RU2156401C2

RU2156401C2 - Pulsating combustion chamber for water heating

Info

Publication number: RU2156401C2
Application number: RU98111013A
Authority: RU
Inventors: Г.А. Глебов; В.В. Лоос; В.Г. Корчагин; Г.И. Павлов
Original assignee: Глебов Геннадий Александрович
Priority date: 1998-06-10
Filing date: 1998-06-10
Publication date: 2000-09-20

Abstract

FIELD: water heating appliances. SUBSTANCE: chamber is designed to organize pulsating combustion of gaseous and liquid fuels in liquid heaters of various capacities. Its aerodynamic valve is shaped as expanding channel with adjustable sectional area formed by combustion chamber bottom with hole and solid object. Proposed liquid heater operates steadily and reliably in comprehensive range of adjustable heat loads. EFFECT: improved efficiency and environmental friendliness. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для организации пульсирующего горения газообразных и жидких топлив в подогревателях жидкости различных мощностей. The invention relates to a power system and can be used to organize pulsed combustion of gaseous and liquid fuels in liquid heaters of various capacities.

Широко используется метод пульсирующего горения в устройствах, предназначенных для подогрева жидкости. Эти устройства построены на основе камеры пульсирующего горения (КПГ) и функционально состоят из камеры воспламенения, резонансной трубы, аэродинамического клапана, форсунки, пускового запальника. Сжигание газообразных и жидких топлив в КПГ позволяет строго соблюдать экологические условия, снизить расход энергии на тягодувные нужды, сэкономить конструкционные материалы. Пульсационное сжигание топлива, кроме того, в определенных условиях интенсифицирует конвективный обмен. Степень интенсификации теплообмена в большей степени зависит от величины амплитуды пульсаций. Однако, ввиду небольшой площади поверхности нагрева для передачи тепла внешнему теплоносителю применение КПГ в подогревателях воды больших объемов не всегда является целесообразным. The pulsed combustion method is widely used in devices designed to heat a liquid. These devices are built on the basis of a pulsating combustion chamber (CNG) and functionally consist of an ignition chamber, a resonance tube, an aerodynamic valve, a nozzle, and a starting igniter. The combustion of gaseous and liquid fuels in CNG allows you to strictly observe environmental conditions, reduce energy consumption for draft needs, save construction materials. Pulse combustion of fuel, in addition, in certain conditions intensifies convective exchange. The degree of intensification of heat transfer to a greater extent depends on the magnitude of the amplitude of the pulsations. However, due to the small surface area of the heating for transferring heat to an external heat carrier, the use of CNG in large volume water heaters is not always advisable.

В камерах пульсирующего горения чаще всего используют аэродинамические клапаны с неизменными аэродинамическими размерами. Недостатком таких клапанов является то, что эффективное их применения происходит в узком диапазоне тепловых нагрузок. In pulsating combustion chambers, aerodynamic valves with constant aerodynamic dimensions are most often used. The disadvantage of such valves is that their effective application occurs in a narrow range of thermal loads.

Снижение и повышение расхода топлива ухудшает работу клапана, связанную с большими потерями тепла при выбросе газов и недостаточно интенсивным всасыванием воздуха в КПГ. В результате этого ухудшается полнота сгорания, увеличивается химический недожог, снижается КПД камеры (см. а.с. СССР 922427, МПК F 23 С 11/04, 1982). Reducing and increasing fuel consumption worsens the valve operation associated with large heat losses during gas emissions and insufficiently intensive air intake in the CNG. As a result of this, the completeness of combustion worsens, the chemical underburning increases, and the efficiency of the chamber decreases (see AS of the USSR 922427, IPC F 23 С 11/04, 1982).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой камере является КПГ, содержащая установленную в ее полости форсунку с запальником, а также подключенные к выходному участку камеры резонатор и аэродинамический клапан в виде патрубка. Резонатор выполнен в виде пучка труб, прикрепленных к выходному участку тангенциально (см. а.с. СССР 909422, МПК F 23 С /04, 1982). The closest in technical essence to the proposed chamber is CNG, containing a nozzle with an igniter installed in its cavity, as well as a resonator and an aerodynamic valve in the form of a nozzle connected to the outlet section of the chamber. The resonator is made in the form of a bundle of pipes attached tangentially to the output section (see AS USSR 909422, IPC F 23 C / 04, 1982).

