LV15255B - Kurināmā sadedzināšanas paņēmiens - Google Patents

Abstract

Izgudrojums attiecas uz siltumenerģētiku, konkrēti uz siltumģeneratoriem, piemēram, uz tvaika katliem. Piedāvāts kurināmā sadedzināšanas paņēmiens, kurā degļa liesmu ar uzliesmošanas frontes palīdzību sadala degmaisljuma padeves un sadegšanas zonās, vienlaicīgi uz liesmu iedarbojoties ar elektrisko lauku un izraisot elektrisko izlādi degmaisljuma zonā, pie kam lauka spriegumu uztur atbilstošu koronārā tipa izlādei, kas atšķiras arto, ka arelektrisko lauku iedarbojasarīuz degļa gaisa zonu (fig.1), tajā izraisot elektrisko izlādi, kas rada brīvos elektronus, kuri pie sadursmēm atdod savu enerģiju gaisa un kurināmā molekulām, paaugstinot katla karsto gāzu temperatūru

Description

[001] Izgudrojums attiecas uz siltumenerģētiku, konkrēti - uz siltumģeneratoriem.

Zināmā tehnikas līmeņa analīze [002] Pašlaik arvien plašāk siltumģeneratoros, piemēram tvaika un ūdens apkures katlos, tiek ieviesta liesmas ietekmēšana ar ārējo elektrisko lauku (ĀEL), kas palielina siltumražību un samazina kaitīgos izmešus atmosfērā [1; 2; 3]. ĀEL ietekme uz liesmu un degšanu ir pazīstama jau sen, bet plašāki pētījumi sākti 20. gs., sevišķi no 30. gadiem, kad var minēt Maļinovska [4], Asakavas [5], Lautona [6] un Veinberga [7] darbus. Rūpnieciskie eksperimenti ĀEL pielietošanā siltumenerģētikā sākti 20. gs. pēdējā ceturksnī [8; 9; 10] un turpinās [11]. Ir patentēti ĀEL pielietošanas paņēmieni iekšdedzes dzinējos un siltumģeneratoros to jaudas un ražības palielināšanai, siltumpārejas uzlabošanai un kaitīgo izmešu samazināšanai [12-17]. Tomēr visi šie paņēmieni neņem vērā brīvo elektronu koncentrāciju gaisa un degmaisījuma zonās rūpnieciskajos degļos, kas bieži noved pie pretēja efekta, kad siltumražība samazinās un kaitīgo izmešu daudzums palielinās.

[003] No pazīstamajiem vistuvākais pieteiktajam paņēmienam ir patents LV 5334, kas izvēlēts par izgudrojuma prototipu, kurā degļa liesmu ar degšanas frontes palīdzību sadala degmaisījuma padeves un sadegšanas zonās, vienlaicīgi uz liesmu iedarbojoties ar elektrisko lauku un izraisot elektrisko izlādi degmaisījuma padeves zonā, bet lauka spriegumu uztur atbilstošu koronārā tipa izlādei.

[004] Prototipā nav ņemta vērā brīvo elektronu koncentrācija, kuru nosaka izlādes strāva, degmaisījuma daudzums un degšanas gaisa pārpilnības koeficients. Šī koncentrācija un lauka intensitāte savukārt nosaka brīvo elektronu jaudas un enerģijas daudzumu [18], kas tiek atdots liesmas molekulām un tālāk, piemēram, katla sildvirsmai, tādējādi palielinot katla siltumražību. Tāpat nav ņemta vērā gaisa zona pirms degmaisījuma padeves zonas rūpnieciskajos degļos.

Izgudrojuma mērķis un būtība [005] Izgudrojuma mērķis ir siltumģeneratora ražības palielināšana, vienlaicīgi samazinot kurināmā patēriņu.

[006] Saskaņā ar izgudrojumu nospraustais mērķis ir sasniegts, uz liesmas degmaisījuma zonu iedarbojoties ar ārējo elektrisko lauku un izraisot tajā elektrisko izlādi, kas iedarbojas arī uz degļa gaisa zonu, radot abās zonās brīvos elektronus, kuri savu enerģiju pie sadursmēm atdod gaisa un degvielas molekulām, palielinot siltumģeneratora ražību, un strāvas spriegumu uztur tādu, lai lauka radīšanai patērētā elektriskā enerģija būtu mazāka par siltumražību starpību, kas iegūta siltumģeneratoram strādājot ar un bez lauka pielietošanas.

