RU2044959C1

RU2044959C1 - Acoustic burner

Info

Publication number: RU2044959C1
Authority: RU
Inventors: Владислав Андреевич Адамов
Original assignee: Владислав Андреевич Адамов
Priority date: 1992-02-03
Filing date: 1992-02-03
Publication date: 1995-09-27

Abstract

FIELD: fuel burning devices. SUBSTANCE: mounted in housing 1 of burner is atomizer and ferrule 2 embracing it; ferrule 2 forms outer circular passage 4 for feeding the air for sprayer. Atomizer is made in form of tubes which form fuel passage 7. Mounted in passage 5 is swirler 8; outer swirler 9 is mounted in passage 4. Atomizer is provided with acoustic oscillator 14. Nozzle holes 11 of tube 3 are radial and coaxial with holes 12 of tube 6. Additional resonating chamber is made in ferrule 2 opposite holes 12. EFFECT: enhanced efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для распыливания жидкого топлива и смешения его с окислителем, в основном к горелкам с применением для распыливания как энергии сжатого газа, так и энергии акустических колебаний. Преимущественное применение предлагаемое изобретение может найти в энергетической, химической, металлургической и других отраслях промышленности, в частности, в топках котлов, печей и других топливоиспользующих установках. The invention relates to a device for spraying liquid fuel and mixing it with an oxidizing agent, mainly to burners using for spraying both the energy of compressed gas and the energy of acoustic vibrations. The present invention can find predominant application in the energy, chemical, metallurgical and other industries, in particular, in the furnaces of boilers, furnaces and other fuel-using plants.

Существует много типов (конструкций) акустических форсунок, использующих воздействие энергии ультразвуковых колебаний распыливающего газа на топливо или смесь его с распылителем для достижения мелкодисперсного состояния с целью интенсификации процесса дробления, смесеобразования и последующего за ним горения гомогенной смеси. There are many types (designs) of acoustic nozzles that use the influence of the energy of ultrasonic vibrations of the spraying gas on the fuel or its mixture with the sprayer to achieve a finely dispersed state in order to intensify the process of crushing, mixture formation and subsequent combustion of a homogeneous mixture.

Известна конструкция акустической форсунки, содержащей корпус с соосно установленной в нем втулкой, имеющей осевой канал для подвода распыливающего агента и образующей с корпусом кольцевой канал для подвода топлива. На выходе из осевого канала установлен грибковый генератор акустических колебаний, возбуждаемых в резонирующей полости, которая выполнена в торцовом участке втулки [1]
К недостаткам форсунки следует отнести низкое качество дробления и сложность конструкции.A known design of an acoustic nozzle comprising a housing with a sleeve coaxially mounted therein, having an axial channel for supplying a spraying agent and forming an annular channel with a housing for supplying fuel. At the exit from the axial channel there is a fungal generator of acoustic vibrations excited in the resonating cavity, which is made in the end section of the sleeve [1]
The disadvantages of the nozzle include the low quality of crushing and the complexity of the design.

Делаются попытки часть функций распыливающей головки перенести на элементы самой горелки, чтобы упростить форсунку и интенсифицировать процессы дробления, смесеобразования и горения. Attempts are made to transfer part of the functions of the spray head to the elements of the burner itself in order to simplify the nozzle and intensify the processes of crushing, mixture formation and combustion.

Ближайшим техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является акустическая горелка для совместного сжигания пылевидного и жидкого топлива путем распыливания жидкого топлива и смешения его с кольцевым закрученным потоком пылевидного топлива, содержащая корпус, форсунку, расположенную по оси с раздачей жидкого топлива радиальными струями, охватывающую ее обечайку, образующую с форсункой и корпусом внутренний и наружный кольцевые каналы, в последнем из которых установлен завихритель лопаточного типа. Форсунка снабжена генератором акустических колебаний с резонирующей полостью на торце обечайки, а корпус горелки дополнительным ультразвуковым генератором [2]
К недостаткам прототипа следует отнести низкую эффективность дробления, следующее из этого плохое качество смешения топлива с воздухом и низкую интенсификацию процесса горения.The closest technical solution, selected as a prototype, is an acoustic burner for co-combustion of pulverized and liquid fuels by spraying liquid fuels and mixing them with an annular swirling flow of pulverized fuels, containing a housing, a nozzle located along the axis with the distribution of liquid fuel radial jets, covering it the shell forming the inner and outer annular channels with the nozzle and the body, in the last of which a blade-type swirl is installed. The nozzle is equipped with an acoustic oscillator with a resonating cavity at the end of the shell, and the burner body with an additional ultrasonic generator [2]
The disadvantages of the prototype include low crushing efficiency, the resulting poor quality mixing of fuel with air and low intensification of the combustion process.

