RU13501U1 - Устройство для автоматического подогрева жидкого топлива - Google Patents

Abstract

Устройство для автоматического подогрева жидкого топлива, содержащее корпус с испарительной камерой, заполненной жидким теплоносителем, с введенными в него патрубками подачи и отбора жидкого топлива, первичный источник тепловой энергии, находящийся в указанной испарительной камере, и компенсационный бачок, сообщающийся с одного конца с атмосферой, а с другого - с нижней частью корпуса, отличающееся тем, что патрубки подачи и отбора жидкого топлива введены непосредственно в испарительную камеру и сообщены друг с другом через размещенный в испарительной камере трубчатый теплообменник, выполненный, например, в виде змеевика, а первичный источник тепловой энергии выполнен в виде участка трубчатой магистрали горячего компонента, имеющей вертикальную поверхность, контактирующую с полостью испарительной камеры.

Description

Устройство для автоматического подогрева жидкого топлива

по Настоящее предлагаемое изобретение относится к области теплотехники и, в

частности, представляет собой устройство для автоматического подогрева жидкого топлива с целью снижения его вязкости и поверхностного натяжения для повышения тонкости распиливания его форсунками, скорости образования и сгорания топливной смеси в объеме топочной камеры. Например, оно может быть использовано в котельных установках для выработки насыщенного водяного пара для технологических и коммуникационных целей: в нефтегазодобыче, бурении, а так же для отопления жилых помещений и производственных объектов и пр.

Известен электронагреватель жидкости, выполненный по авт. св. СССР № 502182, кл. F 24H 1/20, 1973 г. Он содержит снабженный нижним и верхним, соответственно подводящим и отводящим, патрубками вертикальный заземленный электропроводный корпус с установленным в нем электродом, размещенной вокруг последнего обечайкой, и компенсационный бачок, причем обечайка выполнена из диэлектрика и подвешена к поплавку, расположенному в верхней части корпуса. Недостатком описанного электронагревателя является сложность конструкции, связанная с наличием движущихся внутри корпуса деталей.

Для упрощения этой конструкции был разработан электронагреватель жидкости по авт. свид. СССР № 687320, кл. F 24H 1/20; F 22 В 1/30, 1979 г. ( см. приложение), характеризующийся тем, что указанная обечайка выполнена из электропроводного материала и плотно соединена со стенкой корпуса выше отводящего и ниже подводящего патрубков с образованием центральной герметичной камеры, дополнительно заполненной промежуточным теплоносителем и сообщенной с компенсационным бачком. Центральная камера в верхней части снабжена отводящей трубой с вентилем.

В процессе работы электронагревателя при открытом вентиле промежуточная камера заполняется промежуточным теплоносителем, например, водой с растворенными в ней химическими реагентами из компенсационного бачка через отдельный трубопровод. Заполнение проводят до тех пор, пока промежуточный теплоноситель не появится в отводящей трубе, после чего установленный на последней вентиль закрывают. В то же время полость между корпусом и обечайкой заполняют охлажденной потребителем водой. После

МКИ F 24H 1/20

заполнения центральной камеры промежуточным теплоносителем и полости между корпусом и обечайкой водой между клеммой и электродом подают электрическое напряжение. При прохождении тока через промежуточный теплоноситель последний нагревается. Тепло промежуточного теплоносителя через обечайку передается воде, которая поступает охлажденной через нижний патрубок от потребителя и направляется к последнему нагретой через верхний патрубок. Если количество образующегося в результате прохождения тока через промежуточный теплоноситель тепла превышает количество тепла, отбираемого потребителем, то температура промежуточного теплоносителя станет возрастать. При достижении промежуточным теплоносителем температуры парообразования в верхней части центральной камеры появляется пар, который вытесняет промежуточный теплоноситель по отдельному трубопроводу в компенсационный бачок. Уровень промежуточного теплоносителя в центральной камере понижается. В результате площадь соприкосновения промежуточного теплоносителя с электродом и обечайкой уменьшается и увеличивается электрическое сопротивление промежуточного теплоносителя, вследствие чего уменьшается электрический ток и потребляемая электронагревателем мощность. Уровень промежуточного теплоносителя и потребляемая электронагревателем мощность будут снижаться до тех пор, пока количество образующегося в результате прохождения тока через промежуточный теплоноситель тепла сравняется с количеством тепла, отбираемого потребителем.

