CZ283728B6 - Způsob a zařízení pro rozprašování kapaliny nebo kalu - Google Patents

Abstract

Zařízení pro rozprašování kapaliny nebo kalu, tvořících palivo, sestává z pulsního spalovacího zařízení (10), obsahujícího spalovací komoru (12) spojenou s ventilem (14) pro přívod vzduchu a s rezonanční trubkou (16) pro odvod rozprášené kapaliny nebo kalu, přičemž do spalovací komory (12) ústí první přívodní prostředek (18) paliva určeného ke spálení a k vytvoření oscilujícího proudu rozprašovací tekutiny, a u spoje spalovací komory (10) s rezonanční trubkou (16) do ní ústí přídavný přívodní prostředek (20) paliva určeného k rozprašování. Palivo je pulsně spalováno ve spalovací komoře (12) a do proudu rozprašovací tekutiny vzniklé spalováním je zaváděna kapalina nebo kal určený pro rozprášení.ŕ

Description

Způsob rozprašování kapaliny nebo kalu a zařízení k provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu rozprašování kapaliny nebo kalu a zařízení k provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

Rozprašování kapalin a kalů je důležité pro mnoho systémů. Zejména rozprašování paliva pro spalování nebo zplyňování představuje klíčový krok pro dosažený náležitého provedení spalování nebo zplyňování. Palivo, které je rozprášeno na malé částečky, obvykle umožňuje mnohem úplnější spalování, dosahování vyšších spalovacích teplot a lepšího míšení paliva se vzduchem pro zvýšení účinnosti spalování.

V současné době se primárně používají dva typy rozprašovačů: (1) vysokotlaké rozprašovače s jedinou tekutinou (viz provedení na obr. 1) a (2) rozprašovače se dvěma tekutinami (viz provedení na obr. 2A, 2B a 3). Ve vysokotlakých rozprašovačích s jedinou tekutinou se kapalina nebo kal, představující palivo, stlačuje na vyšší tlak, který pohání toto palivo s vysokou kinetickou energií otvorem do vstřikovací trysky. Vstřikovací trysku opouští rozprášené palivo, které je vstřikováno do spalovací komory. Vysoká rychlost tohoto vstřikovaného paliva umožňuje lepší smísení paliva se vzduchem, což má za následek mnohem účinnější spalování.

Vysokotlaký rozprašovač s jedinou tekutinou, znázorněný na obr. 1, používá pro zvýšení tlaku kapalného paliva a pro pohon rozprašovače vysokotlaké čerpadlo. Stlačená tekutina expanduje tryskou, aby měla tekutina vysokou rychlost, čímž dochází k rozprašování. Činnost vysokotlakého čerpadla může být plynulá nebo přerušovaná, přičemž přerušované čerpání se používá pro pístové spalovací motory se vstřikováním paliva, jako jsou vznětové a zážehové motory.

V rozprašovačích se dvěma tekutinami se pro dosažení rozprášení kapalného nebo kalového paliva používá zvláštní rozprašovací tekutina. Všeobecně jsou tyto rozprašovače se dvěma tekutinami dvojího druhu, to jest buď s vnitřním smícháváním, viz provedení na obr. 2A a 28, nebo s vnějším smícháváním, viz provedení na obr. 3. V rozprašovačích se dvěma tekutinami s vnitřním smícháváním se setkává rozprašovací tekutina s palivem uvnitř rozprašovací komory a směs je vypuzována vy sokou rychlostí z trysky, aby vytvořila rozprášené palivo. Jeden takový rozprašovač se dvěma tekutinami, znázorněný na obr. 2A, používá provedení trysky tvaru Y, kde rozprašovací tekutina (v podstatě plyn nebo pára) se setkává s kapalným nebo kalovým palivem pod ostrým úhlem. Další typ rozprašovače se dvěma tekutinami, znázorněný na obr. 28, používá stejné provedení jako pamí ejektor s tryskou tvaru T, kde rozprašovací tekutina se setkává s kapalným nebo kalovým palivem v pravém úhlu. Tyto rozprašovače mohou pracovat jako pamí ejektory, přičemž v některých případech není zapotřebí pro přivádění paliva žádného čerpadla. U obou rozprašovačů se dvěma tekutinami s vnitřním smícháváním dochází ke smíchávání rozprašovací tekutiny a kapalného nebo kalového paliva uvnitř tělesa rozprašovače před tím, než rozprášené palivo rozprašovač opustí.

U rozprašovačů se dvěma tekutinami s vnějším smícháváním, viz například provedení podle obr. 3, se rozprašovací tekutina setkává s kapalným nebo kalovým palivem vně tělesa rozprašovače. Smíchávání rozprašovací tekutiny s palivem mimo těleso rozprašovače je výhodné zejména tehdy, když se jako paliva používá uhelného kalu nebo viskózní kapaliny, jako jsou těžké topné oleje. Tato vysoce abrazivní nebo vysoce viskózní paliva způsobují velmi rychlou erozi vnitřních ploch rozprašovače v případě, že se použije rozprašovač s vnitřním smícháváním. Smícháváním rozprašovací tekutiny a paliva vně tělesa rozprašovače se účinek eroze podstatně sníží.

- 1 CZ 283728 B6

V rozprašovači se dvěma tekutinami a s vnějším smícháváním, znázorněném na obr. 3, rozvádí prstencová dutina kapalné palivo nebo kal kolem nadzvukového proudu rozprašovací tekutiny. Nadzvukovým proudem rozprašovací tekutiny, procházejícím prstencovou dutinou, je strháván film kapalného paliva, čímž dochází k rozprášení paliva. Palivo vstupuje do dráhy rozprašovací tekutiny po výstupu rozprašovací tekutiny z nadzvukové trysky. Rozprašovací tekutina má dostatečnou rychlost pro strhávání kapiček paliva pro vytváření rozprášeného paliva.

