PL230362B1 - Inżektorowa lanca paliwowa - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Inżektorowa lanca paliwowa, zwłaszcza do transportu i zapewnienia stabilnego procesu dostarczania paliwa gazowego do systemów spalania, przeznaczona jest do dostarczenia paliwa gazowego do procesu spalania, gdzie ilość strumienia paliwa jest kontrolowana przez ilość gazu napędowego dostarczanego do inżektora. Przedmiotem wynalazku jest lanca paliwowa, zwłaszcza inżektorowa lanca paliwowa służąca do dostarczenia do komory spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w sposób ciągły i niezależny od ciśnienia paliwa, znajdująca zastosowanie w przemysłowych systemach spalania, w komorach kotłów energetycznych, pieców przemysłowych oraz adiabatycznych komorach spalania.

Znane są urządzenia lance paliwowe do zasilania systemów spalania w paliwo, również w przypadkach kiedy wartość ciśnienia paliwa jest nie wystraczająca do pokonania oporów przepływu i zapewnienia odpowiednich parametrów (US 3441045 A, US 3441045 A). Lance te mają umieszczony w korpusie wzdłuż osi koncentryczny przewód zakończony dyszą służącą do wprowadzania gazu napędowego, zaś na zewnątrz na obwodzie przewodu, pierścieniowym przekrojem zasysane jest paliwo gazowe, które po wymieszaniu z gazem napędowym jest transportowane koncentrycznym przewodem do przelotowej dyszy wylotowej umieszczonej w części końcowej lancy.

Przedstawiona w opisie patentowym US 7527481 strumieniowa pompa ssąca zawiera obudowę mającą otwór wzdłuż pierwszej osi, promieniowe przejście od zewnętrznej powierzchni obudowy do otworu określającego otwór ssący, otwór wyznaczający otwór wlotowy w pierwszej części obudowy i tłok wypychacza zamontowany w otworze, mający co najmniej jeden promieniowy przepływ wzdłuż drugiej osi od zewnętrznej powierzchni drugiego korpusu do dyszy, który rozciąga się od pierwszego otworu do drugiego otworu tłoka pompy ssącej.

Celem wynalazku jest opracowanie nowej konstrukcji inżektorowej lancy paliwowej, która zapewni ciągły dopływ paliwa do komory spalania w zmiennych warunkach pracy układu spalania takich jak: temperatura i ciśnienie panujące w komorze spalania, ciśnienie i temperatura gazu paliwowego, ciśnienie i temperatura otoczenia, własności fizykochemiczne paliwa oraz zawartość związków smolistych, organicznych i mineralnych.

Istota wynalazku, którym jest inżektorowa lanca paliwowa, zwłaszcza do transportu i zapewnienia stabilnego procesu dostarczania paliwa gzowego do systemów spalania, polega na tym, że dysze wtryskujące gazu napędowego umieszczone są na obwodzie komory mieszającej pod kątem w zakresie (10-30)° do osi wzdłużnej komory mieszającej, korzystnie w odległości mniejszej lub równiej połowie średnicy komory mieszającej, która połączona jest od strony napływu z przewodem zasilającym poprzez kanał zbieżny, a od strony wypływu połączona jest przez kanał rozbieżny z przewodem transportującym zakończonym dyszą wylotową.

Korzystnym jest, gdy ściana boczna walcowego cylindra komory mieszania, oraz boczne ściany stożkowe kanału zbieżnego i rozbieżnego posiadają na zewnątrz płaszcz, pomiędzy którym znajduje się ciśnieniowa komora gazu napędowego z umieszczonym króćcem przyłączeniowym, którego oś wzdłużna umieszczona jest prostopadle do osi wzdłużnej inżektorowej lancy paliwowej.

Według wynalazku dysze gazu napędowego umieszczone są na ścianie bocznej komory mieszania gazu napędowego oraz transportowanego paliwa, których osie usytułowane są pod odpowiednim kątem do osi lancy paliwowej, korzystnie w zakresie 15 do 20 stopni. Komora mieszająca ma kształt cylindra o długości równej minimum dwukrotności przyjętej średnicy. Umiejscowienie dysz gazu napędowego znajduje się w pewnej odległości od wlotu do komory mieszającej, korzystnie równej połowie średnicy tej komory. Komora mieszająca połączona jest od strony napływu gazu paliwowego kanałem w kształcie stożka ściętego z przewodem cylindrycznym, gdzie kanał o kształcie leja ma długość równą średnicy kanału mieszającego. Od strony wypływu kanał łączący komorę mieszającą, zakończony przelotowym otworem, z częścią transportową lancy ma kształt stożka ściętego rozszerzającego się w stronę wylotu. Część transportową lancy stanowi kanał cylindryczny którego oś podłużna pokrywa się z osią komory mieszania. Zakończenie lancy stanowi dysza paliwowa umieszczona centrycznie w przewodzie koncentrycznym. Dysza zakończona jest przelotowym otworem którego oś pokrywa się z osią kanału transportowego oraz osią mieszalnika. W odmianie wynalazku oś wzdłużna dyszy może być umieszczona pod odpowiednim kątem do osi wzdłużnej kanału transportującego.