К недостаткам прототипа, в первую очередь, следует отнести высокое гидродинамическое сопротивление в пучке труб, обусловленное их загибом на прямой угол вблизи соединения с камерой. В этих условиях получение больших значений амплитуд давления становится весьма затруднительно, особенно при повышенных расходах топлива. Вследствие этого снижается интенсивность конвективного теплообмена, увеличивается химический недожог. Кроме того, боковое подключение пучка труб увеличивает габаритные размеры установки. The disadvantages of the prototype, first of all, include the high hydrodynamic resistance in the tube bundle, due to their bending at a right angle near the connection with the camera. Under these conditions, obtaining large values of pressure amplitudes becomes very difficult, especially with increased fuel consumption. As a result, the intensity of convective heat transfer decreases, and the chemical underburn increases. In addition, the lateral connection of the tube bundle increases the overall dimensions of the installation.

Прототип имеет аэродинамический клапан трубчатой формы. При форсированных режимах из аэродинамического клапана выбрасывается большое количество горячих недогоревших газов, которые в дальнейшем вновь попадают в КПГ. Вместе с тем, значительная часть газов остается в атмосфере, что значительно ухудшает экологические параметры установки, снижает КПД КПГ. Уменьшение расхода топлива с целью настройки камеры на режим малых нагрузок приводит к сбоям и срывам пульсирующего горения. Это обусловлено прежде всего зависимостью амплитуды пульсаций давления в камере от коэффициента избытка воздуха. Количество всасываемого воздуха в значительной степени зависит от формы и конструкции аэродинамического клапана. The prototype has a tubular aerodynamic valve. In forced modes, a large amount of hot unburned gases are ejected from the aerodynamic valve, which subsequently re-enter the CNG. At the same time, a significant part of the gases remains in the atmosphere, which significantly worsens the environmental parameters of the installation, reduces the efficiency of CNG. Reducing fuel consumption in order to configure the camera to a mode of low loads leads to malfunctions and disruptions of pulsating combustion. This is primarily due to the dependence of the amplitude of pressure pulsations in the chamber on the coefficient of excess air. The amount of intake air is largely dependent on the shape and design of the aerodynamic valve.

Техническим результатом изобретения является создание подогревателя жидкости, надежно и устойчиво работающего в широком диапазоне регулирования тепловых нагрузок, имеющего высокий КПД и улучшенные экологические параметры по выбросам вредных газов. The technical result of the invention is the creation of a liquid heater that reliably and stably operates in a wide range of regulation of thermal loads, having a high efficiency and improved environmental parameters for emissions of harmful gases.

Указанный технический результат достигается тем, что камера пульсирующего горения содержит резонатор, выполненный в виде пучка труб, горелку с запальником, аэродинамический клапан, подключенный к камере сгорания и образованный дном камеры сгорания с отверстием и сплошным предметом, расположенным у отверстия, при этом аэродинамический клапан имеет форму расширяющегося канала с регулируемой площадью сечения, а пучок труб подключен к цилиндрической камере сгорания коаксиально. The specified technical result is achieved in that the pulsating combustion chamber contains a resonator made in the form of a tube bundle, a burner with an igniter, an aerodynamic valve connected to the combustion chamber and formed by the bottom of the combustion chamber with a hole and a solid object located at the hole, while the aerodynamic valve has the shape of the expanding channel with an adjustable cross-sectional area, and the tube bundle is connected to the cylindrical combustion chamber coaxially.

На фиг. 1 изображена камера пульсирующего горения, общий вид, на фиг. 2 изображен подогреватель воды, работающий по принципу пульсирующего горения. In FIG. 1 shows a pulsating combustion chamber, a general view; FIG. 2 shows a water heater operating on the principle of pulsating combustion.

