RU2350844C1

RU2350844C1 - Combustion chamber of heat generator for firing liquid fuel

Info

Publication number: RU2350844C1
Application number: RU2007127759/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Викторович Арюпин (RU); Владимир Викторович Арюпин; Вадим Павлович Колинко (RU); Вадим Павлович Колинко; Павел Вадимович Колинко (RU); Павел Вадимович Колинко; Михаил Иосифович Рыжанков (RU); Михаил Иосифович Рыжанков; Олег Аркадьевич Потапов (RU); Олег Аркадьевич Потапов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Сибирский Агропромышленный Дом" (ОАО "САД")
Priority date: 2007-07-19
Filing date: 2007-07-19
Publication date: 2009-03-27

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: combustion chamber consists of flame tube (1) with air supply holes (2), which is located in outer casing (3); annular channel (4) between outer casing (3) and flame tube (1); hollow cone-type swirler (5) with holes (6) whereto there attached are branch pipes (7). The latter (7) are located tangentially in relation to inner surface of swirler (5) at an angle to its longitudinal axis so that their other open ends are directed towards axial air movement in annular channel (4). In addition combustion chamber has a flaring chamber (8). Hollow cone-type swirler (5) is made in the form of blunted cone. It is connected with its major base to flame tube (1) inlet, and with its minor one - to outlet of flaring chamber (8).

EFFECT: invention increases liquid fuel combustion degree, including fuel oil, owing to intense heating of its heavy fractions for the purpose of their reliable ignition, which considerably reduces carbon deposition.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике и может использоваться в различных технологических установках, например, для нагрева воздуха в качестве агента сушки в зерносушилках, для обогрева теплиц и других сельскохозяйственных помещений.The invention relates to a power system and can be used in various technological installations, for example, for heating air as a drying agent in grain dryers, for heating greenhouses and other agricultural premises.

Известна камера сгорания, включающая коаксиальную трубчатую конструкцию, содержащую наружный и внутренний цилиндры. Внутренний цилиндр короче наружного, расположен в зоне горения на участке восходящего потока в осевом направлении и образует кольцевую зону, ограниченную собственной стенкой и стенкой наружного цилиндра. В стенке наружного цилиндра, которая охватывает кольцевую часть внутреннего цилиндра, выполнен ряд отверстий, а на расстоянии, не меньшем, чем диаметр этого наружного цилиндра, располагается еще один ряд воздухоподводящих отверстий в направлении вниз по потоку относительно первых воздухопроводящих отверстий (патент США №4173118 F23R 3/34, опубл. 06.11.1979).A known combustion chamber comprising a coaxial tubular structure comprising an outer and inner cylinder. The inner cylinder is shorter than the outer one, located in the combustion zone in the upstream section in the axial direction and forms an annular zone limited by its own wall and the wall of the outer cylinder. In the wall of the outer cylinder, which covers the annular part of the inner cylinder, a number of holes are made, and at a distance not smaller than the diameter of this outer cylinder, there is another row of air supply openings in the downstream direction relative to the first air conduction openings (US Pat. No. 4,173,118 F23R 3/34, publ. 11/06/1979).

Эта камера сгорания сложна конструктивно, дорога в изготовлении, обслуживании и ремонте, поэтому ее конструкция малопригодна для камер сгорания средств малой энергетики в сельском хозяйстве.This combustion chamber is structurally complex, expensive to manufacture, maintain and repair, therefore, its design is unsuitable for combustion chambers of small-scale energy in agriculture.

Прототипом изобретения является камера сгорания теплогенератора (RU №2301376 С1, опубл. 20.06.2007. Бюл. №17). Она содержит жаровую трубу с отверстиями для подачи воздуха, размещенную во внешнем корпусе, кольцевой канал между внешним корпусом и внутренними элементами, в частности жаровой трубой, полый конический завихритель с отверстиями, к которым присоединены трубчатые стойки (патрубки). Последние размещены тангенциально к внутренней поверхности завихрителя под углом к его продольной оси так, что их вторые открытые концы направлены навстречу осевому движению воздуха в кольцевом канале.The prototype of the invention is the combustion chamber of the heat generator (RU No. 2301376 C1, publ. 06/20/2007. Bull. No. 17). It contains a flame tube with holes for air supply, located in the outer casing, an annular channel between the outer casing and the internal elements, in particular a flame tube, a hollow conical swirler with holes to which tubular posts (pipes) are connected. The latter are placed tangentially to the inner surface of the swirl at an angle to its longitudinal axis so that their second open ends are directed towards the axial movement of air in the annular channel.

