RU161402U1

RU161402U1 - LIQUID FUEL BURNER WITH SPIRAL EVAPORATOR

Info

Publication number: RU161402U1
Application number: RU2015108280/05U
Authority: RU
Inventors: Владимир Алексеевич Самсонов; Александр Николаевич Самсонов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Стрим-контроль"
Priority date: 2015-03-10
Filing date: 2015-03-10
Publication date: 2016-04-20

Abstract

1. Устройство для сжигания жидкого топлива, содержащее вертикальную цилиндрическую камеру сгорания, по центру которой расположен вертикальный полый цилиндр с основанием, находящимся в топливной чаше, отличающееся тем, что на нем выполнен спиральный канал в виде намотанной трубки, по которой стекает нагреваясь топливо, испаряясь и смешиваясь с воздухом, подаваемым в нижней части цилиндра из отверстий с расположенными на пути движения потока дефлекторами-турбулизаторами.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в трубке просверлены отверстия для подачи газообразного топлива и удаления шлаковых отложений воздушной струей.3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что продукты сгорания удаляются из камеры вертикально вниз через внутреннюю полость цилиндра.1. A device for burning liquid fuel, containing a vertical cylindrical combustion chamber, in the center of which is a vertical hollow cylinder with a base located in the fuel bowl, characterized in that it has a spiral channel in the form of a wound tube through which the heating fuel flows, evaporating and mixing with the air supplied at the bottom of the cylinder from the openings with deflectors-turbulators located on the path of the flow. 2. The device according to claim 1, characterized in that holes are drilled in the tube for supplying gaseous fuel and removing slag deposits by an air stream. The device according to claim 1, characterized in that the combustion products are removed from the chamber vertically downward through the internal cavity of the cylinder.

Description

Жидкотопливная горелка со спиральным испарителем относится к области энергетики и может быть использована для сжигания мазута, отработанного масла и прочих сложных углеводородов с получением тепловой энергии для нагрева теплоносителя, обогрева помещения. Устройство относится к энергетическим установкам малой мощности, работающей как на естественной тяге (в режиме малой мощности), так и с принудительной подачей воздуха и вытяжкой продуктов сгорания (в режиме большей мощности при эксплуатации на промышленных объектах).A liquid-fuel burner with a spiral evaporator belongs to the field of energy and can be used to burn fuel oil, used oil and other complex hydrocarbons to produce thermal energy for heating the coolant and heating the room. The device relates to power plants of low power, operating both on natural draft (in low power mode) and with forced air supply and exhaust of combustion products (in high power mode when operating at industrial facilities).

Известно горелочное устройство для жидкого топлива (RU 9933. кл. F23D 7/00). Устройство содержит цилиндрическую камеру сгорания с чашкой, воздуховод, трубку для подачи топлива. Однако нижнее расположение системы топливоподачи не позволяет использовать устройство для сжигания тяжелых углеводородов.Known burner device for liquid fuel (RU 9933. CL F23D 7/00). The device comprises a cylindrical combustion chamber with a cup, an air duct, a tube for supplying fuel. However, the lower location of the fuel supply system does not allow the use of a device for burning heavy hydrocarbons.

Известно УСТРОЙСТВО ДЛЯ СМЕШЕНИЯ ЖИДКОСТИ С ГАЗОМ Институт технической теплофизики НАН Украины (UA) RU №2198726 МПК B01F 3/04, B01F 11/02 для приготовления топливных смесей для двигателей внутреннего сгорания, содержащее направляющий аппарат, выполненный в виде решетки с лопатками аэродинамической формы, сопло параболической формы с винтовыми впадинами по ходу вращения вихря. На срезе сопла расположены стержни. Жидкость смешивается с газом и выходит из сопла в емкость с жидкостью. Результат этого состоит в получении однородной газожидкостной смеси мелкодисперсной структуры при уменьшении гидравлических потерь.Known DEVICE FOR MIXING A LIQUID WITH GAS Institute of Technical Thermophysics of NAS of Ukraine (UA) RU No. 2198726 IPC B01F 3/04, B01F 11/02 for the preparation of fuel mixtures for internal combustion engines, containing a guide apparatus made in the form of a lattice with aerodynamic-shaped blades, parabolic nozzle with helical depressions along the rotation of the vortex. At the nozzle exit, rods are located. The liquid is mixed with the gas and exits the nozzle into a container with liquid. The result of this is to obtain a homogeneous gas-liquid mixture of finely dispersed structure while reducing hydraulic losses.

