CZ202696A3 - Method of suppressing oscillation of flames and pressure in a furnace and a furnace for making the same - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu potlačování kmitání plamenů a tlaku u topeniště, které obsahuje hořák, kterým je vytvářen plamen, a spalovací prostor, do něhož je plamen nasměrován. Vynález se dále týká topeniště k provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

U průmyslových spalovacích zařízení, jako jsou spalovací komory plynových turbín, ohřívače vysokopecního větru, spalovací zařízení odpadu nebo průmyslové pece, avšak rovněž u malých topenišť, jako jsou plynové ohřívače vody nebo topné kotle používané v domácnostech, vznikají za určitých podmínek v důsledku provozních parametrů, jako je tepelný výkon a tah, nestabilní provozní stavy, které se vyznačují periodickými změnami plamene, které nastávají se změnami zejména statického tlaku ve spalovací komoře a v částech zařízení, které jsou zařazeny před nebo za spalovací komorou. Tyto nestabilní stavy vznikají i u topenišť, jejichž plameny jsou dostatečné stabilizovány pomocí známých opatření, jako jsou šroubovicové proudění, hradítka atd.

Vznik nestabilních stavů při spalování způsobí často činnost odlišnou od stacionárního provozu zařízení a vedle zvýšeného hluku způsobí i zvýšené mechanické a/nebo tepelné namáhání spalovací komory, respektive její vyzdívky. Taková kmitání plamenů a tlaku mohou za nepříznivých podmínek způsobit zničení zařízení, v němž vznikají, takže se vynakládá vestaveb se mění například což však často způsobí pouze proto nepřispívá ke mnoho úsilí, aby se zabránilo vzniku těchto kmitání plamenů a tlaku. Pomocí zvláštních geometrie spalovací komory, posunutí vzniklých frekvencí kmitání, a všeobecnému řešení tohoto problému. Jinak jsou při vzniku kmitání plamenů a tlaku vždy učiněna zvláštní opatření na empirické bázi.

Úkolem vynálezu proto je vytvořit způsob, pomocí něhož se zabrání kmitání plamenů a tlaku s nepřípustnými amplitudami tlaku.

Podstata vynálezu

Tento úkol splňuje způsob potlačování kmitání plamenů a tlaku u topeniště, které obsahuje hořák, kterým je vytvářen plamen, a spalovací prostor, do něhož je plamen nasměrován, podle vynálezu, jehož podstatou je, že plamen hořáku se co nejtěsněji opláští prouděním plynu, které má vyšší rychlost ve směru šíření plamene než vnější, popřípadě okrajové, oblasti plamene, popřípadě než hlavní proudění z hořáku obsahujícího palivo. Tím se způsobí přenos axiálního impulsu do vnějších oblastí plamene, popřípadě výstupního proudění z hořáku obsahujícího palivo.

Vynález vychází z poznatku, že kmitání jsou způsobena nebo zesílena v podstatě prstencovými víry, které se vytvářejí v okrajové oblasti plamene. Tyto prstencové víry, které vznikají svinováním nebo sbalováním okrajových oblastí výstupního proudění z hořáku obsahujícího palivo, pojmou při svém vytváření horké spaliny, které způsobí rychlé ohřátí směsi paliva a vzduchu rovněž obsažené v prstencovém víru a impulsovou reakci paliva, která dává podnět ke vzniku kmitání tlaku.

Aby se zabránilo tvoření prstencových víru, obklopí se plamen takzvaným plášťovým prouděním plynu, vystupujícím v co nejmenším radiálním odstupu od plamene, popřípadě výstupního hlavního proudění z hořáku, přičemž toto plástové proudění má vyšší rychlost ve směru šíření plamene než vnější, popřípadě okrajové, oblasti plamene. Tím dochází mezi plástovým prouděním a plamenem, popřípadě prouděním směsi vzduchu a plynného paliva, k výměně axiálního impulsu, který způsobí zrychlení volné mezní vrstvy proudění směsi vzduchu a paliva, popřípadě plamene, a tím v této oblasti účinně působí proti vzniku vírů, schopných reakce.