При увеличении отбора тепла потребителем часть пара в центральной камере конденсируется и объем парового пространства в ней уменьшается. Промежуточный теплоноситель из бачка поступает через трубопровод в центральную камеру, уровень его в последней увеличивается, а в результате этого увеличивается и площадь соприкосновения промежуточного теплоносителя с электродом и обечайкой, что приводит к увеличению потребляемой электронагревателем мощности. Уровень теплоносителя и потребляемая электронагревателем мощность будут повышаться до тех пор, пока количество образующегося в результате прохождения тока через промежуточный теплоноситель тепла сравняется с количеством тепла, отбираемого потребителем. Таким образом происходит автоматическое регулирование потребления электроэнергии электронагревателем в соответствии с изменением отбора тепла потребителем.

Описанное нагревательное устройство может быть принято за прототип заявляемого технического решения.

Прототип имеет ряд существенных недостатков, ограничивающих возможности его применения, например, для подогрева жидкого топлива.

- 3От вязкости и поверхностного натяжения топлива зависят условия его транспортирования (перекачивания), а также условия и качество распиливания (см. книгу Ю.М. Пчелкина «Камеры сгорания газотурбинных двигателей, М., «Машиностроение, 1984 г., стр. 14-15., а также книгу А.И. Борисенко «Газовая динамика двигателей, М., «Оборонгиз, 1962 г., с. 673).

Подогрев, в частности, приводит к повышению тонкости его распыливания форсунками, скорости образования и сгорания топливной смеси в объеме топочной камеры. В результате происходит полное и экологически чистое сгорание топлива при оптимальном соотношении компонентов и максимальном тепловыделении. Так, анализ работы отечественных котельных установок, работающих на мазуте, показывает, что эффективное сжигание мазута без его предварительного подогрева вообще невозможно. Для таких компонентов, как дизельное топливо и керосин нагрев от 10 до 100° С позволяет уменьшить средний диаметр капель в два раза и, соответственно, увеличить скорость их испарения (площадь поверхности) в четыре раза. С другой стороны, неприемлем перегрев жидкого горючего сверх допустимой температуры из-за опасности его коксования (термического разложения и полимеризации), закипания и воспламенения.

Из вышесказанного следует, что для организации устойчивого и эффективного процесса горения необходимо обеспечить постоянную заданную температуру жидкого горючего на входе в форсуночную головку горелки. Например, для условий котельной установки с тепловой мощностью МО6 Вт, расход дизельного топлива кг/с; температура нагрева 90-20 70°С; теплоемкость дизельного топлива приблизительно 2000 Дж/(кг-°С) потребная тепловая мощность подогревателя горючего составит 3-10 2 70 2000-4200 Вт 4,2 кВт. С учетом теплового к.п.д. нагревательного устройства при расчетах необходимо закладывать потребную мощность не менее 5 кВт.

При использовании электронагревателя от сети 250 В это потребуют специальной электропроводки на ток 20 А. Кроме того, электронагреватель на линию дизельного топлива должен быть оснащен надежной системой автоматики, сертифицированным и взрывопожарозащищенным.