Это объясняется тем, что акустическим колебаниям воздуха высокой частоты подвергаются целостные струи топлива, качественному распылу мешают значительные вязкостные силы жидкости и силы поверхностного натяжения. Недостаточная энергия истекающих струй топлива также является препятствием к достижению качественного распыла. This is explained by the fact that integral jets of fuel are subjected to acoustic vibrations of high-frequency air, and significant viscosity viscosity of the liquid and surface tension forces interfere with high-quality spraying. Insufficient energy of the expiring jets of fuel is also an obstacle to achieving high-quality spray.

Задача, на решение которой направлено изобретения, заключается в устранении недостатков, присущих прототипу, а именно: повысить эффективность дробления, полнее использовать энергию топлива и распыливающего агента с целью значительного интенсифицирования процесса смешения с окислителем и горения. The problem to which the invention is directed, is to eliminate the disadvantages inherent in the prototype, namely: to increase the efficiency of crushing, make better use of the energy of the fuel and the spraying agent in order to significantly intensify the process of mixing with the oxidizing agent and combustion.

Поставленная задача в акустической горелке, содержащей корпус с размещенной по оси форсункой, состоящей из двух коаксиальных труб с радиальными соосными соплами, внутренняя из которых выполнена заглушенной, генератор акустических колебаний и обечайку, охватывающую форсунку и образующую с ней и корпусом внутренний и наружный кольцевые каналы, в последнем из которых установлен завихритель лопаточного типа, а также дополнительную резонирующую полость, решается за счет того, что во внутреннем кольцевом канале устанавливается дополнительный завихритель лопаточного типа, наружная труба форсунки выполняется заглушенной и подключается к источнику топлива, ее сопловые отверстия выполняются радиальными и соосными соплам центральной трубы, которая подключается к распыливающему газу, а дополнительная резонирующая полость выполняется на внутренней стороне обечайки напротив сопловых отверстий между выходным торцом и завихрителем. The task in an acoustic burner containing a housing with an nozzle arranged along the axis, consisting of two coaxial pipes with radial coaxial nozzles, the inner of which is muffled, an acoustic oscillation generator and a shell surrounding the nozzle and forming inner and outer annular channels with it and the housing, in the last of which a blade-type swirler is installed, as well as an additional resonating cavity, it is solved due to the fact that in the inner annular channel an additional blade type swirl, the nozzle outer pipe is plugged and connected to the fuel source, its nozzle holes are made by radial and coaxial nozzles of the central pipe, which is connected to the atomizing gas, and an additional resonating cavity is made on the inner side of the shell opposite the nozzle openings between the outlet end and the swirl .

Наличие завихрителя во внутреннем кольцевом канале обеспечивает создание сильно турбулизованного воздушного потока, направленного вдоль оси горелки, а радиальное расположение соединительных каналов под резонирующей полостью обеспечивает ориентацию газотопливной смеси перпендикулярно воздушному потоку, что способствует эффективному дроблению топлива и смешению его с распыливающим агентом. Лопатки завихрителя выполняют роль резонирующей поверхности генератора акустических колебаний. The presence of a swirler in the inner annular channel ensures the creation of a highly turbulized air flow directed along the axis of the burner, and the radial arrangement of the connecting channels under the resonant cavity ensures the orientation of the gas-fuel mixture perpendicular to the air flow, which contributes to efficient crushing of the fuel and its mixing with the spraying agent. The swirl blades act as a resonating surface of the acoustic oscillator.

Предлагаемая конструкция горелки решает задачу как дробления частиц жидкого топлива на мелкодисперсные частицы, так и задачу смешения топлива с окислителем. Дробление топлива осуществляется как конструктивными элементами, расположенными внутри корпуса форсунки, так и элементами, находящимися снаружи, в том числе и на корпусе горелки, что в значительной мере упрощает конструкцию форсунки. Таким образом используется как кинетическая энергия распыливающего агента, так и энергия акустических колебаний газотопливных струй и окислителя, поступающего на горение. The proposed design of the burner solves the problem of both crushing particles of liquid fuel into fine particles, and the problem of mixing fuel with an oxidizing agent. The crushing of fuel is carried out both by structural elements located inside the nozzle body and by elements located outside, including on the burner body, which greatly simplifies the nozzle design. Thus, both the kinetic energy of the spraying agent and the energy of the acoustic vibrations of the gas-fuel jets and the oxidizing agent supplied to the combustion are used.

Использование завихрителей для создания турбулизованного воздушного потока широко известно из патентной и научно-технической литературы, однако в предлагаемом изобретении, где соединительные каналы расположены радиально под второй резонирующей полостью, эти признаки сообщают завихрителю новое качество, выражающееся в том, что он становится мощным источником акустических колебаний. The use of swirlers to create a turbulent air flow is widely known from the patent and scientific literature, however, in the proposed invention, where the connecting channels are located radially under the second resonant cavity, these signs give the swirler a new quality, expressed in that it becomes a powerful source of acoustic vibrations .