Pokud potom v mezní vrstvě vzniknou mezi pláštovým prouděním plynu a okolním médiem (v daném případě všeobecně spalinami) příslušné prstencové víry, je nejvýhodnější, když pláštové proudění neobsahuje žádné palivo, protože potom se z pláštového proudění (neobsahujícího palivo) nemohou tvořit žádné víry obsahující palivo, které mohou způsobit periodickou reakci paliva a tím i podnět k tvorbě kmitání plamenů a tlaku, k nimž dochází u neopláštěného plamene, popřípadě proudění směsi vzduchu a plynného paliva.

S výhodou je plynem, který neobsahuje palivo, vzduch, který je všude k dispozici v dostatečném množství. V úvahu však rovněž připadá použití inertního plynu, což by ovšem mělo za následek nevýhodné zvýšení nákladů.

I když plášťové proudění plynu obsahuje palivo, může být dosaženo účinku zrychlení vnějších oblastí výstupního proudění z hořáku (popřípadě hlavního proudění tvořícího plamen) podle vynálezu, přičemž zde je možno s ohledem na médium plášťového proudění plynu rozlišit různé případy:

Sestává-li plášťové proudění z nezápalné směsi plynu a paliva, chová se toto plášťové proudění z hlediska svého působení při potlačování tvoření prstencových vírů schopných reakce v podstatě tak, jako by neobsahovalo žádné palivo. To znamená, že víry, které popřípadě vzniknou v mezní vrstvě mez plástovým prouděním a okolním médiem, nemohou zreagovat, a proto nezavdají podnět ke vzniku nebo zesílení kmitání plamenů a tlaku. U této nezápalné směsi plynu a paliva může být plynem jak inertní plyn (například dusík, vodní pára nebo vyhořelé spaliny), tak i vzduch, přičemž v prvním případě je koncentrace paliva irelevantní, protože inertní plyn nemůže s palivem reagovat, to znamená shořet, v žádném mísícím poměru, zatímco ve druhém případě leží koncentrace paliva mimo meze zápalností příslušného paliva, takže i v tomto případě nemohou prstencové víry vznikající z plástového proudění zreagovat.

V zásadě může být jako médium pro plášťové proudění použita i směs vzduchu a paliva s koncentracemi paliva uvnitř mezí zápalností závislých na příslušném palivu, když axiální výstupní rychlost tohoto v principu hořlavého plášťového proudění je oproti hlavnímu proudění z hořáku, které tvoří plamen, zvoleno tak velké, že jednak je zaručen dostatečný přenos axiálního impulsu, a tím i dostatečné zrychlení vnějších oblastí plamene, popřípadě hlavního proudění z hořáku, a jednak se zabrání tvoření samostatného stabilního plamene (nebo více plamenů v případě většího počtu jednotlivých výstupních otvorů plášťového proudění) z plášťového proudění. To znamená, že výstupní rychlost plášťového proudění je podstatně vyšší než výstupní mezní rychlost plamene.

Plášťové proudění probíhá s výhodou rovnoběžně s osou plamene, avšak může mít vzhledem k tomuto směru hlavního prouděni směsi vzduchu a paliva, popřípadě směru plamene, navíc určitou radiální a/nebo tangenciální komponentu, z čehož plyne určité rozšíření plynového pláště ve směru plamene, přičemž je nutno vzít v úvahu to, že ne všechny hořáky mají plameny v kritické oblasti s nezměněnými průřezy, nýbrž plameny mohou mít rovněž popsaný kuželový tvar. Podstatné je přitom vždy to, aby plášťové proudění mélo dostatečné vysoký impuls v axiálním směru ve srovnání s neopláštěným plamenem, popřípadě prouděním směsi vzduchu a paliva.

K provádění tohoto způsobu potlačování kmitání plamenů a tlaku u topeniště je navrženo topeniště podle vynálezu s hořákem pro vytváření plamene a se spalovacím prostorem, do něhož je plamen nasměrován, podle vynálezu, jehož podstatou je, že topeniště má alespoň jeden výstupní otvor plynu, z něhož proudí ven plyn obklopující ve formě pláště plamen.

Odstup mezi výstupním otvorem plynu a okrajem výstupu hořáku, z něhož vystupuje směs vzduchu a paliva, by měl být co nejmenší.