Inżektorowa lanca paliwowa według wynalazku charakteryzuje się prostą budową i brakiem skomplikowanych elementów, na wskutek czego jej wytwarzanie jest proste, a koszty produkcji niskie. Innowacyjnym rozwiązaniem w proponowanym wynalazku jest brak w komorze mieszania inżektora elementów w postaci przewodów koncentrycznych oraz dysz. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe jest

PL 230 362 Β1 użytkowanie lancy paliwowej również do paliw zawierających w swym składzie związki smoliste oraz zanieczyszczenia organiczne i mineralne bez zagrożenia ich kondensacji wewnątrz palnika. Taka kondensacja może prowadzić do zmiany przekroju poprzecznego mieszalnika a tym samym ograniczyć dopływ paliwa do dyszy wylotowej. Przy prostocie konstrukcji inżektor charakteryzuje się dużą stabilnością pracy i małą wrażliwością na wahania ciśnienia panującego wewnątrz komory spalania, a to przekłada się na stabilność realizowanego procesu spalania.

Lanca ta może stanowić autonomiczną część systemów dostarczania paliwa gazowego lub innych gazów do procesów technologicznych.

Inżektorowa lanca paliwowa składa się z: przewodu zasilającego 1, kanału przyspieszającego 2, komory mieszalnika 3 z dyszami wtryskowymi 4, kanału rozprężnego 5, ciśnieniowej komory dolotowej gazu napędowego 6 z króćcem przyłączeniowym 7 oraz przewodu transportującego 8 z dyszą wylotową 9. Przewód zasilający 1, kanał przyspieszający 2, komora mieszalnika 3, kanał rozprężny 5, przewód transportujący 8 usytułowane są na tej samej osi wzdłużnej korpusu inżektorowej lancy paliwowej.

Długość cylindrycznego przewodu transportowego 8 zakończonego dyszą wylotową 9 jest dostosowana do systemu spalania. Cylindryczny przewód transportujący jak i dysza, w zależności od potrzeb może być wykonana z różnych materiałów począwszy od stali węglowych, stali stopowych poprzez różnego rodzaju stopy metali, a skończywszy na stalach żaroodpornych. Możliwość stosowania różnego rodzaju materiałów do wykonania tego elementu, pozwala stosować inżektorową lancę paliwową w szerokim spektrum temperatur jak i środowisk, od obojętnych, poprzez silnie utleniające, do środowisk agresywnych.

Odpowiednią ilość transportowanego paliwa uzyskuje się przez wtrysk zadanej ilości gazu napędowego do komory mieszania inżektora 3, gdzie strumień pędu gazu napędowego powoduje wytworzenie podciśnienia, umożliwiające pokonanie oporów występujących w instalacji doprowadzającej paliwo gazowe jak również w samej lancy paliwowej. Gaz napędowy doprowadzany jest z prędkością naddźwiękową przez dysze 4, których osie są ustawione pod odpowiednim kątem do osi wzdłużnej mieszalnika. Gaz napędowy do dysz doprowadzany jest z kolektora ciśnieniowego 6 zasilanego z sieci wysokiego ciśnienia przez cylindryczny króciec dolotowy 7, którego oś jest usytułowana prostopadle do osi wzdłużnej mieszalnika. Ilość zasysanego gazu paliwowego jest regulowana przez strumień masy gazu napędowego, kontrowany przez ciśnienie w króćcu dolotowym. Odpowiedni kąt osi dysz gazu napędowego powoduje, że proces mieszania gazu paliwowego i gazu napędowego następuje w mieszalniku inżektora 3. Ze względu na niską prędkość paliwa gazowego we wlotowym kanale cylindrycznym 1 przed wlotem do komory mieszającej inżektora zainstalowano kanał przepływowy ze zmniejszającym się przekrojem poprzecznym 2. Zainstalowanie tego kanału powoduje zamianę energii potencjalnej gazu paliwowego na energię kinetyczną. Powoduje to polepszenie procesu mieszania gazu paliwowego ze strugami gazu napędowego dostarczanego przez dysze 4 w komorze mieszalnika. Zabieg taki powoduje, że na wlocie do kanału przepływowego o zwiększającym się przekroju 5 uzyskuje się jednorodną mieszaninę gazu paliwowego oraz transportowego. Zadaniem stożkowego kanału 5 jest połączenie mieszalnika inżektora z cylindrycznym przewodem transportowym lancy 8. Prędkość strumienia mieszaniny gazu paliwowego i napędowego zostaje zmniejszona kosztem wzrostu ciśnienia statycznego płynu. Wzrost ciśnienia jest potrzebny do pokonania oporów przepływu mieszaniny gaz paliwowy - gaz napędowy przez przewód transportowy lancy 8 oraz dyszę wylotową 9 przy zachowaniu odpowiednich parametrów eksploatacyjnych. Długość cylindrycznego przewodu transportowego jest dostosowana do systemu spalania. Oś dyszy wylotowej 9 może pokrywać się z osią inżektorowej lancy gazowej lub w odmianie wynalazku oś wzdłużna dyszy może być umieszczona pod odpowiednim kątem w celu wytworzenia w komorze spalania pożądanych zjawisk aerodynamicznych.