В то же время, тепловая мощность подогревателя горючего составляет всего 0,5% от тепловой мощности котла, и наиболее рациональным является использование для подогрева горючего тепла вырабатываемого котлом. Таким образом, основным недостатком прототипа является использование в качестве первичного источника энергии электроэнергии, что делает конструкцию устройства сложной (наличие изоляторов, электродов, заземление корпуса и пр.). 1А автоматического подогрева жидкого топлива ( в частности , на входе в жидкотопливные горелки передвижных парогенераторных установок), конструкция которого была бы значительно проще известных нагревательных устройств такого назначения (то есть не имела бы движущихся механических и электромеханических элементов) и обеспечивала бы непосредственное преобразовании управляющей температуры в мощность источника тепла при надежном и плавном терморегулировании потока жидкого топлива. Для решения поставленной задачи устройство для автоматического подогрева жидкого топлива содержит корпус с испарительной камерой, заполненной жидким теплоносителем, с введенными в этот корпус патрубками подачи и отбора жидкого топлива, первичный источник тепловой энергии, находящийся в указанной испарительной камере и компенсационный бачок, сообщенный с одного конца с атмосферой, а с другого - с нижней частью указанного корпуса. Патрубки подачи и отбора жидкого топлива введены непосредственно в испарительную камеру и сообщены друг с другом через размещенный в испарительной камере трубчатый теплообменник, выполненный, например, в виде змеевика. Первичный источник тепловой энергии выполнен в виде участка трубчатой магистрали горячего компонента, имеющего вертикальную поверхность, контактирующую с полостью испарительной камеры. Возможность осуществления настоящего предлагаемого изобретения доказывается многолетним использованием в зарубежной и отечественной практике подогрева жидкого топлива в различных тепловых установках, когда требуется снижение его вязкости и поверхностного натяжения для повышения тонкости его распыливания форсунками, скорости и образования и сгорания топливной смеси в объеме топочной камеры (см. указанную выше книгу A.M. Пчелкина «Камеры сгорания газотурбинных двигателей .) Технические признаки, являющиеся отличительными для заявляемого устройства могут быть реализованы с помощью известных средств. Отличительные признаки, отраженные в формуле изобретения, необходимы и достаточны для его осуществления, так как обеспечивают решение поставленной технической задачи - создание достаточно простого устройства для подогрева жидкого топлива, конструкция которого давала бы возможность непосредственного преобразования управляющей температуры в мощность СТОЧН1Л 4. епла при надежном и плавном терморегулировании потока жидкого топлива. В дальнейшем настоящее предполагаемое изобретение поясняется примером его выполнения, изображенным на прилагаемом чертеже, на котором дано схематическое изображение заявляемого устройства для автоматического подогрева жидкого топлива (продольный разрез).

поверхность корпуса 1 покрыта слоем теплоизоляции 3. В корпус 1 введены патрубки подачи и отбора жидкого топлива, соответственно 4 и 5. Через испарительную камеру 2 проходит первичный источник тепловой энергии 6, выполненный в виде участка трубчатой магистрали горячего компонента (продукты сгорания, вода или пар). При этом в качестве источника тепла могут использоваться (в случае применения устройства на передвижных парогенераторных установках) непосредственно топочная камера и дымовые тракты котла, паровые и водяные контуры котла или водяные отопительные контуры внешних потребителей тепла. Трубчатая магистраль 6 имеет вертикальную поверхность 7, контактирующую с полостью испарительной камеры 2. Патрубки подачи 4 и отбора 5 жидкого топлива введены непосредственно в испарительную камеру 2 и сообщены в ней друг с другом через размещенный в камере 2 трубчатый теплообменник 8, который в предпочтительном варианте выполнения изобретения имеет форму змеевика. Устройство снабжено также компенсационным бачком 9, сообщенным с верхнего конца с атмосферой, а с нижнего - через трубопровод 10 - с нижней частью испарительной камеры 2, для чего трубопровод 10 введен в нее через теплоизолирующий слой 3 и днище корпуса 1. Дренажный патрубок 11 выполнен на верхней части корпуса 1 и снабжен заглушкой 12.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Вначале из испарительной камеры полностью удаляют газ через патрубок 11, для чего заглушку 12 снимают. Затем испарительную камеру заполняют жидким теплоносителем (например, водой) и заглушку 12 вновь устанавливают на патрубок 11. Таким образом, испарительная камера 2 и магистраль 10 первоначально целиком заполнены жидким теплоносителем, а бачок 9 частично заполнен жидким теплоносителем.