Protože výše popsaný způsob podle vynálezu může být použit jak u spalování prováděného s předem vytvořenou směsí paliva a vzduchu, tak i u difuzního spalování, zejména s kapalným nebo plynným palivem, jsou hořáky k provádění tohoto způsobu vždy známým způsobem přizpůsobeny uvedeným druhům spalování.

S výhodou je výstupní otvor plynu pro vytváření plášťového proudění vytvořen jako štěrbina, popřípadě štěrbinová tryska, a těsně obklopuje výstup hořáku, přičemž výstup hořáku může být vytvořen jednak jako rotačně symetrický a jednak může mít i podélný tvar průřezu.

U rotačně symetrického výstupu hořáku je tedy štěrbina vytvořena jako štěrbinová tryska, která je zejména uspořádána koncentricky s výstupem hořáku s malým odstupem od výstupu hořáku.

Místo jediné štěrbiny, popřípadě jediné štěrbinové trysky, může výstup hořáku obklopovat i větší počet menších výstupních otvorů plynu, které jsou uspořádány v těsných odstupech od sebe. I v tomto případě platí, že výstup hořáku a celkové uspořádání výstupních otvorů plynu, vytvořených s výhodou jako trysky, je provedeno koncentricky s výstupem hořáku, přičemž i větším počtem výstupních otvorů plynu, popřípadě trysek, se vytváří plášťové proudění zcela obklopující plamen hořáku, které potlačuje vznik prstencových vírů.

Přitom je nutno si uvědomit, že v zásadě nemusí být výstup hořáku a tryska nebo trysky uspořádány v jedné rovině, pokud je zajištěno, že plynový plášť, obklopující plamen, může způsobit dostatečné zrychlení okrajových oblastí plamene v kritických oblastech, v nichž mohou vznikat prstencové víry, pro potlačení těchto vírů.

Toho se dosáhne zejména tehdy, když výstupní směr z trysek je v podstatě rovnoběžný s osou hořáku. Avšak rovněž vhodným nastavením sklonu trysek vůči ose hořáku je možno dosáhnout toho, že z trysek vystupuje proud plynu, tvořící plášť plamene v jeho okrajové oblasti.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále blíže objasněn na příkladném provedení, z něhož vyplynou další výhody a znaky vynálezu, podle přiloženého výkresu, na němž je znázorněn řez hořákem k provádění způsobu podle vynálezu

Příklady provedeni vynálezu

Na obr. 1 je znázorněn hořák k provádění způsobu podle vynálezu. Přitom se jedná o hořák, do něhož se tělem 2. hořáku přivádí předem smíchaná směs 1 plynného paliva a vzduchu, která z něj šroubovicově vystupuje. Tělo 2 hořáku je zakončeno usmérňovacím tělesem 2, které je rotačně symetrické a na svém vnějším obvodu je opatřeno skloněnými vodícími lopatkami 4.. Tyto vodicí lopatky 4. mají sklon přibližně 30, čímž se vystupující směsi 1 plynného paliva a vzduchu udělí točivost. Dále jsou v usmérňovacím tělese 2 uspořádány průchozí díry 5./ uspořádané po jeho obvodu v radiálním směru poněkud blíže dovnitř než vodicí lopatky 4. Těmito průchozími děrami 5 proudí vždy dílčí proud směsi 2 plynného paliva a vzduchu a tím přispívá k řízení tvorby plamene pro stabilizaci plamene. Na vnější straně 6. usměrňovači ho tělesa 2 ^se směs 2 plynného paliva a vzduchu, vystupující z hořáku, zapaluje a tvoří plamen 12, který vstupuje do spalovací komory, na obrázku neznázorněné.

Plamen 12 hořáku je obklopen pláštěm z plynu. Tento plášť se vytvoří plášťovým prouděním 8 plynu, vedeným prstencovým kanálem 7 hořákem rovnoběžně s tělem 2 hořáku a z hořáku vystupujícím prstencovou štěrbinou 9, vytvořenou kolem usměrňovacího tělesa 2 ^v jeho těsné blízkosti. Aby bylo proudění 2 plynu před svým výstupem z prstencového kanálu Ί_ zrychleno, jsou v koncové části prstencového kanálu ]_ instalovány trysky 10 o průřezu tvaru čtvrtkruhu, které způsobí velké zrychlení zejména vnější oblasti plášťového proudění 2 plynu v axiálním směru, to znamená rovnoběžně s osou 11 hořáku.

