяного пара осуществляется в результате его сжатия в детонационной волне, бегущей по смеси «горючее - окислитель - водяной пар», причем в результате детонационного горения смеси «горючее - окислитель» может образовываться дополнительное количество перегретого водяного пара (если в составе горючего имеется водород).
При реализации режима работы II перегрев водяного пара осуществляется сначала в результате его сжатия в бегущей детонационной волне, а затем, после выхода детонационной волны в объем импульсно-детонационной трубы (1), заполненный водяным паром, и превращение детонационной волны в ударную волну, перегрев водяного пара осуществляется в результате его сжатия в этой ударной волне.
При реализации режима III перегрев водяного пара осуществляется в результате его сжатия в бегущей ударной волне, получаемой после выхода детонационной волны из объема импульсно-детонационной трубы (1), заполненного смесью «горючее - окислитель», в объем импульсно-детонационной трубы (1), заполненный водяным паром.
На всех рассмотренных режимах работы предлагаемого устройства полученная смесь перегретого водяного пара с примесью продуктов детонации, например СО2, направляется потребителю через выходное сечение импульсно-детонационной трубы (1) до тех пор, пока система управления не выдаст сигнал на начало следующего рабочего цикла, начинающегося с заполнения импульсно-детонационной трубы (1) свежей порцией рабочего тела.
Во втором варианте предлагаемого устройства нижняя часть приточного резервуара (3) всегда заполнена питательной водой, причем непрерывно-детонационная камера сгорания (9) и подводящие магистрали систем подачи окислителя (7) и горючего (8) всегда погружены в питательную воду, поступающую через систему охлаждения непрерывно-детонационной камеры сгорания (9). Верхняя часть приточного резервуара (3) всегда заполнена водяным паром, который образуется при испарении питательной воды, охлаждающей нагретые поверхности непрерывно-детонационной камеры сгорания (9). Система управления с помощью датчика уровня питательной воды (4) и датчика температуры питательной воды (5) обеспечивает поддержание постоянного уровня и постоянной температуры питательной воды в приточном резервуаре (3). Устройство работает непрерывно.
Рабочий процесс заключается в непрерывной раздельной подаче в непрерывно-детонационную камеру сгорания (9) компонентов рабочего тела: горючего, окислителя и водяного пара. Окислитель подается в непрерывно-детонационную камеру сгорания (9) по подводящей магистрали системы подачи окислителя (7), а горючее - по подводящей магистрали системы подачи горючего (8). Водяной пар подается в непрерывно-детонационную камеру сгорания (9) по паровому коллектору (2) с клапаном из верхней части приточного резервуара (3). Расходы окислителя, горючего и водяного пара через непрерывно-детонационную камеру сгорания (9) определяются системой управления и обеспечивают устойчивый рабочий процесс с непрерывно-детонационным горением.
Процесс инициирования непрерывно-детонационного горения осуществляется с помощью системы зажигания (6), а протекание самого рабочего процесса осуществляется в соответствии с принципом, изложенным в патенте WO 2014/129920 А1, Устройство для сжигания топлива в непрерывной детонационной волне, F23R 7/00 (2006.01), опубликованном 28.08.2014 (авторы Фролов С.М., Фролов Ф.С). Перегрев водяного пара осуществляется в результате его сжатия в детонационной волне, непрерывно вращающейся в непрерывно-детонационной камере сгорания (9), заполняемой смесью «горючее - окислитель - водяной пар», причем в результате детонационного горения смеси «горючее - окислитель» может образовываться дополнительное количество перегретого водяного пара (если в составе горючего имеется водород). Полученная смесь перегретого водяного пара с примесью продуктов детонации, например СО2, направляется потребителю через выходное сечение непрерывно-детонационной камеры сгорания (9).
Приводим пример осуществления первого варианта изобретения на опытном образце предлагаемого устройства, оснащенного регистрирующей аппаратурой.
Опытный образец устройства включал приточный резервуар, частично заполненный питательной водой, импульсно-детонационную трубу, систему подачи окислителя, систему подачи горючего, паровой коллектор с клапаном, систему зажигания, систему подачи питательной воды, а также систему управления. В качестве окислителя использовали кислород, в качестве горючего - магистральный природный газ.