Jak již bylo uvedeno, jsou vysokotlaké rozprašovače s jedinou tekutinou v podstatě používány ve vznětových motorech a pro podobné účely se vstřikováním paliva, zejména když má být řízen průtok v čase. Tlaky, používané u těchto vysokotlakých rozprašovačů s jedinou tekutinou, mohou být vyšší než 69 000 kPa.

Rozprašovače se dvěma tekutinami jsou v podstatě výhodné pro velké elektrárny a kotle. Kapalné palivo nemusí být v těchto případech příliš stlačováno, přičemž zcela přijatelný je rozsah tlaku od asi 345 do asi 1725 kPa.

V každém popsaném rozprašovacím systému se dvěma tekutinami je rozprašovací tekutinou, obvykle použitou, stlačitelná tekutina, jako je vzduch nebo pára. U systémů se stlačeným vzduchem se v podstatě používají tlaky v rozsahu od asi 138 do asi 1241 kPa. Když se použije, jako rozprašovací tekutina pára, je rozsah tlaků od asi 345 do asi 4140 kPa, a to v závislosti na jednotlivých požadavcích.

U rozprašovačů s vnitřním smícháváním se poměr hmotností rozprašovací tekutiny ke kapalnému palivu mění od asi 0,032 do asi 0,226 kg rozprašovací tekutiny na 0,453 kg kapalného paliva, které se rozprašuje. Pro rozprašovače s vnějším smícháváním se dvěma tekutinami je zapotřebí většího proudu rozprašovací tekutiny. Množství rozprašovací tekutiny u těchto rozprašovačů je v rozsahu od 0,181 do asi 1,360 kg rozprašovací tekutiny na 0,453 kg kapalného paliva, které se rozprašuje.

Jak je možno u těchto známých rozprašovačů očekávat, spotřebuje se vzduchovými kompresory pro dodávání rozprašovací tekutiny velké množství nadbytečné energie. Ačkoli u rozprašovačů se dvěma tekutinami a s vnitřním smícháváním představuje nadbytečná energie pro stlačování pouze 1,5% celkového výkonu zařízení, u rozprašovačů se dvěma tekutinami a s vnějším smícháváním představuje tato nadbytečná energie pro činnost kompresorů asi 15 % celkového výkonu zařízení. Navíc když se použijí více viskóznější a více abrazivnější paliva, množství vzduchu, potřebného pro rozprašování, podstatně vzroste. Velká množství rozprašovacího vzduchu jsou dále zapotřebí zejména u rozprašování s vnějším smícháváním, což má za následek potřebu enormně výkonných kompresorů, které zase spotřebují značnou část výkonu zařízení pro svou činnost.

Celkově shrnuto obvyklé známé rozprašovače vyžadují velká množství stlačeného vzduchu nebo jiné tekutiny pro rozprašování. Navíc mají rozprašovače se dvěma tekutinami s vnitřním smícháváním často problémy s erozí. Existuje proto potřeba vytvoření účinného rozprašovacího způsobu bez erozivního účinku, při němž se nespotřebuje velké množství nadbytečné energie.

Úkolem vynálezu proto je vytvořit zlepšený způsob a zařízení pro rozprašování kapalin a kalů.

Dalším úkolem vynálezu je vytvořit zlepšený rozprašovač, používající pulzní spalovací zařízení, pro rozprašování kapalin a kalů.

Ještě dalším úkolem vynálezu je vytvořit vysoce účinný rozprašovač paliva, používající pulzní spalovací zařízení, pro rozprašování paliva.

-2CZ 283728 B6

Dalším úkolem vynálezu je vytvořit nový rozprašovač kapalin a kalů, který nebude mít požadavky na spotřebu nadbytečné energie podobně jako u známých rozprašovačů.

Ještě dalším úkolem vynálezu je vytvořit rozprašovač paliva, u něhož se nebudou projevovat nežádoucí účinky rychlé eroze i při rozprašování vysoce abrazivních kalů nebo vysoce viskózních kapalin.

Dalším úkolem vynálezu je vytvořit spalovací systém, používající pulzní spalovací zařízení pro rozprašování paliva, spalovaného v tomto spalovacím systému.

A konečně je úkolem vynálezu vytvořit zplyňovací systém, používající rozprašovač s pulzním spalovacím zařízením.

Podstata vynálezu

Uvedený úkol splňuje způsob rozprašování kapalin nebo kalů, zahrnující pulzní spalování paliva ve spalovací komoře a vytváření vibrací, vyvolaných spalováním, pro vytvoření proudu rozprašovací tekutiny, podle vynálezu, jehož podstatou je, že se vytváří akustické tlakové vlnění a kapalina nebo kal, určené pro rozprašování, se zavádějí do proudu rozprašovací tekutiny bezprostředně po spálení uvedeného paliva, takže pod vlivem oscilujícího proudu se vytváří rozprášená kapalina nebo kal.

Je výhodné, když kapalina nebo kal, určené k rozprašování, jsou palivem, čímž vzniká rozprášené palivo. Vytvářené akustické tlakové vlnění má s výhodou frekvenci v rozsahu od 20 do 1500 Hz.