Rychlost plášťového proudění 2 Plynu, vystupujícího z prstencové štěrbiny 9, je v důsledku tvaru průřezu trysek 20. zvýšena do té míry, že rychlost ve směru osy 11 je značně vyšší než rychlost ve směru plamene 12 spálené směsi 2 plynného paliva a vzduchu za usmérňovacím tělesem 2/ takže v oblasti mezi směsí 2 plynného paliva a vzduchu spalované v plameni 12 a plášťovým prouděním 2 plynu, které ji těsné obklopuje, dojde ke zrychlení mezní vrstvy spalované směsi 1 plynného paliva a vzduchu. Tím se účinně zabrání tomu, aby se v okrajové oblasti směsi 1 plynného paliva a vzduchu vytvářely periodické koherentní struktury prstencových vírů, které rychlým zreagováním paliva, které je v nich obsaženo, podněcovaly a zesilovaly kmitání plamene a tlaku v důsledku přívodu energie ve správné fázi.

Tím je dána jednoduchá, avšak účinná, možnost bezpečného potlačování takových kmitání plamenů a tlaku, čímž je zvýšena provozní bezpečnost příslušných spalovacích zařízení a topenišť.

Claims (19)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob potlačování kmitání plamenů a tlaku u topeniště, které obsahuje hořák, kterým je vytvářen plamen, a spalovací prostor, do něhož je plamen nasměrován, vyznačující se tím, že plamen se opláští prouděním plynu, které má vyšší rychlost ve směru šíření plamene než vnější oblasti plamene.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že plyn je prostý paliva.
3. 3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že plyn obsahuje palivo.
4. 4. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že plynem je vzduch.
5. 5. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že plynem je inertní plyn, zejména dusík, vodní pára nebo vyhořelé spaliny.
6. 6. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že plynem je směs paliva a vzduchu, která obsahuje palivo v koncentraci mimo meze zápalnosti.
7. 7. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že plynem je směs paliva a vzduchu, která obsahuje palivo v koncentraci uvnitř mezí zápalnosti.
8. 8. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že plástové proudění plynu má v podstatě tvar válce.
9. 9. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že plášťové prouděni plynu je v těsné blízkosti u vnějších oblastí plamene.
10. 10. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že směr proudění plynu je rovnoběžný se směrem plamene.
11. 11. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že směr proudění plynu obsahuje navíc vůči směru plamene radiální a/nebo tangenciální komponentu.
12. 12. Topeniště k provádění způsobu podle alespoň jednoho z předcházejících nároků 1 až 11, s hořákem pro vytváření plamene a se spalovacím prostorem, do něhož je plamen nasměrován, vyznačující se tím, že topeniště má alespoň jeden výstupní otvor (9) plynu, z něhož proudí ven plyn obklopující ve formě pláště plamen.
13. 13. Topeniště podle nároku 12,vyznačující se tím, že výstupní otvor plynu je vytvořen jako štěrbina (9) a těsné obklopuje výstup hořáku.
14. 14. Topeniště podle nároku 13,vyznačující se tím, že výstup hořáku je rotačně symetrický a štěrbina je prstencovou štěrbinou (9).
15. 15. Topeniště podle nároku 14,vyznačující se tím, že výstup hořáku a prstencová štěrbina jsou uspořádány koncentricky.
16. 16. Topeniště podle nároku 12,vyznačující se tím, že výstup hořáku je obklopen výstupními otvory uspořádanými ve vzájemných těsných odstupech těsně u výstupního otvoru hořáku a tvořícími plášťové proudění zcela obklopující plamen.
17. 17. Topeniště podle nároku 16, vyznačuj ící tím, že výstup hořáku a celé uspořádání výstupních otvorů plynu jsou uspořádány koncentricky.
18. 18. Topeniště podle nároku 12,vyznačující se tím, že výstupní otvor plynu je vytvořen ve formě trysky.
19. 19. Topeniště podle nároku 12,vyznačující se tím, že směr proudění z výstupního otvoru plynu je v podstatě rovnoběžný s osou hořáku.