Описанное в патенте №2198726 устройство требует приложения механической энергии для получения газофазной топливной смеси. В отличие от него предлагаемый образец использует тепловую энергию сгорающего топлива для испарения и смешения вследствие этого компонент жидкого топлива и воздуха, что снижает зависимость устройства от механической или электрической энергии и делает устройство более автономным.The device described in patent No. 2198726 requires the application of mechanical energy to obtain a gas-phase fuel mixture. In contrast, the proposed sample uses the thermal energy of the burning fuel to evaporate and mix the component of liquid fuel and air as a result, which reduces the dependence of the device on mechanical or electrical energy and makes the device more autonomous.

Существенными недостатками большинства известных устройств является то, что при подаче в качестве топлива сложных углеводородов требуется много времени на нагрев топлива и разбиение на более простые молекулы. При этом струя топлива проходит значительное расстояние в пространстве и выходит за зону высокой температуры, вследствие этого воспламенение и сжигание топлива становится невозможным.Significant disadvantages of most known devices is that when complex hydrocarbons are supplied as fuel, it takes a lot of time to heat the fuel and break it up into simpler molecules. In this case, the fuel jet travels a considerable distance in space and goes beyond the high temperature zone, as a result of which ignition and combustion of the fuel becomes impossible.

Известно устройство для сжигания жидкого топлива, выбранное в качестве прототипа RU №139611 F23D 5/04, содержащее цилиндрическую камеру сгорания, снабженную отверстиями для выхода продуктов сгорания.A known device for burning liquid fuel, selected as a prototype RU No. 139611 F23D 5/04, containing a cylindrical combustion chamber equipped with openings for the exit of combustion products.

Общими существенными признаками упомянутого и предлагаемого устройств является испарительный способ сжигания топлива, цилиндрические камеры сгорания, подача воздуха в камеру сгорания через отверстия и щели. В прототипе следует отметить отсутствие механизмов смешения поступающего потока воздуха и паров топлива в основании факела, что не может обеспечить высокий КПД работы устройства.Common essential features of the aforementioned and proposed devices is an evaporative method of burning fuel, cylindrical combustion chambers, air supply to the combustion chamber through openings and slots. In the prototype, it should be noted the lack of mixing mechanisms of the incoming air flow and fuel vapor at the base of the torch, which cannot provide a high efficiency of the device.

Отличительной особенностью предлагаемого горелочного устройства является устойчивая работа на тяжелом углеводородном топливе, обеспечиваемая конструкцией вертикальной камеры сгорания со спиральным каналом подачи топлива - подогревателем, передающим энергию сгорающего топлива для подогрева и испарения топлива поступающего под действием силы тяжести из топливного бака (в одном из вариантов, расположенного выше цилиндрической камеры) по подогревателю в камеру сгорания, а также благодаря нагреву разогретыми продуктами сгорания, поднимающимися во встречном направлении.A distinctive feature of the proposed burner device is the stable operation on heavy hydrocarbon fuel, provided by the design of a vertical combustion chamber with a spiral fuel supply channel - a heater that transmits the energy of the burning fuel to heat and evaporate the fuel supplied by gravity from the fuel tank (in one of the options located above the cylindrical chamber) by the heater into the combustion chamber, and also due to heating by the heated combustion products, cerned in the opposite direction.