Uvedený úkol dále splňuje zařízení k provádění způsobu podle vynálezu, obsahující pulzní spalovací zařízení pro vytváření oscilujícího proudu rozprašovací tekutiny a akustického tlakového vlnění, přičemž pulzní spalovací zařízení je opatřeno přívodním prostředkem pro zavádění paliva, ventilem pro zavádění vzduchu, spalovací komorou, spojenou s uvedeným ventilem, a rezonanční trubkou, spojenou se spalovací komorou, kde rezonanční trubka a spalovací komora jsou spolu spojeny spojem, přičemž podstatou vynálezu je, že zařízení obsahuje přídavný přívodní prostředek pro zavádění kapaliny nebo kalu, určených pro rozprašování pulzním spalovacím zařízením, do pulzního spalovacího zařízení, přičemž tento přídavný přívodní prostředek pro zavádění kapaliny nebo kalu je umístěn u rezonanční trubky u uvedeného spoje spalovací komory a rezonanční trubky.

Všeobecně vyjádřeno, zařízení podle vynálezu je rozprašovacím zařízením s pulzním spalovacím zařízením pro vytváření proudu rozprášené tekutiny a s prostředky pro dodávání paliva do pulzního spalovacího zařízení, takže proudem rozprašovací tekutiny jsou vytvářeny rozprášené kapaliny a kaly. Způsob rozprašování podle vynálezu v podstatě zahrnuje kroky vyrábění proudu rozprášené tekutiny pulzním spalováním a přivádění kapaliny nebo kalu, určených k rozprášení, do proudu rozprašovací tekutiny tak, že vzniklá rozprášená kapalina nebo kal mohou být dále použity.

Ačkoli řešení podle vynálezu je určeno pro rozprašování kapalin a/nebo kalů, jeho objasnění na rozprašování paliv je pouze příkladné. Přesněji řečeno, jedno zvláštní provedení vynálezu představuje zařízení pro vytváření a/nebo využívání rozprášeného paliva, obsahující pulzní spalovací zařízení pro vytváření proudu rozprášené tekutiny, kde toto pulzní spalovací zařízení obsahuje spalovací komoru, ventil k ní připojený a určený pro vstup paliva nebo vzduchu do spalovací komory, první vstřikovač paliva pro dodávání paliva do pulzního spalovacího zařízení a rezonanční trubku, která je ve spojení se spalovací komorou. Zařízení podle vynálezu dále obsahuje druhý vstřikovač paliva pro dodávání paliva do pulzního spalovacího zařízení, takže

-3 CZ 283728 B6 přiváděné palivo může být proudem rozprašovací tekutiny rozprášeno. Rezonanční trubka pulzního rozprašovače paliva je připojena k zařízení pro využití rozprášeného paliva v ní vytvářeného, jako například ke spalovacímu nebo zplyňovacímu zařízení, přičemž výhodné použití je dále u podobných typů zařízení, používajících rozprášeného paliva.

Způsob rozprašování paliva podle vynálezu sestává z přivádění paliva do pulzního spalovacího zařízení, které je opatřeno spalovací komorou, ventilem pro přivádění paliva nebo vzduchu do spalovací komory a alespoň jednou rezonanční trubkou. Způsob dále zahrnuje pulzní spalování paliva pro vytváření proudu spalin, neboli rozprašovací tekutiny, vystupujícího ze spalovací komory a vstupujícího do rezonanční trubky. Kapalina nebo kal, které mají být rozprášeny, se vždy přivádí do pulzního spalovacího zařízení za vzniklým proudem rozprašovací tekutiny, takže kapalina nebo kal, určené k rozprášeni, se rozpráší proudem rozprašovací tekutiny. Způsob dále obsahuje dodávání rozprášené kapaliny nebo kalu, s výhodou paliva, pro další použití, jako například spalování nebo zplyňování.

Jak již bylo výše uvedeno, jedno zvláštní a výhodné provedení zařízení podle vynálezu obsahuje pulzní spalovací zařízení se spalovací komorou, k níž je připojen aerodynamický ventil pro přívod paliva nebo vzduchu podle potřeby do pulzní spalovací komory. Pulzní spalovací zařízení dále obsahuje jednu nebo několik rezonančních trubek, připojených ke spalovací komoře. Je dále opatřeno prostředky pro přivádění paliva do pulzní spalovací komory, takže se vytváří pulzující proud rozprašovací tekutiny. Zařízení dále obsahuje prostředek, upravený za spalovací komorou, pro přívod paliva, určeného k rozprášení. Tímto prostředkem je s výhodou druhý vstřikovač. Tento druhý vstřikovač tak přivádí kapalné nebo kalové palivo, takže rozprašování paliva nastává vlivem oscilujícího nebo pulzujícího proudu. Pulzní spalovací zařízení po zažehnutí vytváří pulzující proud spalin, které slouží jako rozprašovací tekutina paliva, přiváděného po proudu. Palivo, které je s výhodou vstřikováno blízko rozhraní rezonanční trubky a spalovací komory, se potom přivádí do hlavní dutiny spalovacího zařízení nebo do jiného zařízení, například zplyňovače, pro využití rozprášeného paliva při procesu spalování nebo zplyňování.

Zařízení podle vynálezu může využívat plnicí dmýchadlo pro zvýšení rychlosti vzduchu, vstupujícího aerodynamickým ventilem do spalovací komory. Jako plnicí dmýchadlo může být použit tlakový ventilátor, vzduchové dmýchadlo, vzduchový kompresor nebo i jiné zařízení pro stlačování vzduchu, dodávaného do spalovací komory aerodynamickým ventilem. Při dodávání vzduchu o vysokém tlaku pracuje pulzní spalovací zařízení s přeplňováním.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále blíže objasněn na příkladech provedení podle přiložených výkresů, na nichž obr. 1 znázorňuje schematicky známý vysokotlaký rozprašovač s jedinou tekutinou, obr. 2A schematicky známý rozprašovač se dvěma tekutinami, s vnitřním smícháváním, s tryskou tvaru Y, obr. 2B schematicky známý rozprašovač se dvěma tekutinami, s vnitřním smícháváním, s trysku tvaru T jako u parního ejektoru, obr. 3 schematicky známý rozprašovač se dvěma tekutinami, s vnějším smícháváním, obr. 4 schematicky jedno provedení zařízení pro rozprašování podle vynálezu s pulzním spalovacím zařízením a obr. 5 další provedení zařízení pro rozprašování podle vynálezu s připojeným plnicím dmýchadlem.

