RU2306481C1 - Горелка - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к сжиганию углеводородов, в том числе твердых бытовых отходов. Горелка содержит три сообщающихся камеры, в первую крайнюю из которых поступает поток воздуха для сгорания и во входное сечение которой вмонтирован завихритель, включающий элементы для закручивания этого потока, а также каналы для подачи топлива в среднюю камеру. Средняя камера служит для смешивания воздуха с топливом и горения, третья крайняя камера является камерой для организации выпуска потока отработавших газов, элементы закручивания потока в завихрителе установлены под углом к центральной оси горелки, каналы для подачи топлива расположены в первой и третьей крайних камерах, а соотношение эффективных диаметров входного и выходного коаксиальных отверстий на торцах средней камеры выбрано таким образом, чтобы обеспечить образование стоячих волн. Элементы закручивания потока в завихрителе выполнены в виде плоских пластин с увеличивающейся по ходу потока площадью. Охлаждающая рубашка охватывает поверхности средней и/или средней и крайней камеры. Поток воздуха для сгорания подается подогретым. Каналы для подачи твердого топлива в третьей крайней камере выполнены в виде направляющего патрубка. При подаче твердого неподготовленного топлива на входном коаксиальном отверстии средней камеры установлена решетка. Изобретение обеспечивает полное сгорание топлива и позволяет создать простую в эксплуатации горелку. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к сжиганию углеводородов, в том числе твердых бытовых отходов, и может быть использовано в топочных устройствах различных отраслей промышленности, например в топках, печах и двигателях.

Известно устройство факельного сжигания топлива в топке котла при наложении на факел электрического поля и пропускания через него переменного электрического тока, в котором частота переменного тока поддерживается равной частоте основного тона акустических колебаний газов в топке (авт. свид. СССР №1103040 F23C 11/00 1984).

Недостатком устройства является высокая энергоемкость и трудность обеспечения электробезопасности.

Известна система импульсного горения, содержащая, по меньшей мере, одну, состоящую из первой и второй секций камеру сгорания с соосно расположенными воздушным патрубком и топливным соплом. В первой секции камеры установлено воспламенительное устройство. Со второй секции камеры сообщается тангенциально расположенный патрубок для удаления отходящих газов. Патрубок имеет один первичный участок, непосредственно сообщающийся с камерой сгорания, и несколько вторичных участков, сообщающихся с первичным участком. Камера сгорания и патрубок для удаления отработанных газов заключены в кожух, с полостью которого сообщается вентилятор. При осуществлении импульсного сгорания в камере создают вихревые тепловые и акустические волны, которые, распространяясь вдоль камеры, поступают через тангенциально расположенный патрубок в резонатор и насадку из резонирующего материала (патент США №6210149 F23C 11/00 2001).

Недостатком этой системы импульсного горения является сложность конструкции и эксплуатации, вызванная сложностью системы управления.

Известно устройство для сжигания твердого топлива, содержащее бункер для загрузки топлива, печь для термического разложения твердого топлива с выходным отверстием вверху, устройство для образования псевдоожиженного слоя, печь циклонного типа с входным отверстием в верхней части, в центре которой выполнено отверстие для выхода продуктов сгорания, а в нижней части - отверстие для выхода золы, вихревая камера с эжектором и источник воздуха. Печь выполнена кольцевой, внутри нее с торцевым зазором относительно днища и соосно с ней установлена цилиндрическая реторта, верхняя часть которой соединена с бункером. В боковой поверхности нижней части реторты выполнены отверстия, соединяющие внутреннюю полость реторты с рабочей полостью кольцевой печи, в нижней части которой расположено устройство для создания псевдоожиженного слоя, выполненное в виде лопаточного тангенциального завихрителя, а верхнее выходное отверстие соединено со входом вихревой камеры сгорания, выход которой соединен с внутренней полостью печи циклонного типа, а эжектор соединен с источником воздуха (патент РФ №2202069 F23C 10/00 2004).

Недостатком устройства является сложность конструкции и несогласованность работы отдельных узлов: при входе вихревого закрученного потока в циклон система закручивания разрушается, происходит торможение потока. При этом выделяется балластное ненаправленное тепло.

Известна камера сгорания каменноугольного магнитогидродинамического генератора, содержащая камеры первичного 1 и вторичного 2 сгорания, которые разделены перегородкой 3. Со стороны камеры 1 расположены устройство для подачи топлива и устройство для подачи окислителя с формированием вращающегося потока. Со стороны камеры 2 расположено устройство для вывода газов. Со стороны входа камеры 2 с шагом по окружности расположены выступающие ортогонально во вращающийся поток газов водоохлаждаемые направляющие 15. Между направляющими 15 и перегородкой 3 расположены сопла 20 для радиального распыления диссоциирующей присадки (патент Японии №6015924 F23C 5/32 1994).