Поток воздуха со всех сторон поступает к корню факела, завихряясь и нагреваясь при этом о разогретый цилиндр, в процессе чего он смешивается с парами топлива и, благодаря турбулентным завихрениям, полученная смесь равномерно наполняет камеру сгорания, обеспечивая оптимальное смесеобразование паров топлива и поступающего воздуха и равномерное сгорание по всему объему камеры сгорания. При этом благодаря турбулизатору создающий спирально-направленный вихрь из натекающего воздуха, частицы топлива увлекаются и перемешиваются со встречным потоком воздуха.The air flow from all sides goes to the root of the torch, swirling and heating at the same time on a heated cylinder, during which it mixes with fuel vapor and, thanks to turbulent turbulence, the resulting mixture uniformly fills the combustion chamber, ensuring optimal mixture formation of fuel vapor and incoming air and uniform combustion throughout the combustion chamber. In this case, thanks to the turbulator, creating a spiral-directed vortex from the flowing air, the fuel particles are entrained and mixed with the oncoming air stream.

Устойчивую работу устройства обеспечивает нагрев стекающего по теплопроводному металлическому спиральному каналу топлива до оптимальной температуры испарения. Полное сгорание топлива обеспечивается жаровой камерой, разогретым цилиндром (аккумулятором тепла, или стабилизатором горения) и системой подачи воздуха, обеспечивающей появление турбулентных потоков необходимых для равномерного распределения топливной смеси по камере, конструкция которых имеет расчетные параметры и соотношения.The stable operation of the device is ensured by heating the fuel flowing through the heat-conducting metal spiral channel to the optimum evaporation temperature. Complete combustion of the fuel is ensured by a heat chamber, a heated cylinder (heat accumulator, or a combustion stabilizer) and an air supply system that ensures the appearance of turbulent flows necessary for uniform distribution of the fuel mixture throughout the chamber, the design of which has calculated parameters and ratios.

Эффективность созданной конструкции подтверждается техническими характеристиками устройства, функционирующего в действующей печи отопления цеха и на испытательном стенде разработчика.The effectiveness of the design created is confirmed by the technical characteristics of the device operating in the existing heating furnace of the workshop and on the test bench of the developer.

Техническим результатом предложенного горелочного устройства является обеспечение полноты сгорания тяжелых углеводородов, таких как мазут, как на основе естественной тяги, так и при искусственной подаче воздуха, использование получаемой тепловой энергии для систем отопления помещений.The technical result of the proposed burner device is to ensure complete combustion of heavy hydrocarbons, such as fuel oil, both on the basis of natural traction and with artificial air supply, the use of the resulting heat energy for space heating systems.

Отличия предлагаемого устройства. Устройство, рассматриваемое в качестве прототипа, имеет нижнее расположение емкости с топливом, в которой воздух подается выше уровня топлива и не происходит смешения компонентов горючего и окислителя во встречных потоках в отличие от предлагаемого варианта. Также описанная топливная чаша прототипа не позволяет топливу прогреваться, а прочих механизмов способствующих принудительному испарению тяжелых углеводородов не предусмотрено.Differences of the proposed device. The device, considered as a prototype, has a lower location of the fuel tank, in which air is supplied above the fuel level and there is no mixing of the components of the fuel and the oxidizing agent in oncoming flows, in contrast to the proposed option. The described fuel cup of the prototype also does not allow the fuel to warm up, and other mechanisms contributing to the forced evaporation of heavy hydrocarbons are not provided.

Технический результат достигается тем, что горелочное устройство теплогенератора содержит спиралевидный элемент увеличивающий путь проходимый топливом на пути от топливного коллектора или топливного сопла к факелу внутри камеры сжигания, что позволяет прогреть топливо до температуры близкой к температуре парообразования. Это позволяет снизить количество тепла, единовременно отбираемого от факела в момент воспламенения, и тем самым снизить минимальный возможный размер факела, требуемый для поддержания процессов нагрева, воспламенения и горения топливной смеси.The technical result is achieved by the fact that the burner device of the heat generator contains a spiral element that increases the path traveled by the fuel on the way from the fuel collector or fuel nozzle to the torch inside the combustion chamber, which allows warming the fuel to a temperature close to the vaporization temperature. This allows you to reduce the amount of heat taken from the flame at a time of ignition, and thereby reduce the minimum possible size of the flame required to maintain the heating, ignition and combustion of the fuel mixture.