Stejné vztahové značky, použité u různých provedení, označují stejné nebo analogické součásti různých provedení zařízení.

-4CZ 283728 B6

Příklady provedení vynálezu

Jak již bylo uvedeno, je vynález určen pro rozprašování kapalin a kalu. Pro objasnění vynálezu se uvádí jako příklad rozprašování tekutiny rozprašování kapaliny nebo kalu.

Výhodné provedení zařízení pro rozprašování paliva podle vynálezu používá pulzní spalovací zařízení pro vytváření rozprašovací tekutiny, která se potom používá pro rozprašování další kapaliny nebo kalu. Používání pulzního spalovacího zařízení pro rozprašování paliv doposud nebylo známé. Zařízení podle vynálezu je v podstatě rozprašovacím zařízením se dvěma tekutinami. Pulzní rozprašovací zařízení vytváří oscilující proud spalin (neboli rozprašovací tekutiny), který působí na druhou tekutinu nebo kal (s výhodou palivo) a rozprašuje je, a které v rozprášeném stavu jsou určeny pro další použití podle potřeby, jako například pro spalování nebo zplyňování.

Na obr. 4 je znázorněno jedno výhodné provedení zařízení pro rozprašování paliva podle vynálezu s pulzním spalovacím zařízením 10. Pulzní spalovací zařízení 10 v podstatě sestává ze spalovací komory 12, ventilu 14, připojeného ke spalovací komoře 12, ajedné nebo několika rezonančních trubek 16, připojených ke spalovací komoře 12. Jedno zpulzních spalovacích zařízení, které může být použito v řešení podle vynálezu, je popsáno v patentu US 5 059 404 (Mansour a kol.).

Pulzní spalovací zařízení 10 může být jako ventilem 14 zejména opatřeno aerodynamickým ventilem (fluidikovou diodou), mechanickým ventilem a podobně, dále spalovací komorou 12 a jednou nebo několika výfukovými trubkami, neboli rezonančními trubkami 16. Navíc může být pulzní spalovací zařízení 10 podle vynálezu opatřeno plnicím dmychadlem a může pracovat s přeplňováním, jak bude popsáno dále podle obr. 5.

Zařízení pro rozprašování podle vynálezu s pulzním spalovacím zařízením 10 dále obsahuje první přívodní prostředek 18 paliva pro přivádění paliva, určeného pro činnost pulzního spalovacího zařízení 10, ačkoli palivo, určené pro spalování, může být přiváděno i současně se vzduchem ventilem 14. Pro přivádění paliva, které je určeno pro rozprašování pulzním spalovacím zařízením 10. je upraven přídavný přívodní prostředek 20 paliva. První přívodní prostředek 18 paliva, s výhodou vstřikovač paliva, přivádí palivo do spalovací komory 12 pro spalování v pulzním spalovacím zařízení 10. Pro přívod paliva prvním přívodním prostředkem 18 paliva a přídavným přívodním prostředkem 20 paliva do pulzního spalovacího zařízení 10 může být použit jakýkoli vhodný běžný prostředek. Za tím účelem je možno použít například běžná vstřikovací za, řízení, vužívající stlačené tekutiny pro vstřikování kapalného paliva. Není však nutně zapotřebí vstřikovačú pod tlakem, protože spalovací komora 12, která působí při činnosti jako zdroj podtlaku, bude nasávat palivo z prvního i přídavného přívodního prostředku 18, 20 paliva bez tlakování.

Jak je rovněž znázorněno na obr. 4, zavádí první přívodní prostředek 18 paliva s výhodou palivo, určené pro spalování v pulzním spalovacím zařízení 10, v místě blízko připojení ventilu 14 pro přívod vzduchu ke spalovací komoře 12. Toto umístění prvního přívodního prostředku 18 paliva však podle vynálezu není zapotřebí. Ve skutečnosti, jak již bylo výše uvedeno, může být tento první přívodní prostředek 18 paliva úplně eliminován. Místo něj, jak již bylo uvedeno, může ventilem 14 vstupovat do spalovací komory 12 směs paliva a vzduchu, takže další přívod paliva, představovaný prvním přívodním prostředkem 18 paliva, není zapotřebí.

Jak vyplývá z obr. 4, je ke spalovací komoře 12 připojena rezonanční trubka 16, do níž vstupuje oscilující proud spalin. Přídavný přívodní prostředek 20 paliva, kterým je přiváděno palivo, určené pro rozprašování, je s výhodou umístěn u připojení rezonanční trubky nebo trubek 16 ke spalovací komoře 12. Přídavný přívodní prostředek 20 paliva však může být umístěn kdekoli podél rezonanční trubky nebo trubek 16, jimiž prochází proud rozprašovací tekutiny, vytvořený

-5CZ 283728 B6 pulzním spalováním ve spalovací komoře 12, který působí na přiváděné palivo svým oscilováním a rozprašuje je.

Spalovací komora 12 a rezonanční trubka nebo trubky 16 spolu tvoří naladěný Helmholtzův rezonátor. Ventil 14 působí jako dioda, čímž je dosaženo účinku samonasávání v důsledku oscilujícího tlaku ve spalovací komoře 12, vytvářeného jako výsledek uvolňování tepla a hmoty ze spalování ve spalovací komoře 12. Jak bude popsáno dále, může podle obměněného provedení být místo aerodynamického ventilu upraven mechanický ventil jako ventil 14.