Камера пульсирующего горения содержит (см. фиг. 1) аэродинамический клапан, выполненный в виде расходящегося от центра канала, образованного дном 1 камеры и сплошным предметом, расположенным у отверстия 2 дна, например диском 3. Конструкция клапана при необходимости предполагает изменение площади сечения канала. Последнее достигается изменением расстояния между дном 1 и диском 3 путем перемещения диска 3 по осям 6. В боковую стенку эксцентрично вмонтирована инжекционная горелка 4. Запальное устройство 5 размещено у выходного конца инжекционной горелки 4. Горючая смесь воспламеняется от запального устройства 5 и в камере сгорания инициируется пульсационное горение с резким повышением давления и температуры. Начинается течение газов в сторону резонатора 7 и аэродинамического клапана. Горячие газы, истекающие из отверстия 2 на дне 1 камеры, поступают в канал аэродинамического клапана, где происходит торможение потока. Инерционно задерживается развитие обратного выброса газов из камеры через аэродинамический клапан и массой холодного воздуха, находящегося в тракте клапана. Вследствие инерции столба газов в камере сгорания создается разрежение. Выбрасываемые из клапана горячие газы всасываются обратно в камеру. В тракте клапана происходит их активное смешивание со свежим воздухом. Конструкция аэродинамического клапана при обратном движении газов в камеру обеспечивает наименьшее гидродинамическое сопротивление в газовоздушном тракте. Камера сгорания вновь заполняется газовоздушной смесью. В период всасывания из инжекционной горелки в камеру сгорания тангенциально подается свежее топливо, тем самым дополнительно интенсифицируется процесс смешивания в камере. Стабилизация горения в пульсирующем режиме обеспечивается вихревыми течениями, возникающими у внутренних стен камеры сгорания. Оптимальное значение коэффициента избытка воздуха в камере при повышенных или пониженных нагрузках поддерживается изменением площади сечения канала аэродинамического клапана. Такое устройство клапана обеспечивает устойчивую и экономичную работу камеры, полное сгорание топлива в широком диапазоне регулирования по тепловой нагрузке, улучшенные экологические параметры по вредным выбросам продуктов сгорания в окружающую среду. The pulsating combustion chamber contains (see Fig. 1) an aerodynamic valve made in the form of a channel diverging from the center, formed by the chamber bottom 1 and a solid object located at the bottom opening 2, for example, disk 3. The valve design, if necessary, involves changing the channel cross-sectional area. The latter is achieved by changing the distance between the bottom 1 and the disk 3 by moving the disk 3 along the axes 6. An injection burner 4 is eccentrically mounted on the side wall. The ignition device 5 is placed at the output end of the injection burner 4. The combustible mixture ignites from the ignition device 5 and is initiated in the combustion chamber pulsating combustion with a sharp increase in pressure and temperature. The flow of gases toward the resonator 7 and the aerodynamic valve begins. Hot gases flowing from the opening 2 at the bottom 1 of the chamber enter the channel of the aerodynamic valve, where the flow is decelerated. Inertia delays the development of the backward ejection of gases from the chamber through the aerodynamic valve and the mass of cold air located in the valve path. Due to the inertia of the gas column, a vacuum is created in the combustion chamber. Hot gases discharged from the valve are sucked back into the chamber. In the valve path, they are actively mixed with fresh air. The design of the aerodynamic valve during the reverse movement of gases into the chamber provides the least hydrodynamic resistance in the gas-air path. The combustion chamber is again filled with a gas-air mixture. During the suction period, fresh fuel is tangentially supplied from the injection burner to the combustion chamber, thereby further intensifying the mixing process in the chamber. The stabilization of combustion in a pulsating mode is ensured by vortex flows arising near the internal walls of the combustion chamber. The optimal value of the coefficient of excess air in the chamber at high or low loads is supported by a change in the cross-sectional area of the channel of the aerodynamic valve. Such a valve device ensures stable and economical operation of the chamber, complete combustion of fuel in a wide range of regulation of thermal load, improved environmental parameters for harmful emissions of combustion products into the environment.

Резонатор, выполненный в виде пучка труб, присоединен к выходному участку камеры сгорания коаксиально и позволяет уменьшить габаритные размеры устройства. Количество труб определено исходя из требуемых геометрических соотношений КПГ. Пульсирующее истечение горячих продуктов сгорания через эти трубы способствует интенсивной передаче тепла внешнему теплоносителю. Чем больше амплитуда пульсаций давления, тем выше эффект теплопередачи. Относительно малое гидродинамическое сопротивление резонатора не препятствует получению желаемых значений амплитуды пульсаций давления в камере. Таким образом, предлагаемая установка имеет улучшенные эксплуатационные характеристики, более высокий КПД. The resonator, made in the form of a tube bundle, is connected to the output section of the combustion chamber coaxially and allows to reduce the overall dimensions of the device. The number of pipes is determined based on the required geometric relationships of CNG. The pulsating outflow of hot combustion products through these pipes promotes intense heat transfer to the external coolant. The larger the amplitude of the pressure pulsations, the higher the heat transfer effect. The relatively low hydrodynamic resistance of the resonator does not prevent the desired values of the amplitude of pressure pulsations in the chamber from being obtained. Thus, the proposed installation has improved performance, higher efficiency.