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена предлагаемая горелка, продольный разрез. The invention is illustrated by the drawing, which shows the proposed burner, a longitudinal section.

В корпусе 1 горелки вдоль ее центральной оси во внутренней обечайке 2 установлен топливоподводящий корпус 3 форсунки, представляющий полый цилиндр, заглушенный с одного из торцов. In the burner housing 1 along its central axis in the inner shell 2, a fuel supply nozzle housing 3 is installed, which represents a hollow cylinder plugged from one of the ends.

Таким образом, обечайка 2 образует с корпусом 1 горелки наружный кольцевой канал 4 для подачи воздушного потока, а с топливоподводящим корпусом 3 форсунки внутренний кольцевой канал 5 для подвода распыливающего воздуха. Thus, the shell 2 forms with the housing 1 of the burner an outer annular channel 4 for supplying air flow, and with the fuel supply housing 3 of the nozzle, an inner annular channel 5 for supplying atomizing air.

В полости корпуса 3 форсунки, концентрично ему жестко закреплена коаксиальная ему центральная заглушенная труба 6 для подвода распыливающего газа, образующая с корпусом форсунки 3 кольцевой канал 7 для подвода топлива. In the cavity of the nozzle body 3, a centrally plugged central plugged pipe 6 for supplying atomizing gas is rigidly fixed concentrically to it, forming an annular channel 7 for supplying fuel with the nozzle body 3.

Во внутренней кольцевом канале 5 горелки установлен внутренний завихритель 8 воздушного потока, а между корпусом 1 горелки и обечайкой 2 наружный завихритель 9 с аксиальными лопатками, при этом первичный поток, проходящий через внутренний завихритель 8, имеет большую скорость и служит для дробления топлива, а вторичный поток, проходящий через наружный завихритель 9, имеет меньшую скорость и служит в качестве добавочного для обеспечения полного сгорания топлива. An internal air swirl 8 is installed in the inner annular channel 5 of the burner, and an external swirl 9 with axial blades is installed between the burner body 1 and the casing 2, while the primary flow passing through the internal swirl 8 has a high speed and serves to crush the fuel, and the secondary the flow passing through the external swirl 9 has a lower speed and serves as an additional to ensure complete combustion of the fuel.

Сообщение резонирующей полости 10, образованной противолежащими поверхностями генератора акустических колебаний А и корпуса 3 форсунки В, являющихся одновременно поверхностями лопаток внутреннего завихрителя 8, с кольцевым каналом 7 подвода топлива и центральной трубой 6 для подвода распыливающего агента осуществляется посредством соединительных каналов: сопл 11 в корпусе форсунки и сквозных отверстий 12, выполненных в стенке трубы 6. The communication of the resonating cavity 10 formed by the opposite surfaces of the acoustic oscillation generator A and the nozzle body 3, which are simultaneously the surfaces of the blades of the internal swirl 8, with the annular channel 7 for supplying fuel and the central pipe 6 for supplying a spray agent is carried out by means of connecting channels: nozzles 11 in the nozzle body and through holes 12 made in the wall of the pipe 6.

Во избежание смятия (деформации) паровой струи в соплах 11 корпуса 3 форсунки и создания противодавления в полости поступления топлива между корпусом 3 форсунки и внутренней трубой с прекращением его подачи, а также перерасхода распыливающего агента диаметр паровых отверстий 12 и зазор между корпусом 3 и трубой (4) не должен превышать 0,6d, где d диаметр сопл 11. In order to avoid crushing (deformation) of the steam jet in the nozzles 11 of the nozzle body 3 and the creation of a back pressure in the fuel supply cavity between the nozzle body 3 and the inner pipe with the cessation of its supply, as well as the overspray of the spraying agent, the diameter of the steam holes 12 and the gap between the body 3 and the pipe ( 4) must not exceed 0.6d, where d the nozzle diameter is 11.

В центральной обечайке (трубе) 2 корпуса 1 горелки напротив сопл 11 радиально и соосно им рассверлены глухие отверстия 13, выполняющие функцию второй резонирующей полости. Их во избежание попаданий капель топлива на стенку трубы 2, а также с целью более равномерного распределения его в объеме воздуха необходимо выполнить в выступах, бобышках, направленных к оси горелки. In the central shell (pipe) 2 of the burner body 1, opposite the nozzles 11, blind holes 13 are drilled radially and coaxially with them, which serve as the second resonant cavity. To avoid droplets of fuel falling on the wall of the pipe 2, as well as to more evenly distribute it in the air volume, they must be performed in protrusions, bosses directed to the axis of the burner.

Горелка работает следующим образом. The burner operates as follows.