В патрубок 4 поступает жидкое топливо, которое, проходя внутри трубчатого теплообменника 8 (змеевика), попадает в патрубок отбора жидкого топлива 5.

Через трубчатую магистраль 6, являющуюся для заявляемого устройства первичным источником тепловой энергии, осуществляют (в направлении стрелки) транспорт горячего компонента (пара, выхлопных газов двигателя и т.п.). Под термином «горячий компонент понимается компонент, температура которого выше температуры кипения теплоносителя, находящегося в испарительной камере 2 при атмосферном давлении. При этом температура кипения указанного теплоносителя при атмосферном давлении соответствует требуемой температуре нагрева жидкого топлива, циркулирующего через теплообменник.

Через стенку трубчатой магистрали 6 происходит теплообмен между горячим компонентом, транспортируемым по этой магистрали, и теплоносителем, находящимся в испарительной камере 2. Это приводит к закипанию теплоносителя, образованию и расширению в верхней части камеры 2 подушки из пара теплоносителя. Указанный процесс сопровождается вытеснением части жидкой фазы теплоносителя из камеры 2 через

трубопровод 10, в компенсационный бачок 9, а также перемещением зеркала жидкой фазы теплоносителя вдоль поверхности 7, в вертикальном направлении. В результате площадь контакта поверхности 7 и жидкой фазы теплоносителя уменьшается. Теплообмен на части поверхности 7, контактирующей с паровой фазой теплоносителя пренебрежимо мал по сравнению с теплообменом на части поверхности 7, контактирующей с жидкой фазой теплоносителя. Следовательно, расширение и сжатие паровой подушки теплоносителя приводят соответственно к уменьшению и к увеличению теплового потока, поступающего с поверхности 7 в камеру 2 при сохранении температуры теплоносителя в камере 2 равной температуре кипения этого теплоносителя при атмосферном давлении.

Одновременно на поверхности теплообменника 8 происходит теплообмен между теплоносителем и топливом, транспортируемым по этому теплообменнику. Это сопровождается нагревом топлива до температуры теплоносителя и уносом тепла из камеры, а также конденсацией паровой подушки теплоносителя. Указанный процесс приводит к сжатию паровой подушки теплоносителя, поступлению части жидкой фазы теплоносителя из компенсационного бачка 9 через трубопровод 10 в камеру 2 и увеличению площади контакта поверхности 7 с жидкой фазой теплоносителя.

В результате действия двух противоположных процессов расширения и сжатия паровой подушки теплоносителя - масса жидкой фазы теплоносителя в камере 2 устанавливается таким образом, чтобы количество тепла, поступающего в камеру 2, было равно количеству тепла, необходимому для нагрева топлива, проходящего через теплообменник 8, до температуры кипения теплоносителя при атмосферном давлении. Это справедливо при переменных параметрах (температуре, давлении и массовом расходе) потоков горячего компонента в магистрали 6 и нагреваемого жидкого топлива в теплообменнике 8. Таким образом обеспечивается автоматическое поддерживание заданной температуры нагреваемого жидкого топлива.

-6

Авторы:

- f juussf

Claims (1)

1. Устройство для автоматического подогрева жидкого топлива, содержащее корпус с испарительной камерой, заполненной жидким теплоносителем, с введенными в него патрубками подачи и отбора жидкого топлива, первичный источник тепловой энергии, находящийся в указанной испарительной камере, и компенсационный бачок, сообщающийся с одного конца с атмосферой, а с другого - с нижней частью корпуса, отличающееся тем, что патрубки подачи и отбора жидкого топлива введены непосредственно в испарительную камеру и сообщены друг с другом через размещенный в испарительной камере трубчатый теплообменник, выполненный, например, в виде змеевика, а первичный источник тепловой энергии выполнен в виде участка трубчатой магистрали горячего компонента, имеющей вертикальную поверхность, контактирующую с полостью испарительной камеры.