Pulzní spalovací zařízení 10 pracuje obvykle následujícím způsobem. Do spalovací komory 12 se přivádí palivo prvním přívodním prostředkem 18 paliva nebo alternativně ventilem 14. Vzduch se přivádí do spalovací komory 12 ventilem 14. Při startu pulzního zařízení 10 zažehne vhodný zdroj (neznázoměný), například jiskrou nebo zářením, explozivní směs. Náhlé zvýšené objemu, vyvolané rychlým zvýšením teploty a vznikem produktů spalování, natlakuje spalovací komoru 12. Při expanzi horkého plynu umožní ventil 14 ve formě fluidikové diody proudění plynu pouze ve směru k rezonanční trubce nebo trubkám 16. Proud spalin, který jev řešení podle vynálezu rozprašovací tekutinou, opouští spalovací komoru 12 s velkou hybností. Ve spalovací komoře 12 vznikne vzhledem k setrvačnosti rozprašovací tekutiny v rezonanční trubce nebo trubkách 16 podtlak a umožní pouze malé části rozprašovací tekutiny navrácení do spalovací komory 12 se zachováním rovnováhy rozprašovací tekutiny neboli spalin, vystupujících rezonanční trubkou nebo trubkami 16. Protože tlak ve spalovací komoře 12 je potom nižší než atmosférický tlak, je do spalovací komory 12 nasáván vzduch a palivová směs, načež dojde k samovznícení. Ventil 14 opět brání proudění opačným směrem a cyklus znovu začne. Jakmile se vyvolá první cyklus, pokračuje činnost motoru samočinně se samonasáváním.

Ventil 14. používaný v mnoha různých spalovacích systémech, je mechanickým klapkovým ventilem. Klapkový ventil je ve skutečnosti zpětným ventilem, umožňujícím proudění ze vstupu do spalovací komory 12 a bránícím zpětnému proudění mechanickými prostředky.

Ačkoli takové mechanické ventily mohou být použity ve spojení se systémem podle vynálezu, je výhodnější použití aerodynamického ventilu bez pohyblivých součástí. U aerodynamického ventilu brání mezní vrstva, vytvořená ve ventilu při výfuku, a turbulentní víry zvětší části zpětnému proudění. Navíc výstupní plyny mají mnohem vyšší teplotu než vstupní plyny. Tudíž viskozita plynu je mnohem vyšší a zpětný odpor vstupního průměru je zase mnohem vyšší než odpor pro dopředně proudění stejným otvorem. Tento jev vedle vysoké setrvačnosti rozprašovací tekutiny, vystupující rezonanční trubkou nebo trubkami 16, znamená kombinaci, jejímž výsledkem je proudění od vstupu k výstupu. Pulzní spalování tedy vytváří samonasávací motor, nasávající svůj vlastní vzduch a palivo do spalovací komory 12, u něhož dochází k samovznícení a ke vzniku spalovacích produktů ve formě rozprašovací tekutiny, použité v řešení podle vynálezu.

Výhodné provedení pulzního spalovacího zařízení 10 podle vynálezu je založeno na Helmholtzově konfiguraci s aerodynamickým ventilem. Kolísání tlaku, vyvolaná spalováním v pulzním spalovacím zařízení 10, tvořeném Helmholtzovým rezonátorem, spojená s fluidikovým usměrňováním aerodynamickým ventilem, vyvolají proudění vzduchu a tekutiny od vstupu pulzního spalovacího zařízení 10 do výstupu v rezonanční trubce nebo trubkách j6. To způsobí, že vzduch je pulzním spalovacím zařízením 10 samonasáván a průměrné zvý šení tlaku, vyvolané ve spalovací komoře 12, způsobí únik produktů spalování vysokou průměrnou iychlostí (obvykle více než 3048 m/s) do rezonanční trubky nebo trubek 16 a potom ven.

Pro pulzní spalování je charakteristický vznik silného akustického vlnění. Zvuková intenzita u stěny spalovací komory 12 je normální v rozsahu 110-190 dB. Tento rozsah se může měnit v závislosti na požadované frekvenci akustického pole pro přizpůsobení se specifickým použitím

-6CZ 283728 B6 pulzního spalovacího zařízení.

Rychlá oscilace tlaku spalovací komorou, 12 vytváří silné oscilující průtočné pole. Kolísající průtočné pole způsobí, že rozprašovací tekutina, neboli produkt spalování, se odvede od paliva, zažehávaného ve spalovací komoře 12, čímž se umožní přístup pro kyslík s malým nebo žádným difuzním omezením. V pulzním spalovacím zařízení 10 dochází k velmi vysoké výměně tepla a hmoty ve spalovací zóně. I když taková zařízení mají tendenci k vysoké intenzitě uvolňování velkého množství tepla (obvykle desetkrát větší než u obvyklých hořáků), velká výměna tepla a hmoty v oblasti spalování má za následek vytvoření rovnoměrnější teploty. Dosahované špičkové teploty jsou tak mnohem nižší, než u běžných systémů, což má za následek podstatné snížení tvorby oxidů dusíku (NO_X), jak je popsáno v patentu US 5 059 404. Vysoká intenzita uvolňování tepla tedy znamená zmenšení velikosti spalovacího zařízení pro daný výkon a snížení požadované doby rezonance.