[007] Piedāvātais izgudrojums ir parādīts shēmā un grafikos, kur :

- Fig.l ir parādīta elektrodu un katla degļa shēma ar gaisa un degmaisījuma zonām,

- Fig.2 ir parādīta katla siltumražības izmaiņas atkarībā no patērētās elektriskās enerģijas lauka radīšanai,

- Fig.3 ir parādīta katla siltumražību starpības ar un bez lauka izmaiņas atkarībā no patērētās elektriskās enerģijas lauka radīšanai,

- Fig.4 ir parādīta katla jaudas izmaiņas atkarībā no brīvo elektronu atdotās jaudas,

- Fig.5 ir parādīta katla jaudu starpības ar un bez lauka izmaiņas atkanbā no brīvo elektronu atdotās jaudas,

- Fig.6 ir parādīta brīvo elektronu atdotās jaudas izmaiņas atkarībā no patērētās elektriskās jaudas lauka radīšanai,

- Fig.7 ir parādīta katla siltumražību starpības ar un bez lauka un patērētās elektriskās enerģijas attiecības izmaiņas.

Piedāvātā paņēmiena realizācija [008] Katla esošajā deglī (fig.l) ievieto izolētu elektrodu (1) ar aktīvo darba galu no radiāliem nihroma stieples stariem ar diametru de un stara garumu Is (skats A). Ar fiksatoru (2) noregulē elektroda garumu le tā, lai tā gals atrastos degmaisījuma zonā, ko var vizuāli redzēt caur skatlūkas cauruli (3). Tāpēc stariem ir jābūt tumšiem. Staru sarkanīga nokrāsa norāda uz to, ka elektroda (1) gals ir tuvu degšanas frontei, un tas ir jāpavelk atpakaļ, līdz sarkanīgā nokrāsa izzūd. Gaisu padod caur degļa gaisa reģistru (4), kur tas iegūst virpuļveida kustību un virzās pa gaisa zonu cauri gredzenveida gāzes kolektoram (5), kur to sajauc ar perpendikulāri izplūstšajām gāzes strūklām, izveidojot degmaisījumu. Kā otro elektrodu izmanto degļa priekšējo vairogu (6) ap caurules (3) galu, to sazemējot caur degļa un katla masu. Ieslēdzot strāvas ģeneratoru (7), rodas ĀEL starp elektroda (1) staru galiem un vairogu (6), kā tas parādīts (fig.l) ar ārējo raustīto līniju. Lauka intensitāti E nosaka izlādes attālums H pēc sakarības E=UIH_t. Lauks ietekmē kā degmaisījuma, tā gaisa zonu, kas fig.l ir parādīta ar iekšējo raustīto līniju.

[009] Brīvo elektronu atdotā jauda un enerģija W_e abās zonās gaisa un gāzes molekulām ir atkarīga no lauka intensitātes E un lādēto daļiņu koncentrācijas ni,_e, kas savukārt ir atkarīga no strāvas stipruma I, gaisa L un gāzes В kopējā patēriņa W_m=L+B pēc sakarības n_i;e = 7/(1,6 xl0-¹⁹x W_m).

E un I pie noteiktiem Hi, L, В regulē ar strāvas ģeneratora spriegumu U, pie kam patērētajai elektriskajai jaudai P un enerģijai W ir jābūt mazākai par katla jaudas un siltumražības starpību ar un bez ĀEL. Praktiski to nosaka pie katla ieregulēšanas, darbinot katlu ar un bez lauka ietekmes un pēc šiem rezultātiem sastādot katla darba režīma karti, kurā atzīmē pie katras katla slodzes, piemēram, 25, 50, 75, 100 %, lielumu U, I,P, JTun Hi vērtības.

[010] Paņēmiens tika pārbaudīts uz katliem DKVR-10-13, DE-25-14, KVGM-10, PTVM-10 un RK-1,6 ar kurināmo dabas gāzi, mazutu un krāšņu degvielu, visos iegūstot pozitīvus rezultātus.

[011] Tālāk aprakstā kā piemērs ir pievesti tvaika katla DKVR-10-13 ar tvaika ražību 10 t/h un spiedienu 13 atm izmēģinājumu rezultāti, kas apkopoti no 1. līdz 6. tabulai, kurās Nr. ir izmēģinājuma numurs, pie kam Nr. ir 0 izmēģinājumiem bez lauka. Kurināmais ir dabas gāze.