Устройство содержит спиральный испаритель, выполненный быстросъемным блоком, состоящий из цилиндра и, как один из вариантов, спиральной трубки из жаропрочной стали, навитой на него, просверленной насквозь отверстиями, расположенными через равные промежутки. Ось отверстий отклонена от вертикали настолько, чтобы попадать струей в канавку нижнего витка. Трубка позволяет, при подключении к компрессору, резким импульсом из ресивера сдувать золу со спирали. Помимо прочего систему, снабженную спиральной трубкой можно использовать для разогрева теплогенератора. Для этого требуется подключить к трубке газовый баллон вместо компрессора.The device comprises a spiral evaporator made by a quick-detachable unit, consisting of a cylinder and, as an option, a spiral tube made of heat-resistant steel, wound on it, drilled through holes through it at regular intervals. The axis of the holes is deviated from the vertical so much as to get a jet into the groove of the lower turn. The tube allows, when connected to a compressor, to blow ash from a spiral with a sharp pulse from the receiver. Among other things, a system equipped with a spiral tube can be used to heat the heat generator. To do this, connect a gas cylinder to the tube instead of the compressor.

Наличие спиральной трубки с отверстиями для подачи газа по всей длине спирали позволяет осуществить предварительный прогрев испарительного цилиндра. Для этого по трубке подается газообразное топливо, а отверстия расположены таким образом, что выходя из отверстий, струя газа попадает в канавку, прогревая ее своим пламенем. Отверстия, расположенные с другой стороны трубки направлены вверх мимо другого витка трубки и образуют менее сконцентрированную струю газа, прогревающую цилиндр в целом и поднимающую температуру в камере сгорания. Благодаря такой конструкции возможно одновременное сжигание газа и обводненного низкосортного жидкого топлива, которое не способно поддерживать самоподдерживающееся стабильное горение. Помимо газообразного топлива по трубкам возможна подача воздуха под высоким давлением с целью удаления незакоксовавшихся частиц не догоревших сложных углеводородов (золы).The presence of a spiral tube with holes for supplying gas along the entire length of the spiral allows for the preliminary heating of the evaporation cylinder. To do this, gaseous fuel is supplied through the tube, and the holes are arranged in such a way that, leaving the holes, the gas stream enters the groove, warming it with its flame. The holes located on the other side of the tube are directed up past another coil of the tube and form a less concentrated stream of gas, heating the cylinder as a whole and raising the temperature in the combustion chamber. Thanks to this design, it is possible to simultaneously burn gas and waterlogged low-grade liquid fuels, which are not able to maintain self-sustaining stable combustion. In addition to gaseous fuels, high-pressure air can be supplied through the tubes to remove non-coking particles of unburned complex hydrocarbons (ash).

В качестве другого варианта исполнения возможно применение канавки-спиральной проточки, аналогично с трубкой увеличивающей путь проходимый топливом по мере движения от верхней части цилиндра-стабилизатора горения (теплоаккумулятора) до нижней части.As another embodiment, it is possible to use a groove-spiral groove, similarly with a tube that increases the path traveled by fuel as it moves from the upper part of the combustion stabilizer cylinder (heat accumulator) to the lower part.

Быстросъемный блок со спиральным испарителем расположен вертикально, что позволяет шлаку и золе осыпаться вниз, после чего может быть извлечено, благодаря наличию в корпусе нижнего люка.The quick-detachable unit with a spiral evaporator is located vertically, which allows the slag and ash to crumble down, after which it can be removed due to the presence of a lower hatch in the housing.