Недостатком устройства является возможность сжигания только дисперсного топлива. Сопла 20 с направляющими 15 служат концентратором закрученного в камере 1 потока. Тангенциальная скорость потока резко увеличивается и сгорание в камере дожигания 2 вообще не обеспечивается.

Известно устройство для наблюдения, регулирования работы теплогенератора с пульсирующим горением. Амплитуду уровня шума, возникающего при работе теплогенератора, фиксируют с помощью датчика. Когда амплитуда достигает заданной величины, это указывает на то, что генератор действует в рабочем режиме. Когда же амплитуда падает ниже заданного уровня, что свидетельствует о ненормальной работе теплогенератора, теплогенератор выключают с помощью переключателя или электрического рабочего устройства. В устройстве задается частотный режим генерации тепла, который регулируется с помощью датчиков (международная заявка №55542 F23C 11/04 2000).

Недостатком устройства является рассогласование режимов теплогенерации и управления.

Известна акустическая горелка, которая содержит основной патрубок, через который в зону горения подают топливо или топливо с добавкой окислителя; расположенный с внешней стороны патрубка вспомогательный патрубок, через который в зону горения подают окислитель; генератор акустических колебаний, воздействующих на зону горения. Колебания от генератора поступают в зону горения через патрубок или вспомогательный патрубок (патент Японии №3154701 F23C 11/04 2001).

Недостатком горелки является наличие внешнего генератора акустических колебаний, что требует отдельного питания и согласования колебаний с частотами горения.

Известна система инжекции, обеспечивающая получение смеси воздуха и горючего в зоне горения камеры сгорания турбореактивного двигателя. Система содержит зону предварительного смесеобразования, образованную трубой. Предусмотрены приспособления для направления горючего в зону предварительно смесеобразования и приспособления для введения сжатого воздуха в указанную зону с целью распыления горючего в виде мелких капель и получения осевого турбулентного потока на выходе из зоны смесеобразования. Труба предварительного смесеобразования имеет на входе сходящуюся часть, ограничивающую собственно зону предварительно смесеобразования, а на выходе имеет расходящуюся часть, которая образует промежуточную зону. Предусмотрены приспособления для инжекции воздуха в промежуточную зону с целью получения турбулентного потока, выходящего из зоны предварительного смесеобразования, в процессе расширения потока в промежуточной зоне (патент Франции №2717250 F23R 3/30 1995).

Недостатком системы является то, что сжигается только дисперсное, преимущественно жидкое топливо. Кроме того, для организации работы требуются дополнительные внешние устройства: для нагнетания воздуха необходим турбокомпрессор, а для подачи горючего - насосы.

Известна усовершенствованная огневая труба или «внутренняя облицовка» для камеры сгорания газовой турбины в малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ, содержащая цилиндрическую конструкцию, соединенную с выходом камеры предварительного смешивания при помощи конца в форме усеченного конуса, причем камера предварительного смешивания снабжается воздухом, направляемым полостью, которая расположена между огневой трубой и наружными стенками камеры сгорания, при этом воздух циркулирует в направлении, противоположном направлению потока продуктов сгорания, а первый цилиндрический участок огневой трубы окружен цилиндрическим кожухом, который образует кольцевую камеру (заявка в РФ №2002134607 F23R 3/30 2002 Нуово Пиньоне Холдинг С.П.А. Италия).

Недостатком конструкции является сложность в эксплуатации, вызванная необходимостью дополнительного оборудования для получения сжатого воздуха.

Известна горелка для эксплуатации теплогенератора, состоящая из трех камер: камеры с завихрителем, смесительной камеры и камеры сгорания. Горелка снабжена завихрителем для потока дутьевого воздуха и средствами для впрыскивания топлива в поток дутьевого воздуха. По течению потока относительно завихрителя расположен смесительный канал, внутри первого участка которого в переходнике, переводящем поток, образованный в завихрителе, в смесительную трубу, расположенную по потоку после завихрителя, предусмотрено несколько каналов. За смесительной трубой по потоку расположена камера сгорания. Завихритель вмонтирован в закрытое входное сечение 10, через которое проходит поток дутьевого воздуха. В горелку принудительно подают воздух с помощью дополнительных средств. Завихритель содержит лопаткообразные элементы, которые образуют тангенциальные каналы. Горелка содержит, по меньшей мере, одно сопло для подачи жидкого топлива и одно сопло для газообразного топлива (выложенная заявка ФРГ №19859829 F23R 3/26 1998).