1.tabula Katla DKVR-10-13 izmēģinājumu rezultāti: U, I un P ir spriegums, strāva un elektriskā jauda; P_v un W ir patērētā elektriskā jauda un enerģija uz 1 m³ degmaisījuma V_m; E ir lauka intensitāte; nj,_e ir lādēto daļiņu koncentrācijā lauka darbības zonā; E_vid ir vidējie rezultāti ar lauku

Nr.	U, kV	/, mA	P, W	PvX 10-6, W/m3	IV, Wh/m3	E, V/m	ni.e X 1010, cm’3
0	0	0	0	0	0	0	0
1	7,0	2,0	14,0	0,52	0,002	43750	0,60
2	9,2	5,3	48,8	1,80	0,006	57500	1,59
3	13,8	6,7	92,5	4,10	0,015	86250	2,41
4	11,0	7,0	77,0	2,80	0,010	68750	2,06
5	14,2	7,0	99,4	4,57	0,016	88750	2,61
6	13,0	12,0	156,0	5,89	0,021	81250	3,67
Evid	11,4	6,7	81,3	3,28	0,012	71042	2,16

U un I ir videjie lielumi pec meraparatu (fig.l) radījumiem. P = UI, W. P_v= P/(Vm) x 3600, W/m³. W= 3600Pv, Wh/m³. E = 10001Ж, V/m. ni;e = 1000 1/(1,6x 10’¹⁹x 0,444 x V_m), cm³.

2. tabula Katla DKVR-10-13 izmēģinājumu rezultāti: В un L ir gāzes un gaisa patēriņš;

V_m= L+B; qi ir katla lietderīgais siltums; q2 ir siltuma zudumi aiz katla pirms ekonomaizeriem; Qmeff ir katla jauda, pieskaitot q2; Q ir katla jauda bez q2. E_vid un Kvid ir vidējie rezultāti ar un bez lauka; d= E_vid - K_Vid; d, % ir starpība procentos

Nr.	B, m3/h	L, m3/h	Vm, m3/h	qi, %	d2, %	qi+q2, %	Qeff, MW	Q, MW
0	495	6503	6998			92,48	4,245	3,541
1	495	7046	7541	78,65	13,64	92,29	4,256	3,625
2	495	7025	7520	78,76	13,58	92,34	4,258	3,630
3	495	5764	6260	82,28	11,36	93,64	4,319	3,795
4	495	7142	7638	80,11	13,63	93,74	4,323	3,692
5	495	5550	6046	81,06	10,87	91,93	4,240	3,738
6	495	6860	7356	82,02	13,28	95,30	4,395	3,780
Evid	495	6565	7060	80,48	12,73	93,21	4,298	3,710
d	0	61	62	3,60	0,19	3,80	0,178	0,169
d, %	0	1	1	4,69	1,54	4,25	4,316	4,763
1	495	6883	7378	75,59	13,19	88,77	4,094	3,484
2	495	6883	7378	75,59	13,19	88,77	4,094	3,484
3	494	5851	6345	80,20	11,45	91,65	4,218	3,691
4	495	6883	7378	75,59	13,19	88,77	4,094	3,484
5	494	5638	6133	78,72	10,99	89,72	4,129	3,623
6	495	6883	7378	75,59	13,19	88,77	4,094	3,484
Kvid i	495	6503	6998	76,88	12,53	89,41	4,121	3,541

3. tabula Katla DKVR-10-13 izmēģinājumu rezultāti: W_m ir brīvo elektronu jauda un enerģija uz 1 m³ degmaisījuma; dQmeff ir katla jaudu un siltumražību starpība ar un bez lauka uz 1 m³ degmaisījuma; dQmeff/Wir katla siltumražību starpības attiecība pret patērēto elektrisko enerģiju W; Evid ir vidējie rezultāti ar lauku

Nr.	WeXlO-4, W/m3	Wex 10-4, Wh/m3	dQmeff, W/m3	dQmeff, Wh/m3	dQmeff IW
0	0	0	0	0	0
1	0,027	97	0,005965	21	11567
2	0,144	519	0,006073	22	3372
3	0,621	2234	0,004452	16	1085
4	0,297	1068	0,008328	30	2974
5	0,722	2601	0,005071	18	1110
6	0,811	2920	0,011365	41	1929
Evid	0,437	1573	0,006876	25	3673

4. tabula Katla DKVR-10-13 izmēģinājumu rezultāti: dqi ir katla lietderīgā siltuma starpība ar un bez lauka; dq2 ir siltuma zudumu aiz katla starpība ar un bez lauka; d(qi+q2) = dqi+dq2; dQeff ir katla jaudu starpība ar un bez lauka; E_vid ir vidējie rezultāti ar lauku

Nr.	dqi, %	dq2, %	d(qi+q2), %	dQeff, MW
0	0	0	0	0
1	3,06	0,45	3,51	0,161942
2	3,18	0,39	3,57	0,164413
3	2,08	-0,09	1,99	0,100323
4	4,52	0,44	4,97	0,228991
5	2,34	-0,12	2,22	0,110375
6	6,44	0,09	6,53	0,300947
Evid	3,60	0,19	3,80	0,177832