Для лучшего смешения топлива с воздухом предлагается установить в конце впускного воздушного тракта дефлекторы, расположенные радиально вокруг внутреннего цилиндра в нижней части камеры. Дефлекторы направляют поток приходящего (через канал воздухоподачи 11) воздуха против часовой стрелки навстречу направлению течения топлива, что улучшает перемешивание паров мазута в турбулизованном воздушном потоке.To better mix fuel with air, it is proposed to install deflectors at the end of the inlet air path radially around the inner cylinder at the bottom of the chamber. Deflectors direct the flow of incoming (through the air supply channel 11) air counterclockwise towards the direction of flow of fuel, which improves mixing of fuel oil vapor in a turbulent air stream.

Дефлекторы расположены равноудалено друг от друга (под углом к направлению набегающего воздушного потока) и выполняют функцию турбулизатора воздушного потока, улучшая образование топливно-воздушной смеси.The baffles are located equidistant from each other (at an angle to the direction of the incoming air flow) and act as a turbulizer of the air flow, improving the formation of the fuel-air mixture.

Преимущество конструкции устройства жидкотопливной горелки заключается в том, что при движении под действием силы тяжести навстречу разогретым продуктам сгорания топливо разогревается до высокой температуры, уменьшается его вязкость и начинается парообразование. Благодаря тому, что воздух подается во встречном направлении - испарившиеся частички топлива увлекаются завихренным воздушным потоком и воспламеняются, нагревая при этом цилиндр, по которому стекает топливо. Подобный способ сжигания топлива способен работать при меньших характерных расходах топлива в отличие от общепринятых методов сжигания топлива в факеле горелки, что упрощает его широкое применение.An advantage of the design of a liquid fuel burner device is that when moving under the influence of gravity towards the heated combustion products, the fuel is heated to a high temperature, its viscosity decreases and vaporization begins. Due to the fact that air is supplied in the opposite direction, the evaporated particles of fuel are carried away by the swirling air flow and ignite, heating the cylinder along which the fuel flows. A similar method of burning fuel is able to operate at lower characteristic fuel consumption, in contrast to conventional methods of burning fuel in a torch, which simplifies its widespread use.

Конструкция теплогенератора отличается тем, что она имеет две камеры сгорания. В одной из них инициируется процесс сжигания топлива, а во второй - происходит дожигание топливо-воздушной смеси. При этом обе камеры физически находятся близко друг к другу, и в них поддерживается высокая температура. При этом на выходе из второй камеры находится теплообменник, проходя через который продукты сгорания остывают, и удаляются в дымоход.The design of the heat generator is characterized in that it has two combustion chambers. In one of them, the process of burning fuel is initiated, and in the second, the afterburning of the fuel-air mixture occurs. At the same time, both chambers are physically close to each other, and a high temperature is maintained in them. At the same time, at the outlet of the second chamber there is a heat exchanger, passing through which the combustion products cool down and are removed into the chimney.

Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид горелочного устройства. Горелочное устройство испарительного типа (фиг. 1) работает на грубых сортах жидких топлив и содержит топливную емкость 1, вертикальный цилиндр 2, испаритель образованный цилиндром 2 и спиралью 3, а также стенками камеры сгорания 4 ограничивающими объем камеры сгорания, помимо этого, в нижней части камеры в области воздухоподачи предусмотрен турбулизатор поступающего воздуха 5 выполненный в виде дефлектора, направленного под определенным углом к потоку поступающего воздуха.The inventive utility model is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a general view of a burner device. The evaporator type burner device (Fig. 1) operates on coarse grades of liquid fuels and contains a fuel tank 1, a vertical cylinder 2, an evaporator formed by a cylinder 2 and a spiral 3, as well as the walls of the combustion chamber 4 restricting the volume of the combustion chamber, in addition, in the lower part chamber in the area of air supply provides a turbulator of incoming air 5 made in the form of a deflector directed at a certain angle to the flow of incoming air.