Импульсно-детонационная труба включала камеру сгорания внутренним диаметром 150 мм и длиной 400 мм, к которой последовательно присоединены ускоритель пламени внутренним диаметром 150 мм и длиной 3500 мм с препятствиями-турбулизаторами, обеспечивающими быстрый переход горения в детонацию, и гладкий участок трубы внутренним диаметром 150 мм и длиной 3000 мм. Камера сгорания содержала смесительное устройство с обратным клапаном, коллектор подачи горючего с 20 распределенными форсунками, обеспечивающими быстрое смешение горючего с окислителем и водяным паром, и 4 автомобильные свечи зажигания, обеспечивающие надежное зажигание горючей смеси, и была присоединена к магистралям подачи кислорода из системы подачи окислителя и водяного пара из парового коллектора с клапаном. Импульсно-детонационная труба, паровой коллектор с клапаном и подводящие магистрали систем подачи окислителя и горючего были размещены в приточном резервуаре. Импульсно-детонационная труба и подводящие магистрали систем подачи окислителя и горючего были погружены в питательную воду, а паровой коллектор с клапаном размещался в верхней части приточного резервуара, всегда заполненной водяным паром. Выходное сечение импульсно-детонационной трубы сообщалось с атмосферой.
Расходы кислорода, водяного пара и природного газа выбирались такими, чтобы состав горючей смеси «горючее - окислитель - водяной пар», заполняющей импульсно-детонационную трубу был стехиометрическим по соотношению горючего и окислителя, а соотношение объемов водяного пара и кислорода достигало 3:1. Время подачи компонентов горючей смеси задавали таким, чтобы обеспечить полное заполнение импульсно-детонационной трубы. Испытания проводились при частоте работы опытного образца устройства до 5 Гц. Измерения параметров рабочего режима и теплового состояния опытного образца устройства проводились по методикам приемочных испытаний горелки импульсно-детонационной скоростной (ЦИДГ. 100.000.000 ПМ01), разработанным в рамках государственного контракта №16.526.12.6018 от «14» октября 2011 г. (Шифр «2011-2.6-526-006-002») «Разработка высокоскоростной энергосберегающей импульсно-детонационной газовой горелки для повышения эффективности тепловой работы промышленных печей и теплоэнергетических установок».
Испытания показали, что в импульсно-детонационной трубе циклически формируется детонационная волна, бегущая вдоль трубы со скоростью 1700±50 м/с с максимальным избыточным давлением на уровне 30±5 атм. Другими словами, при соотношении объемов водяного пара и кислорода до 3:1 в горючей смеси «горючее - окислитель - водяной пар» достигался устойчивый процесс импульсно-детонационного горения. В таких условиях в выходном сечении импульсно-детонационной трубы циклически формируется плотная и дальнобойная струя сильно перегретого водяного пара с примесью диоксида углерода с температурой выше 2000°С.
Приводим пример осуществления второго варианта изобретения на опытном образце предлагаемого устройства, оснащенного регистрирующей аппаратурой.
Опытный образец устройства включал приточный резервуар, частично заполненный питательной водой, непрерывно-детонационную кольцевую камеру сгорания, систему подачи окислителя, систему подачи горючего, паровой коллектор с клапаном, систему зажигания, систему подачи питательной воды, а также систему управления. В качестве окислителя использовали кислород, в качестве горючего - магистральный природный газ.
Кольцевая непрерывно-детонационная камера сгорания длиной 310 мм состояла из внешней цилиндрической стенки диаметром 406 мм и соосно расположенного водоохлаждаемого цилиндрического центрального тела с кольцевым зазором 25 мм. В основании непрерывно-детонационной камеры сгорания размещались магистрали систем подачи окислителя и горючего, а также паровой коллектор с клапаном. Окислитель и водяной пар подавались в осевом направлении, а горючее подавалось в радиальном направлении через 240 отверстий диаметром 1 мм, равномерно распределенных по периметру центрального тела, что обеспечивало быстрое смешение горючего, окислителя и водяного пара. Для инициирования рабочего процесса использовали автомобильную свечу зажигания, установленную во внешней цилиндрической стенке. Непрерывно-детонационная камера сгорания, паровой коллектор с клапаном и подводящие магистрали систем подачи окислителя и горючего были размещены в приточном резервуаре. Непрерывно-детонационная камера сгорания и подводящие магистрали систем подачи окислителя и горючего были погружены в питательную воду, причем питательная вода сначала поступала в систему охлаждения непрерывно-детонационной камеры сгорания, а затем в приточный резервуар, всегда частично заполненный питательной водой. Паровой коллектор с клапаном размещался в верхней части приточного резервуара, всегда заполненной водяным паром. Выходное сечение непрерывно-детонационной камеры сгорания сообщалось с атмосферой.