Pulzní spalovací zařízení 10 podle vynálezu reguluje svou vlastní stechiometrii ve svém rozsahu spalování bez potřeby extenzivního řízení pro regulaci poměru přívodu paliva k průtoku spalovacího vzduchu. Zvýšením množství přiváděného paliva se zvýší síla tlakových pulzů ve spalovací komoře 12, čímž se zase zvýší množství nasávaného vzduchu aerodynamickým ventilem. Spalovací zařízení tak automaticky udržuje v podstatě konstantní stechiometrii ve svém uvedeném rozsahu spalování. Indukovaná stechiometrie se může změnit změnou fluidikového usměrňování aerodynamickým ventilem.

U určitých provedení podle vynálezu je možno uspořádat dvě (2) pulzní spalovací zařízení 10 v tandemu, to jest za sebou, přičemž dvě pulzní spalovací zařízení 10, stejná jako na obr. 4, pracují v těsné blízkosti. Tandemový způsob činnosti používá fázového zpoždění 180° mezi každou spalovací jednotkou a výsledkem toho je skládání zvukových vln a rušení přechodných zvukových emisí.

Tandemové uspořádání pulzních spalovacích zařízení 10 může být provedeno tak, že přívodní palivové potrubí tvaru T působí jako spojení, umožňující automatické rozdělování paliva mezi obě pulzní spalovací zařízení 10 tak, že jedna spalovací komora 12 dosáhne fáze s nízkým tlakem v okamžiku, kdy druhá spalovací komora 12 dosáhne fáze s vysokým tlakem. Vzhledem k tlakovému gradientu, existujícímu v palivovém propojení, jsou produkty spalování zrychlovány ze spalovací komory 12 s vysokým tlakem do spalovací komory 12 s nízkým tlakem. Hybnost zrychlených plynů způsobí nasávání paliva ze společného zdroje paliva do palivového potrubí tvaru T a eventuálně do spalovací komory 12 s nízkým tlakem. O půl cyklu později nastane podobný jev v opačném směru. Tímto způsobem je palivo náležitě rozdělováno bez použití mechanických klapkových ventilů nebo nezávislé fázovací komory. Přirozená nestabilita tandemových jednotek, používajících společné palivové potrubí, je dostatečná pro automatické posunutí fáze dvou spalovacích jednotek o 180°, protože obě jednotky usilují o stabilnější a robustnější způsob činnosti. Tento stav má za následek účinné fázování přívodu paliva, to jest s fázovým zpožděním 180°.

Pulzní spalovací zařízení 10 podle vynálezu může být podrobeno různým úpravám. Například v případě potřeby může být pro odvádění tepla z rezonanční trubky nebo trubek 16 použit vodou chlazený plášť, přičemž rezonanční trubky 16 jsou připojeny ke kotli nebo jinému vyhřívanému fluidnímu zařízení. Například se rezonanční trubky 16 mohou plynule rozšiřovat směrem ven, takže vytvářejí difuzor pro snížení výstupní rychlosti plynu ze spalovací komory 12 před jeho vstupem do hlavní dutiny spalovacího zařízení nebo zplyňovacího zařízení. Navíc mohou být rezonanční trubky 16, v podstatě přímé, avšak jejich vnější konec může být opatřen difuzorovou částí, rozšiřující se směrem ven, nebo alternativně může být difuzorová část vytvořena u, konce, nejbližšího spalovací komoře 12, a na ni potom navazují v podstatě přímé trubky.

Při své činnosti pulzní spalovací zařízení 10 podle vynálezu vytváří pulzující proud rozprašovací tekutiny a akustické vlnění s frekvencí v rozsahu od 20 do 1500 Hz. Při spalování paliva vystupuje pulzující proud rozprašovací tekutiny ze spalovací komory 12 a vstupuje do rezonanční trubky nebo trubek 16. Proud rozprašovací tekutiny, opouštějící spalovací komoru 12, má dostatečnou rychlost pro rozprášení vstřikovaného paliva nebo paliva, přiváděného přídavným přívodním prostředkem 20 paliva. Po setkání rozprašovací tekutiny s palivem dojde k rozprášení paliva, které se dále pohybuje rezonanční trubkou nebo trubkami 16, kde je mu udělována vyšší rychlost, dokud nedospěje do hlavní dutiny 50 spalovací zařízení nebo jiného zařízení.

Do spalovací komory 12 se prvním přívodním prostředkem 18 paliva a/nebo ventilem 14 přivádí vhodný pulzující proud paliva. Obvyklým hořlavým palivem pro pulzní spalovací zařízení 10 je zemní plyn, propan, syntetický plyn, bohatý na vodík, ajiné podobné plyny. Je však rovněž možno použít kapalná paliva, s výhodou lehké destiláty, jako benzin nebo petrolej. Dále je možno jako palivo použít i pevné palivo, jako hnědé uhlí, piliny ajiné vysoce reaktivní částice, které se spalují v pulzním spalovacím zařízení 10. Čím vyšší hořlavost palivo má, tím vyšší je dosažitelná amplituda dynamického tlaku, vyvolaná samočinnou rezonancí Helmholtzova rezonátoru. Dále vysoce hořlavé palivo vytváří vyšší intenzitu uvolňování tepla na jednotku objemu Helmholtzova rezonátoru.

Jak již bylo uvedeno, oscilující dynamické tlaky ve spalovací komoře 12, opatřené aerodynamickým ventilem nebo náležitě provedeným mechanickým ventilem, způsobují zvýšení tlaku ve spalovací komoře 12, který pohání rozprašovací tekutinu rezonanční trubkou nebo trubkami 16 vysokou rychlostí. Vysoká kinetická energie proudu rozprašovací tekutiny rezonanční trubkou 16 se využije pro rozprášení paliva, přiváděného přídavným přívodním prostředkem 20 paliva. Z rezonanční trubky nebo trubek 16 je rozprášené palivo přiváděno do hlavní dutiny 50 spalovacího zařízení, kam se přivádí přídavný spalovací vzduch a kde se rozprášené palivo spaluje.