Устройство имеет топливный коллектор 6 заканчивающийся соплом 7, при этом в нижней части камеры для не сгоревших остатков топлива предусмотрена топливная чаша 8. Продукты сгорания удаляются через дымоход, который проходит через теплообменник 9 и дымовую трубу 10. Воздух поступает по каналу воздухоподачи 11.The device has a fuel manifold 6 ending with a nozzle 7, while in the lower part of the chamber for unburned fuel residues a fuel bowl is provided 8. The combustion products are removed through a chimney that passes through a heat exchanger 9 and a chimney 10. Air enters through the air supply channel 11.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Топливо подается в топливный коллектор откуда через сопло расположенное в камере сжигания попадает на цилиндр, где течет по внешней стенке цилиндра вдоль канавки образованной цилиндром и оплеткой. Благодаря высокой температуре цилиндра и других частей камеры сгорания топливо нагревается, увеличивает свою текучесть и испаряется. Для создания первоначально высокой температуры в камере для розжига горелки используется газовый факел или другой источник тепла и высокой температуры (пламя дров, угля, плазмотрона). В случае розжига газом для его подачи используется спиральная трубка выполняющая функцию оплетки и топливного канала. Из отверстий в трубке подается газообразное топливо, где оно смешивается со встречным потоком воздуха и воспламеняется от запального устройства. По достижении камерой сжигания температуры достаточно высокой для поддержания процесса испарения и воспламенения топлива из сложных углеводородов, розжиг горелки прекращается и протекает самоподдерживающийся процесс горения топлива. Воздух при этом подается снизу благодаря естественной тяге или подведенному компрессору. На пути подачи топлива от компрессора около нижней кромки цилиндра устанавливаются заслонки - турбулизаторы потока, завихряющие течение воздуха внутри камеры и способствующие лучшему перемешиванию компонентов топливной смеси и окислителя. Время от времени горелка нуждается в очистке от сажи, для этого вынимается цилиндр, объединенный в блок со спиральной оплеткой, и металлической щеткой производится очистка от сажи и других несгоревших отложений.Fuel is supplied to the fuel manifold from where, through a nozzle located in the combustion chamber, it enters the cylinder, where it flows along the outer wall of the cylinder along the groove formed by the cylinder and the braid. Due to the high temperature of the cylinder and other parts of the combustion chamber, the fuel heats up, increases its fluidity and evaporates. To create the initially high temperature in the chamber for igniting the burner, a gas torch or other source of heat and high temperature (flame of firewood, coal, plasma torch) is used. In the case of gas ignition, a spiral tube is used to supply it, which acts as a braid and a fuel channel. Gaseous fuel is supplied from the holes in the tube, where it mixes with the oncoming air stream and ignites from the ignition device. When the combustion chamber reaches a temperature high enough to maintain the process of evaporation and ignition of the fuel from complex hydrocarbons, the ignition of the burner stops and a self-sustaining fuel combustion process proceeds. In this case, air is supplied from below due to natural draft or a failed compressor. On the way to supply fuel from the compressor near the lower edge of the cylinder, dampers are installed - flow turbulators, swirling the air flow inside the chamber and contributing to better mixing of the components of the fuel mixture and oxidizer. From time to time, the burner needs to be cleaned of soot, for this a cylinder is taken out, combined into a spiral braid block, and soot and other unburnt deposits are cleaned with a wire brush.

Claims

1. A device for burning liquid fuel, containing a vertical cylindrical combustion chamber, in the center of which is a vertical hollow cylinder with a base located in the fuel cup, characterized in that it has a spiral channel in the form of a wound tube through which the heating fuel flows, evaporating and mixing with the air supplied in the lower part of the cylinder from the openings with deflectors-turbulators located on the path of the flow.

2. The device according to claim 1, characterized in that holes are drilled in the tube for supplying gaseous fuel and removing slag deposits by an air stream.

3. The device according to claim 1, characterized in that the combustion products are removed from the chamber vertically downward through the internal cavity of the cylinder.