5. tabula Katla DKVR-10-13 izmēģinājumu rezultāti: СОг, O2 un NO_X ir to saturs dūmgāzēs; α ir gaisa pārpilnības koeficients; tdg ir dūmgāzu temperatūra; CO2, O2, Ν0_χ, α un tdg ir noteikti aiz katla pirms ekonomaizeriem; B/Q ir gāzes patēriņš uz 1 MWh saražotās siltumenerģijas; E_Vid un K_vid ir vidējie rezultāti ar un bez lauka; d= E_Vid - K_vid; d, % ir starpība procentos

Nr.	CO2, %	O2, %	NOX, mg/m3	α	tdg, °C	B/Q, m3/MWh
0						140
1	7,41	7,51	78	1,593	241,7	136
2	7,43	7,93	91	1,588	242,2	136
3	9,05	5,03	134	1,303	240,3	130
4	7,31	7,51	93	1,615	240,5	134
5	9,40	4,55	75	1,255	240,8	132
6	7,61	7,51	83	1,551	241,9	131
Evid	8,03	6,67	92	1,484	241,2	133
d	-0,05	0,14	-4	0,013	1,3	-6
d, %	-0,58	2,15	-4	0,884	0,6	-5
1	7,59	7,32	91	1,556	240,1	142
2	7,59	7,32	91	1,556	240,1	142
3	8,90	5,43	118	1,325	238,7	134
4	7,59	7,32	91	1,556	240,1	142
5	9,24	4,48	97	1,277	240,3	136
6	7,59	7,32	91	1,556	240,1	142
Kvid	8,08	6,53	96	1,471	239,9	140

6. tabula Katla DKVR-10-13 izmēģinājumu rezultāti: dCCh, dC>2, dNO_x, dtdg un d(B/Q) ir rezultātu starpības ar un bez lauka; E_via ir vidējie rezultāti ar lauku

Nr.	dCO2, %	dO2, %	dNOx, %	dtdg, °C	d(B/Q), %
0	0	0	0	0	0
1	-0,18	0,19	-14	1,6	-3,93
2	-0,16	0,61	0	2,1	-4,07
3	0,15	-0,40	14	1,6	-2,61
4	-0,28	0,19	2	0,4	-5,68
5	0,16	0,07	-22	0,5	-3,13
6	0,02	0,19	-9	1,8	-7,88
Evid	-0,05	0,14	-5	1,3	455

[012] No tabulām 1 līdz 6 ir redzams, ka, pielietojot lauku, katla lietderīgi izmantojamais siltums (katla lietderības koeficients KLK) qi pieaug vidēji par 4,69 %, katla jauda Q pieaug par 4,76 % un samazinās gāzes patēriņš uz 1 MWh saražotās siltumenerģijas B/Q par 5 %, pie kam vienlaicīgi samazinājās NO_x izmešu daudzums.

[013] Tabulās 2, 3 un 4 parādītie lielumi Q_eff, dQ_eff un dQmeff ir aprēķināti, ņemot vērā siltuma zudumus q₂ aiz katla ar aizplūstošajām dūmgāzēm. Katram konkrētam katlam q₂ lielā mērā būs atkarīgs no katla konstrukcijas (papildsildvirsmām u.c.).

[014] Izmēģinājumu rezultātu apstrādes grafiki (fig.2 līdz fig.7) apstiprina brīvo elektronu lomu katla jaudas un siltumražības pieaugumā. Brīvie elektroni pie sadursmēm atdod savu enerģiju gaisa un kurināmā molekulām. Minētajos apstākļos lauka ietekmē brīvo elektronu temperatūra, kā zināms, piemēram, no [19], sasniedz vairākus desmit tūkstošus grādu. Tas tad arī nosaka enerģijas pāreju no karstās lauka ietekmes zonas uz daudz zemākas temperatūras katla gāzu zonām, paaugstinot to temperatūru un siltuma pāreju caur katla sildvirsmu.

[015] Bez tam brīvie elektroni pie sadursmēm ar gaisa un kurināmā molekulām aktivizē un jonizē šīs molekulas pirms degšanas reakcijām, tādējādi intensificējot degšanas procesu.