Změnou množství vzduchu, přiváděného do pulzního spalovacího zařízení 10, a množství rozprášeného paliva, přiváděného do hlavní dutiny 50 spalovacího zařízení, je možno měnit teplotu rozprášeného paliva. Dále, v případě použití kalového paliva, má nastavení stechiometrie pulzního spalování a poměru intenzity pulzního spalování k intenzitě spalování v hlavní dutině 50 za následek to, že do hlavní dutiny 50 vstupuje suché uhlí nebo jiné pevné palivo, vystupující z pulzního rozprašovače. Dále zážeh pulzního spalovacího zařízení 10 za přibližných podmínek stechiometrického množství vzduchu (například 3 % nadbytečného vzduchu v palivu) a při dostatečně vysoké intenzitě spalování umožňuje rozprášenému palivu, vystupujícímu z rozprašovače, vytvořit předzapálené výpary a zažehnuté jemné částice spolu s odpařenými pevnými většími částicemi paliva z kalového paliva. Tím se zase uzavře plamen v hlavní dutině 50 spalovacího zařízení a umožní vyšší uzavření hlavní dutiny 50 spalovacího zařízení bez vyšlehnutí plamene ven. Za těchto podmínek, to jest při takovém rozprašování, sušení, neodpařování a předzapálení, není nutno pro stabilizaci spalování rozprášeného kalového paliva provádět předehřívání spalovacího vzduchu, přiváděného do hlavní dutiny 50 spalovacího zařízení.

Zařízení pro rozprašování s pulzním spalovacím zařízením 10 podle vynálezu pracuje následujícím způsobem. Do pulzního spalovacího zařízení 10 se přivádí do spalovací komory 12 palivo prvním přívodním prostředkem 18 paliva, nebo alternativně ventilem 14, jako směs vzduch/palivo. Vzduch se přivádí ventilem 14 a zážehový zdroj (neznázoměný) zažehne palivo pro spálení ve spalovací komoře 12. Spálením paliva vznikne pulzující proud spalin, použitý jako rozprašovací tekutina podle vynálezu. Pulzující spalování je, jak bylo výše uvedeno, samonasávací. Proud rozprašovací tekutiny, opouštějící spalovací komoru 12, prochází jednou nebo několika rezonančními trubkami 16. V místě nebo blízko místa spoje rezonanční trubky nebo trubek 16 se spalovací komorou 12 je upraven přídavný přívodní prostředek 20 paliva, kterým se

-8CZ 283728 B6 přivádí do pulzního spalovacího zařízení 10 palivo, určené k rozprašování. Palivo, určené k rozprašování, přiváděné přídavným přívodním prostředkem 20 paliva, se zavádí do proudu rozprašovací tekutiny, takže oscilující neboli pulzující průtočné pole, jak bylo výše uvedeno, působí na vstřikované palivo tak, že je rozpráší. Rozprášené palivo se potom vede k dalšímu zpracování, například pro spálení, zplyňování atd.

U zařízení pro rozprašování s pulzním spalováním se při velmi vysoké rychlosti v horkém oscilujícím průtočném poli v rezonanční trubce nebo trubkách 16 provede vysušení, odstranění těkavosti a předzapálení paliva, vstřikovaného do pulzního spalovacího zařízení 10. Tím se umožní činnost hlavního spalovacího zařízení za podmínek, při nichž se sníží tvorba NO_X, jak již bylo uvedeno. Dále vyšší uzavření bez vyšlehávání plamenu ven a nižší spalovací teplota, která dále snižuje tvorbu NO_X, znamenají dosažení vysoké účinnosti spalování buď s malým nebo vůbec žádným předehříváním vzduchu. Tím je ovšem eliminována potřeba provedení nákladných předehřívačů spalovacího vzduchu, které jsou zapotřebí u známých zařízení, čímž dojde k úspoře investičních a udržovacích nákladů při provádění účinného spalování kalových a kapalných paliv.

Použitím popsaného zařízení pro rozprašování s pulzním spalovacím zařízením 10 podle vynálezu pro rozprašování kalového nebo kapalného paliva je dosaženo několika důležitých výhod. Například je eliminována potřeba stlačeného vzduchu pro rozprašování paliva. Tím je ovšem eliminována jak potřeba nadbytečného výkonu pro vytváření stlačeného vzduchu, tak i investiční a udržovací náklady pro kompresorové zařízení. Dále jsou odstraněny problémy eroze, které mají popsaná rozprašovací zařízení s dvěma tekutinami as vnitřním smícháváním. Navíc jsou sníženy požadavky na nadbytečnou spotřebu energie u rozprašovacích zařízení s dvěma tekutinami a s vnějším smícháváním. Zařízení pro rozprašování podle vynálezu pracuje vpodstatě jako rozprašovač s dvojí tekutinou as vnějším smícháváním a nižším erozním působením. Rozprašovací tekutina se vytváří v samonasávacím pulzním spalovacím zařízení 10 spalováním paliva. Takové vytváření rozprašovací tekutiny nastává v systému, který nevyžaduje žádné pohyblivé součásti a žádné vzduchové kompresory.