Расходы кислорода, водяного пара и природного газа выбирались такими, чтобы состав горючей смеси «горючее - окислитель - водяной пар», заполняющей непрерывно-детонационную камеру сгорания был стехиометрическим по соотношению горючего и окислителя, а соотношение объемов водяного пара и кислорода достигало 1:1. Измерения параметров рабочего режима и теплового состояния опытного образца устройства проводились по методикам экспериментальных исследований стендового демонстрационного образца детонационного ракетного двигателя, разработанным в рамках государственного контракта №14.609.21.0002 (идентификатор контракта RFMEFI60914X0002) с Минобрнауки России по теме «Разработка технологий использования сжиженного природного газа (метан, пропан, бутан) в качестве топлива для ракетно-космической техники нового поколения и создание стендового демонстрационного образца ракетного двигателя» в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы».
Испытания показали, что в кольцевом зазоре непрерывно-детонационной камеры сгорания формируется и вращается детонационная волна с тангенциальной скоростью 1800±50 м/с. Другими словами, при соотношении объемов водяного пара и кислорода 1:1 в горючей смеси «горючее - окислитель - водяной пар» достигался устойчивый процесс непрерывно-детонационного горения. В таких условиях в выходном сечении непрерывно-детонационной камеры сгорания формируется плотная и дальнобойная струя сильно перегретого водяного пара с примесью диоксида углерода с температурой выше 2000°C.
Таким образом, предложены способ и устройства, обеспечивающие получение сильно перегретого водяного пара для использования в различных технологических установках, например, для переработки и утилизации твердых бытовых и других отходов по бескислородным технологиям.
1. Способ получения перегретого водяного пара из питательной воды за счет циклического или непрерывного детонационного сжигания горючей смеси, отличающийся тем, что водяной пар, предварительно получаемый из питательной воды, подвергается циклическому или непрерывному детонационному сжатию в случае, когда горючая смесь перемешана с водяным паром и находится внутри концентрационных пределов детонации, или циклическому ударному сжатию в случае, когда горючая смесь не перемешана с водяным паром, причем в обоих случаях часть тепловой энергии, выделяющейся при циклическом или непрерывном детонационном сжигании горючей смеси, расходуется на предварительное получение водяного пара из питательной воды с помощью теплопередачи.
2. Устройство для получения перегретого водяного пара из питательной воды, включающее камеру сгорания, системы подачи горючего и окислителя, систему зажигания и систему подачи питательной воды, отличающееся тем, что камера сгорания выполнена в виде импульсно-детонационной трубы, система подачи питательной воды включает приточный резервуар с датчиком температуры питательной воды и датчиком уровня питательной воды, причем приточный резервуар всегда частично заполнен питательной водой, а импульсно-детонационная труба и подводящие магистрали систем подачи горючего и окислителя всегда погружены в эту питательную воду, а в верхней части приточного резервуара, всегда заполненной водяным паром, расположен паровой коллектор с клапаном, направляющий водяной пар во входное сечение импульсно-детонационной трубы.
3. Устройство для получения перегретого водяного пара из питательной воды, включающее камеру сгорания, системы подачи горючего и окислителя, систему зажигания и систему подачи питательной воды, отличающееся тем, что камера сгорания выполнена в виде кольцевой или дисковой непрерывно-детонационной камеры сгорания, снабженной системой охлаждения, а система подачи питательной воды включает приточный резервуар с датчиком температуры питательной воды и датчиком уровня питательной воды, причем питательная вода сначала поступает в систему охлаждения непрерывно-детонационной камеры сгорания, а затем в приточный резервуар, всегда частично заполненный питательной водой, а непрерывно-детонационная камера сгорания и подводящие магистрали систем подачи горючего и окислителя всегда погружены в эту питательную воду, а в верхней части приточного резервуара, всегда заполненной водяным паром, расположен паровой коллектор с клапаном, направляющий водяной пар во входное сечение непрерывно-детонационной камеры сгорания.