[016] Saistība starp katla jaudu starpību ar un bez lauka dQmeff, brīvo elektronu atdoto jaudu W_e un patērēto elektrisko jaudu P_v ir redzama no grafikiem (fig.5) un (fig.6), pie kam dQmeff » We > Ρν· [017] Tādējādi izgudrojuma, pielietošana ļauj izmantot brivo elektronu enerģiju siltumģeneratoru jaudas un ražības palielināšanai, vienlaicīgi samazinot kurināmā patēriņu un kaitīgo izmešu daudzumu.

Izmantotie informācijas avoti:

1. Синкевич О.А. Перспективы использования плазменных и газоразрядных технологий в теплоэнергетике. Теплоенергетика, № 3, 2004, стр. 57-60.

2. ClearSign Combustion Corporation. Electrodynamic Combustion Control Technology. 2012.06.18, pp. 1 -11. www.clearsign.com/technologv/electrodynamic-combustion-control/.

3. M.А.Амосова, B.T.Антуфьев. Исследования по созданию эффективной горелки для тепловых установок пищевой промышленности, www.processes.open-mehamcs.

4. Ф.А.Лавров, А.Э.Малиновский. Влияние продольного электрического поля на процесс горения газовых смесей. ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, T.IV, вып.1, 1933, стр. 104-108.

5. Y.Asakawa. JSME 1967 Semi-Intrenational Symposium 1967. 9.4-8, Tokyo, Promotion of Vaporization by Means of Application of Electric Field, pp. 95-102.

6. Lawton J., Weinberg F.J. Electrical Aspects of Combustion. Claredon Press,Oxford (1969).

7. Weinberg F.J. Smokes, droplets, flames and electric fields. Faraday Symposia of The Chemical Society, No 7, 120 (1973).

8. Пурмал М.Я. О возможностях использования электрических полей при сжигании топлив в котельных установках. Известия ВУЗ-ов, серия ЭНЕРГЕТИКА, 1988, № 5, стр. 70-76.

9. Maija Zake, Modris Purmals, Mara Lubane. Enhanced Electric Field Effect on a Flame. Enhanced Heat Transfer, 1998, Vol. 5, pp.139-163.

10. M.Zake, D.Turlajs, M.Purmals. Electric Field Control of NOx formation in the Flame Channel Flows. Global Nest: the Int.J., Vol.2, No.l, pp. 99-108, 2000.

11. I.Barmina, M.Purmalis, R.Valdmanis, M.Zake. ELECTRODYNAMIC CONTROL OF THE COMBUSTION CHARACTERISTICS AND HEAT ENERGY PRODUCTION. Combustion Science and Technology, Vol. 188, Issue 2, pp.190-206, 2016.

12. Patents US 7243496 B2, izdošanas datums 17.07.2007.

13. Patents US 8881535 B2, izdošanas datums 11.11.2014.

14. Patents US 9151549 B2, izdošanas datums 06.10.2015.

15. Patents RU 2071219 Cl, izdošanas datums 27.12.1996.

16. Patents RU 2125682 Cl, izdošanas datums 27.01.1999.

17. Patents RU 2160414, Cl, izdošanas datums 10.12.2000.

18. Шкаровский И., Джонстон П., Бачинский Μ. Кинетика частиц плазмы. М.: Атомиздат, 1969, стр. 28-30.

19. М.В.Заке, М.Я.Пурмал, В.А.Сермулинып, И.Н.Ятченко. Оптические и электрофизические свойства пламени пропана во внешнем электрическом поле. Известия АН Латвийской ССР, серия физических и технических наук, 1987, № 4, стр. 109-115, рис.4.

Claims (3)

1. Kurināmā sadedzināšanas paņēmiens, degļa liesmu ar uzliesmošanas frontes palīdzību sadalot degmaisījuma padeves un sadegšanas zonās, vienlaicīgi uz liesmu iedarbojoties ar elektrisko lauku un izraisot elektrisko izlādi degmaisījuma zonā, un lauka spriegumu uzturot atbilstošu koronārā tipa izlādei, kas atšķiras ar to, ka ar elektrisko lauku iedarbojas arī uz degļa gaisa zonu (fig.l), izraisot tajā elektrisko izlādi, kas rada brīvos elektronus.

2. Paņēmiens saskaņā ar 1. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka brīvie elektroni gaisa un degmaisījuma zonās pie sadursmēm atdod savu enerģiju gaisa un kurināmā molekulām, kā arī tās aktivizē pirms degšanas reakcijām, tādējādi palielinot karsto gāzu temperatUru siltumģeneratorā.

3. Paņēmiens saskaņā ar 1. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka lauka spriegumu uztur tādu, lai lauka radīšanai patērētā elektriskā enerģija būtu mazāka par siltumražību starpību, kas iegūta siltumģeneratoram strādājot ar un bez lauka.