Недостатком горелки является невозможность сжигания неподготовленного твердого топлива. В описанной горелке процесс смешивания потока воздуха с топливом и их горение осуществляется в разных камерах. Это вызывает необходимость принудительно подавать воздух, т.к. без принудительной подачи воздуха пламя перенесется в камеру смешивания и процесс горения будет неустойчивым. Необходимость дополнительного оборудования для принудительной подачи потока воздуха усложняет эксплуатацию устройства.

Задачей изобретения является создание простой в эксплуатации горелки, в которой автоматически обеспечивается полное сгорание топлива, т.е. устойчивый переход химической энергии любого сжигаемого топлива в тепловую энергию.

Поставленная задача решается тем, что в горелке, содержащей три сообщающихся камеры, в первую крайнюю из которых поступает поток воздуха для сгорания и во входное сечение которой вмонтирован завихритель, включающий элементы для закручивания этого потока, а также каналы для подачи топлива в среднюю камеру, средняя камера служит для смешивания воздуха с топливом и горения, третья крайняя камера является камерой для организации выпуска потока отработавших газов, элементы закручивания потока в завихрителе установлены под углом к центральной оси горелки, каналы для подачи топлива расположены в первой и третьей крайних камерах, а соотношение эффективных диаметров входного и выходного коаксиальных отверстий на торцах средней камеры выбрано таким образом, чтобы обеспечить образование стоячих волн.

Элементы закручивания потока в завихрителе могут быть выполнены в виде плоских пластин с увеличивающейся по ходу потока площадью.

Горелка может содержать охлаждающую рубашку, которая охватывает поверхности средней и/или средней и крайней камеры.

Поток воздуха для сгорания может подаваться подогретым.

Каналы для подачи твердого топлива в третьей крайней камере могут быть выполнены в виде направляющего патрубка.

При подаче твердого неподготовленного топлива на входном коаксиальном отверстии средней камеры может быть установлена решетка.

На фиг.1 схематично изображена предлагаемая горелка; на фиг.2 - один из вариантов выполнения горелки.

Горелка содержит первую крайнюю камеру 1, во входное сечение которой вмонтирован завихритель 2, канал 3 для подачи топлива в среднюю камеру 4, выходной торец 5 средней камеры 4, третью крайнюю камеру 6, верхний канал 7 для подачи топлива в торце третьей крайней камеры 6, выходной патрубок 8 и пламяобразователь 9 на выходе из камеры 1. Канал 3 проходит через первую крайнюю камеру 1. В первую крайнюю камеру 1 поступает поток воздуха из атмосферы. Завихритель 2 имеет элементы для закручивания потока, установленные под углом к центральной оси горелки. Эти элементы могут быть выполнены в виде плоских пластин с увеличивающейся по ходу потока площадью. Средняя камера 4 служит для смешивания потока воздуха с топливом и горения. Третья крайняя камера 6 является камерой для организации выпуска потока отработавших газов. В торцах средней камеры 4 имеются входные и выходные коаксиальные отверстия. Эффективные диаметры этих отверстий выбраны таким образом, чтобы обеспечить образование стоячих волн, согласующихся с частотой колебаний режимов горения. Через канал 3 подается преимущественно газообразное и/или жидкое топливо. Через канал 7 подается преимущественно твердое, в том числе неподготовленное твердое топливо и ТБО.

В одном из вариантов выполнения горелки первая крайняя камера 1 сообщается с атмосферой, из которой в нее поступает поток воздуха для горения (фиг.1). В другом варианте выполнения горелки первая крайняя камера 1 имеет дно в корпусе 10 (фиг.2). При необходимости, для обеспечения лучшего теплосъема с поверхности горелки она может быть снабжена теплосъемной рубашкой 11, которая охватывает поверхности средней и/или средней и крайней камеры (фиг.2). Для удобства подачи твердого топлива канал 7 может быть выполнен в виде направляющего патрубка. Патрубок может входить в среднюю камеру 4 (фиг.2).