В кольцевой канал 7 между центральной трубой 6 и корпусом 3 форсунки подают под давлением жидкое топливо от насосов или самотеком из расходных баков, устанавливаемых выше уровня горелок (на чертеже не показаны). Одновременно осуществляют подачу распыливающего агента (пара или сжатого воздуха) в центральную трубу 6 с давлением, несколько превышающим давление топлива. Распыливающий агент, истекающий из отверстия 12 трубы 6 в кольцевой канал 7, пробивая пленку топлива, инжектирует его. При этом образуется газотопливная эмульсия, которая, истекая из сопл 11, с большой скоростью ударяется о внутреннюю обечайку 2 корпусам 1 горелки, являющуюся первичным генератором акустических колебаний в полости 10. Удар струй газотопливной эмульсии по плоскости трубы 2 с глухими отверстиями 13, являющимися резонирующей плоскостью, вызовет противоударные волны, направленные против их движения, которые раздробят струи на мелкие капли, при этом резонирующая полость 10 наполнится частицами раздробленного топлива. In the annular channel 7 between the central pipe 6 and the nozzle body 3, liquid fuel is supplied under pressure from the pumps or by gravity from the supply tanks installed above the burner level (not shown in the drawing). At the same time, a spraying agent (steam or compressed air) is supplied to the central pipe 6 with a pressure slightly higher than the fuel pressure. The spraying agent flowing from the hole 12 of the pipe 6 into the annular channel 7, punching the fuel film, injects it. In this case, a gas-fuel emulsion is formed, which, flowing out of the nozzles 11, strikes at a high speed against the inner shell 2 of the burner bodies 1, which is the primary generator of acoustic vibrations in the cavity 10. The impact of the jets of gas-fuel emulsion along the plane of the pipe 2 with blind holes 13, which are the resonating plane , will cause shock waves directed against their movement, which will crush the jets into small droplets, while the resonating cavity 10 will be filled with particles of fragmented fuel.

Первичный воздух, поступающий в объеме 15-20% от общего количества, между внутренней обечайкой 2 корпуса 1 горелки и корпусом 3 форсунки, закрученный лопатками завихрителя 8, в смеси с дробленым топливом, ударяясь о грибовидный генератор акустических колебаний 14 и его внутреннюю резонирующую полость 15, вызовет противоударную волну противоположного направления, а та, в свою очередь, при ударе о наружные поверхности лопаток завихрителя 8 вызовет акустические высокочастотные колебания воздуха вдоль его потока, завершая процесс распыливания и приготовления гомогенной смеси, готовой к воспламенению. The primary air entering the volume of 15-20% of the total amount between the inner shell 2 of the burner body 1 and the nozzle body 3, twisted by the blades of the swirler 8, mixed with crushed fuel, striking the mushroom-shaped generator of acoustic vibrations 14 and its internal resonating cavity 15 , will cause a shock wave of the opposite direction, and that, in turn, when it hits the outer surfaces of the blades of the swirler 8 will cause acoustic high-frequency vibrations of air along its flow, completing the atomization process and Flow Chart homogeneous mixture, ready to fire.

Готовая гомогенная топливовоздушная смесь покидает зону (полость) 10 через свободное пространстве между трубой 2 и генератором 14 и в смеси с добавочным количеством воздуха, поступающим между корпусом 1 горелки и внутренней трубой 2 после завихрителя 9, создает условия для полного сгорания топлива. The finished homogeneous air-fuel mixture leaves the zone (cavity) 10 through the free space between the pipe 2 and the generator 14 and mixed with the additional air flowing between the burner body 1 and the internal pipe 2 after the swirler 9, creates the conditions for complete combustion of the fuel.

Таким образом, технический эффект от использования изобретения заключается в интенсификации процесса сжигания топлива за счет повышения эффективности процесса его дробления и смешения с газотопливной эмульсией. Thus, the technical effect of the use of the invention is to intensify the process of burning fuel by increasing the efficiency of the process of crushing and mixing with gas-fuel emulsion.

Claims

ACOUSTIC BURNER, comprising a housing placed along the axis of the housing of the nozzle and covering its shell, forming an inner and outer annular channels with the nozzle and the housing, the latter of which has a blade-type swirl, the nozzle is made in the form of coaxial tubes equipped with nozzle openings, the inner of which is made muffled, and equipped with an acoustic oscillator with a resonating cavity, as well as an additional resonating cavity, characterized in that it is equipped with additional shovels full-time swirl installed in the inner annular channel, the outer pipe of the nozzle is muffled, connected to the fuel source, its nozzle holes are made radial and coaxial with the nozzle holes of the central pipe connected to the source of the atomizer, and an additional resonating cavity is made on the shell opposite the nozzle holes in the area between the output end and the swirl.