Wynalazek w przykładzie wykonania pokazano na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia inżektorową lancę paliwową w widoku perspektywicznym, fig. 2 przedstawia przekrój poprzeczny inżektorowej lancy paliwowej pokazujący poszczególne elementy budowy lancy, fig. 3 przedstawia przekrój poprzeczny A-A inżektorowej lancy paliwowej pokazujący kanał mieszający inżektora oraz dysze wtryskowe, na fig. 4 pokazano fragment elementu dyszy, zaś na fig. 5 - inżektor dyszy.

Gaz transportowy dostarczany jest do mieszalnika inżektorowej lancy paliwowej w odpowiednim stosunku do ilości gazu paliwowego. Stosunek ten jest uzależniony od składu gazu transportowego, temperatury gazu transportowego, składu gazu paliwowego, temperatury i ciśnienia gazu paliwowego oraz spadku ciśnień w systemie paliwowym. Zakres proporcji gaz transportowy do gazu paliwowego może się wahać od 0,1 do 3,0 korzystnie od 0,3 do 1,0.

PL 230 362 Β1

Działanie inżektorowej lancy paliwowej jest następujące (fig. 4): przez przewód zasilający 1 do kanału zbieżnego 2 doprowadzane jest gaz paliwowy (i) z prędkością od kilku do kilkunastu m/s. W kanale o zmniejszającym się przekroju następuje wzrost prędkości przepływu gazu paliwowego (i), tak, że na wlocie do komory mieszającej inżektora uzyskuje się prędkość od kilkunastu do kilkudziesięciu m/s. Gaz paliwowy transportowany jest przez wytworzenie odpowiedniego podciśnienia na wlocie do komory mieszającej inżektora 3. Do komory mieszającej doprowadzany jest gaz transportowy (ii) przez dysze wtryskujące 4 z prędkością większą od prędkości dźwięku. W mieszalniku inżektora następuje mieszanie się gazu transporotowego (ii) oraz gazu paliwowego (i). Lokalizacja dysz wtryskujących gaz transportowy zapewnia jednorodne wymieszanie gazu paliwowego i gazu napędowego. Prędkość mieszaniny (iii) gaz paliwowy - gaz napędowy wynosi w przekroju wylotowym mieszalnika od kilkudziesięciu do nawet stu m/s. Prędkość mieszaniny (iii) gaz transportowy - gaz paliwowy jest redukowana w kanale rozbieżnym 5 do wartości mierzonej wzdłuż osi wzdłużnej inżektorowej lancy paliwowej na poziomie kilkudziesięciu m/s. Zamiana ciśnienia dynamicznego na ciśnienie statyczne na wyjściu z kanału rozbieżnego powoduje, że w na wlocie do przewodu transportowego 8 uzyskuje się wartość ciśnienia wystarczającą do pokonania oporów przepływu przez przewód transportowy oraz dyszę wylotową 9 przy zachowaniu odpowiedniej prędkości wylotowej, której wartość wynosi w zakresie od 20 do 150 m/s, najkorzystniej w zakresie 60 do 120 m/s. Przyrost uzyskanego ciśnienia w przekroju wlotowym kanału zbieżnego 2 oraz w przekroju wylotowym kanału rozbieżnego 5 wynika z bilansu masy, energii oraz pędu strumieni gazu transportowego (ii) oraz gazu paliwowego (i), jak również strat energii w kanale zbieżnym na wejściu do mieszalnika i kanale rozbieżnym na wyjściu z mieszalnika.

Claims (2)

Zastrzeżenia patentowe

1. Inżektorowa lanca paliwowa, zwłaszcza do transportu i zapewnienia stabilnego procesu dostarczania paliwa gazowego do systemów spalania, znamienna tym, że dysze wtryskujące gazu napędowego (4) umieszczone są na obwodzie komory mieszającej pod kątem w zakresie (10-40)° do osi wzdłużnej komory mieszającej, korzystnie w odległości mniejszej lub równiej połowie średnicy komory mieszającej (3), która połączona jest od strony napływu z przewodem zasilającym (1) poprzez kanał zbieżny (2), a od strony wypływu połączona jest przez kanał rozbieżny (5) z przewodem transportującym (8) zakończonym dyszą wylotową (9).

2. Lanca według zastrz. 1, znamienna tym, że ściana boczna walcowego cylindra komory mieszania (3), oraz boczne ściany stożkowe kanału zbieżnego (2) i rozbieżnego (5) posiadają na zewnątrz płaszcz, pomiędzy którym znajduje się ciśnieniowa komora gazu napędowego (6) z umieszczonym króćcem przyłączeniowym (7), którego oś wzdłużna umieszczona jest prostopadle do osi wzdłużnej inżektorowej lancy paliwowej.