Горелка работает следующим образом. При подаче газообразного и/или жидкого топлива через канал 3, а твердого топлива через канал 7 оно поступает в среднюю камеру 4 на пламяобразователь 9 (фиг.1 и 2). При воспламенении топлива образующиеся газы выходят в атмосферу через выходной патрубок 8. По условию непрерывности потока (Бернулли) из атмосферы поступает воздух в освободившееся место в камере 4. Пройдя через завихритель 2, поступающий поток воздуха закручивается, образуя зону разрежения в приосевой области камеры 4 эффективным диаметром d. Образованные в результате горения газы (CO₂ и Н₂O) выходят через отверстие D выходного торца 5 средней камеры 4, увеличивая скорость и соответственно разрежение в зоне отверстия диаметра d. Это, в свою очередь, вызывает засасывание атмосферного воздуха в приосевую зону разрежения и из него в закрученный поток. Закрученный поток принимает в себя дополнительный воздух и, увеличивая массу вращающегося потока, снижает скорость его вращения. Это, в свою очередь, вызывает уменьшение разрежения и сокращение поступления атмосферного воздуха. Автоматически уменьшается масса закрученного потока и увеличивается его скорость. Далее процесс повторяется. В простой по конструкции горелке при ее работе происходят следующие химические и физические процессы.

Известно, что нейтральные молекулы взаимодействуют крайне медленно: 2Н₂+O₂=Н₂О, а реакции между ионами идут со скоростями смешивания.

Также известно, что горение «синим пламенем» происходит с участием озона, который образуется из молекулярного (двухатомного) кислорода в момент прохождения электрического разряда через воздух или при высокой температуре (более 600°С) и продолжает образовываться по схеме:

, а затем распадается: О₃→O₂+О, а атомарный кислород вступает в реакцию. Эта схема объясняет, в частности, мерцание свечи в спокойном воздухе и по закону Авогадро вибрационное горение вообще. Таким образом, в предлагаемой горелке осуществляется вибрационное горение.

Поскольку частотная характеристика процесса горения зависит от скорости движения воздуха в каналах горелки, то следить за изменением частотной характеристики может сама эта скорость. Такую возможность предоставляет специально организованный закрученный поток, аппарат для которого устанавливают на одном из участков герметичной системы горелки, и он за счет скорости проходящего потока генерирует стоячие волны в каналах и средней камеры горелки. В закрученном потоке приосевая область (вдоль оси распространения потока) обладает разрежением, зависящим от линейной (тангенциальной) скорости потока. В соответствии с законами гидродинамики в приосевую область поступает дополнительный поток как часть основного, всасывается основным закрученным потоком. Масса последнего возрастает, а скорость падает, уменьшая разрежение в приосевой области, чем уменьшает поступление дополнительной массы. Недостаток массы воздуха в основном закрученном потоке разгоняет его (по закону постоянства момента количества движения), увеличивая разрежение в приосевой области и вызывая тем самым поступление дополнительной массы, которая, всасываясь в основной закрученный поток, снижает скорость, уменьшает разрежение и т.д. Таким образом образуется стоячая волна, которая, попадая в резонанс частотной характеристики процесса, горения, интенсифицирует процесс получения атомарного кислорода и тем самым обеспечивает полноту сгорания углеводородного и углеродсодержащего топлива.

Известные горелки сконструированы так, что каналы, подводящие исходные продукты, зона реакции и отводящие продукты реакции каналы герметичны по отношению к окружающей среде и содержат в себе сплошную упругую неразрывную среду, колеблющуюся в свободном режиме, который допускает затухание, произвольный разгон и, как следствие, неполное сгорание топлива с выбросами СО, СН и сажи.

Предложенная конструкция горелки обеспечивает полное сгорание топлива за счет процесса автоматического саморегулирования перехода химической энергии сжигаемого топлива в тепловую энергию.

Claims (6)

1. Горелка, содержащая три сообщающихся камеры, в первую крайнюю из которых поступает поток воздуха для сгорания и во входное сечение которой вмонтирован завихритель, включающий элементы для закручивания этого потока, а также каналы для подачи топлива в среднюю камеру, отличающаяся тем, что средняя камера служит для смешивания воздуха с топливом и горения, третья крайняя камера является камерой для организации выпуска потока отработавших газов, элементы закручивания потока в завихрителе установлены под углом к центральной оси горелки, каналы для подачи топлива расположены в первой и третьей крайних камерах, а соотношение эффективных диаметров входного и выходного коаксиальных отверстий на торцах средней камеры выбрано таким образом, чтобы обеспечить образование стоячих волн.

2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что элементы закручивания потока в завихрителе выполнены в виде плоских пластин с увеличивающейся по ходу потока площадью.

3. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что охлаждающая рубашка охватывает поверхности средней и/или средней и крайней камеры.

4. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что поток воздуха для сгорания подается подогретым.

5. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что каналы для подачи твердого топлива в третьей крайней камере выполнены в виде направляющего патрубка.

6. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что при подаче твердого неподготовленного топлива на входном коаксиальном отверстии средней камеры установлена решетка.

Images