Подогреватель воды, работающий по принципу пульсирующего горения, содержит цилиндрическую камеру сгорания 8 (см. фиг. 2), резонатор, состоящий из трех труб 9, оси которых параллельны оси камеры сгорания 8, аэродинамический клапан 10 с инжекционной горелкой 4 и запальное устройство. Кроме того, в состав подогревателя включаются системы управления и сигнализации 11. Камера сгорания 8 с резонансными трубами 9 в емкости 12 закреплена в трех местах: свободные концы резонансных труб 9 через обойму 13 скреплены с верхним дном емкости 12, опоры 14 обеспечивают жесткое крепление камеры сгорания 8 с нижней частью емкости 12, третьим местом крепления служит место соединения патрубка 15 с емкостью 12. Аэродинамический клапан 10 включает в себя диск, который установлен на специальных осях 6. Диск имеет возможность перемещения относительно боковой стенки емкости 12 вдоль корпуса инжекционной горелки 4 по осям 6. Инжекционная горелка 4 с запальным устройством эксцентрично расположена в патрубке 15. The water heater, operating on the principle of pulsating combustion, contains a cylindrical combustion chamber 8 (see Fig. 2), a resonator consisting of three pipes 9 whose axes are parallel to the axis of the combustion chamber 8, an aerodynamic valve 10 with an injection burner 4, and an ignition device. In addition, the control and signaling systems 11 are included in the heater. The combustion chamber 8 with the resonant pipes 9 in the tank 12 is fixed in three places: the free ends of the resonant pipes 9 are fastened to the top bottom of the tank 12 through the cage 13, the supports 14 provide a rigid fastening of the combustion chamber 8 with the lower part of the tank 12, the third place of attachment is the connection of the nozzle 15 with the tank 12. The aerodynamic valve 10 includes a disk that is mounted on special axes 6. The disk has the ability to move relative to the shackle wall of the tank 12 along the body of the injection burner 4 along the axes 6. The injection burner 4 with the ignition device is eccentrically located in the pipe 15.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Емкость 12 (см. фиг. 2) через горловину 17 наполняется водой. Попутный газ по газопроводу 18 через магистральный вентиль 19 и блок управления (БУ) 20 поступает в инжекционную горелку 4. Давление газа в газопроводе 18 измеряется манометром 21. В БУ 20 попутный газ редуцируется до необходимых величин p, где p - давление газа в магистрали после БУ 20. Capacity 12 (see Fig. 2) through the neck 17 is filled with water. Associated gas through the gas pipe 18 through the main valve 19 and the control unit (CU) 20 enters the injection burner 4. The gas pressure in the gas pipe 18 is measured by a pressure gauge 21. In the CU 20, the associated gas is reduced to the required values of p, where p is the gas pressure in the line after BU 20.

Далее газовое топливо, смешиваясь с инжектируемым воздухом, тангенциально передается в камеру сгорания 8. От БУ 20 напряжение подается на запальное устройство. Очаг пламени воспламеняет газовоздушную смесь, накопившуюся в камере сгорания 8. В результате быстрого горения воспламененная смесь генерирует волну сжатия, которая, взаимодействуя с пламенем, ускорят процесс. В камере сгорания 8 устанавливается релаксационное горение. Стабилизация релаксационного горения происходит за счет вихревых течений, возникающих у стен камеры сгорания 8 в фазе разрежения. Пульсирующий поток, истекающий по резонансным трубам 9, интенсифицирует конвективный теплообмен. Для предупреждения срыва пульсирующего горения при малых нагрузках и обеспечения полноты сгорания при повышенных расходах топлива аэродинамический клапан 10 выполнен регулируемым. Настройка клапана 10 на другой режим осуществляется изменением положения диска относительно емкости 12. Вода по мере нагрева через вентили 22 и 23 подается потребителю. В случае срыва горения блок сигнализации 11 формирует команду на отключение подачи газа и передает ее в исполнительный блок - блок управления 20. Next, the gas fuel, mixed with the injected air, is tangentially transmitted to the combustion chamber 8. From BU 20, the voltage is supplied to the ignition device. The hearth of the flame ignites the gas-air mixture accumulated in the combustion chamber 8. As a result of rapid combustion, the ignited mixture generates a compression wave, which, interacting with the flame, will accelerate the process. In the combustion chamber 8, relaxation combustion is established. Stabilization of relaxation combustion occurs due to vortex flows arising near the walls of the combustion chamber 8 in the rarefaction phase. A pulsating stream flowing out through the resonance tubes 9 intensifies convective heat transfer. To prevent disruption of pulsating combustion at low loads and to ensure complete combustion at high fuel consumption, the aerodynamic valve 10 is made adjustable. Setting the valve 10 to another mode is carried out by changing the position of the disk relative to the tank 12. Water as it is heated through the valves 22 and 23 is supplied to the consumer. In the event of a failure of combustion, the alarm unit 11 generates a command to turn off the gas supply and transmits it to the executive unit - control unit 20.

Claims

1. A pulsating combustion chamber containing a resonator made in the form of a tube bundle, a burner with an igniter, an aerodynamic valve, characterized in that the aerodynamic valve connected to the combustion chamber and formed by the bottom of the combustion chamber with a hole and a solid object located at the hole has the form expanding channel with an adjustable cross-sectional area.

2. The chamber according to claim 1, characterized in that the tube bundle is connected to the cylindrical combustion chamber coaxially.