A konečně, výtečná příprava paliva pro účinné spalování a pro zplyňování se stabilitou plamene, se zajištěním náležitých podmínek pro rozprašování, a zajištění toho, že rozprášené palivo se předčasně nevznítí, představují zřetelné výhody oproti známým rozprašovačům se dvěma tekutinami s vnitřním smícháváním a s vnějším smícháváním. U běžných rozprašovačů se dvěma tekutinami jsou kapky rozprášeného kalu v podstatě větší, než některé částice uhlí v původním kalu, což je následek toho, že palivo obsahuje vodu. Uhlí, obsahující vodu, vyžaduje mnoho dalších přídavných procesů spalování pro odpaření vody z kapek a pro odpaření neboli odtékání a vznícení paliva. Navíc, když se použije určitý druh krakovaného uhlí (jako je dehtovité uhlí, obvykle použité pro výrobu kalového paliva), vytvoří se z kapek, obsahujících víc částic, aglomeráty, což má za následek snížený poměr plochy ku hmotě hořícího paliva. Dále přítomnost vody v kalu v podstatě vyžaduje značné množství předehřátého spalovacího vzduchu, aby se zabránilo vyšlehnutí plamene z hlavního spalovacího zařízení. Dokonce při předehřátém spalovacím vzduchu je uzavření spalovacího prostoru a rozsah dělení na stupně, zejména hluboké stupňování ve spalovacím zařízení, omezeno u kalových paliv vzhledem k přítomnosti vody v těchto palivech. To však není případ kalových paliv, rozprášených v zařízení podle vynálezu, která se v podstatě vy suší, odpaří a předběžně vznítí.

Navíc v zařízení pro rozprašování s pulzním spalovacím zařízením dochází ke zvýšenému smíchávání paliva se vzduchem vzhledem k pulzování proudu produktů spalování. Dále přítomnost pevných částic v proudu rozprašovací tekutiny zvyšuje schopnost rozprašování tohoto proudu.

V dalším provedení podle vynálezu může rozprašovací zařízení s pulzním spalovacím zařízením pracovat při zvýšeném tlaku, neboli při přeplňování vstupním vzduchem. Jak je znázorněno na

-9CZ 283728 B6 obr. 5, může být vzduchový prostor 24 připojený potrubím k plnicímu dmýchadlu 26. Vzduchový prostor 24 funguje jako zásobník a dodává primární vzduch do pulzního spalovacího zařízení 10 s přibližně konstantním statickým tlakem. Zvýšení tlaku, způsobené pulzním spalováním u tohoto provedení podle vynálezu umožňuje snížení velikosti, příkonu a nákladů na plnicí dmýchadlo 26. Plnicí dmýchadlo 26 může tedy tvořit vzduchový ventilátor, vzduchový kompresor nebo jiné zařízení pro přivádění vzduchu do ventilu 14.

Jak je znázorněno na obr. 4 a 5, je palivo, rozprášené pulzním spalovacím zařízením 10. dodáváno do hlavní dutiny 50 spalovacího zařízení. Navíc může být rozprášené palivo, vyráběné zařízením podle vynálezu, vedeno do zplyňovacího zařízení, popsaného například v patentu US 5 059 404. Hlavní dutina 50 spalovacího zařízení může sestávat z dalšího pulzního spalovacího zařízení, nebo může být běžnou spalovací jednotkou.

Ačkoli byla popsána výhodná provedení zařízení podle vynálezu při použití specifických, zařízení, koncentrací a způsobů, jedná se o pouze ilustrativní příklady. Použité výrazy slouží pro popis a nikoli pro omezení. Je zřejmé, že v rámci vynálezu, daného patentovými nároky, je možno provádět různé změny a úpravy.

Claims (8)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob rozprašování kapalin nebo kalu, zahrnující pulzní spalování paliva ve spalovací komoře a vytváření vibrací, vyvolaných spalováním, pro vytvoření proudu rozprašovací tekutiny, vyznačující se tím, že se vytváří akustické tlakové vlnění a kapalina nebo kal, určené pro rozprašování, se zavádějí do proudu rozprašovací tekutiny bezprostředně po spálení uvedeného paliva, takže pod vlivem oscilujícího proudu se vytváří rozprášená kapalina nebo kal.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že kapalina nebo kal, určené k rozprašování, jsou palivem, čímž vzniká rozprášené palivo.
3. 3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že vytvářené akustické tlakové vlnění má frekvenci v rozsahu od 20 do 1500 Hz.
4. 4. Zařízení pro rozprašování kapaliny nebo kalu k provádění způsobu podle nároku 1, obsahující pulzní spalovací zařízení (10) pro vytváření oscilujícího proudu rozprašovací tekutiny a akustického tlakového vlnění, přičemž pulzní spalovací zařízení (10) je opatřeno přívodním prostředkem (18) pro zavádění paliva, ventilem (14) pro zavádění vzduchu, spalovací komorou (12), spojenou s uvedeným ventilem (14), a rezonanční trubkou (16), spojenou se spalovací komorou (12), kde rezonanční trubka (16) a spalovací komora (12) jsou spolu spojeny spojem, vyznačující se tím, že obsahuje přídavný přívodní prostředek (20) pro zavádění kapaliny nebo kalu, určených pro rozprašování pulzním spalovacím zařízením (10), do pulzního spalovacího zařízení (10), přičemž tento přídavný přívodní prostředek (20) pro zavádění kapaliny nebo kalu je umístěn u rezonanční trubky (16) u uvedeného spoje spalovací komory (12) a rezonanční trubky (16).
5. 5. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že ventil (14) pro zavádění vzduchu a přívodní prostředek (18) pro zavádění paliva do spalovací komoiy (12) jsou provedeny jako jeden prostředek, tvořený aerodynamickým ventilem.

   - 10CZ 283728 B6
6. 6. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že kpulznímu spalovacímu zařízení (10) je připojen další spalovací prostředek pro další zpracování rozprášené kapaliny nebo kalu.

   5
7. 7. Zařízení podle nároku 6, vyznačující se tím, že další spalovací prostředek je pulzním spalovacím zařízením.
8. 8. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že kpulznímu spalovacímu zařízení (10) je připojen další zplyňovací prostředek pro další zpracování rozprášené kapaliny io nebo kalu.