Сжигание в такой камере жидкого топлива, легко разделяющегося на фракции в процессе сгорания, в частности сырой нефти, вызывает повышенное образование нагара в жаровой трубе, особенно на расположенных в ней завихрителе и на его патрубках. Основной причиной этого недостатка камеры-прототипа является неполное воспламенение недостаточно нагретых тяжелых топливных фракций, что приводит к снижению степени сжигания топлива и к повышенному нагарообразованию.The burning in such a chamber of liquid fuel, which is easily divided into fractions during the combustion process, in particular crude oil, causes increased formation of soot in the flame tube, especially on the swirler and its nozzles located in it. The main reason for this drawback of the prototype chamber is the incomplete ignition of insufficiently heated heavy fuel fractions, which leads to a decrease in the degree of fuel combustion and to increased carbon formation.

Задача изобретения - повышение степени сжигания топлива и снижение нагарообразования путем повышения интенсивности нагрева и полноты воспламенения тяжелых топливных фракций, даже при использовании в качестве топлива сырой нефти, а также выноса завихрителя с его патрубками из полости жаровой трубы, то есть устранение причин недостатка камеры-прототипа.The objective of the invention is to increase the degree of combustion of fuel and reduce carbon formation by increasing the intensity of heating and completeness of ignition of heavy fuel fractions, even when using crude oil as fuel, as well as removing the swirl with its nozzles from the flame tube cavity, that is, eliminating the reasons for the lack of a prototype chamber .

Эта задача решена тем, что заявленная камера сгорания теплогенератора для сжигания жидкого топлива, как и ее прототип, имеет жаровую трубу с отверстиями для подачи воздуха, размещенную во внешнем корпусе, кольцевой канал между внешним корпусом и внутренними элементами, в частности жаровой трубой, полый конический завихритель с отверстиями, к которым присоединены патрубки. Эти патрубки размещены тангенциально к внутренней поверхности завихрителя под углом к его продольной оси так, что их вторые открытые концы направлены навстречу осевому движению воздуха в кольцевом канале. Однако в отличие от прототипа она дополнительно имеет камеру факельного сжигания, а полый конический завихритель выполнен в форме усеченного конуса. Большим основанием он присоединен к входу жаровой трубы, а малым - к выходу камеры факельного сжигания. Введение камеры факельного сжигания, указанные форма выполнения и расположение завихрителя, в совокупности с названными известными признаками изобретения, во всех случаях его осуществления, повышает интенсивность нагрева и полноту воспламенения тяжелых топливных фракций, а также вынос завихрителя с его патрубками из полости жаровой трубы. Иначе говоря, названная новая совокупность общих существенных признаков всегда обеспечивает технический результат, указанный в задаче изобретения.This problem is solved in that the claimed combustion chamber of a heat generator for burning liquid fuel, as well as its prototype, has a heat pipe with holes for air supply, located in the outer casing, an annular channel between the outer casing and the internal elements, in particular the flame tube swirl with holes to which the nozzles are attached. These nozzles are placed tangentially to the inner surface of the swirl at an angle to its longitudinal axis so that their second open ends are directed towards the axial movement of air in the annular channel. However, unlike the prototype, it additionally has a flare chamber, and the hollow conical swirl is made in the form of a truncated cone. With a large base, it is connected to the entrance of the flame tube, and a small one - to the exit of the flare chamber. The introduction of the flare chamber, the indicated embodiment and location of the swirl, in combination with the known features of the invention, in all cases of its implementation, increases the intensity of heating and the ignition of heavy fuel fractions, as well as the removal of the swirl with its nozzles from the cavity of the flame tube. In other words, the named new combination of common essential features always provides the technical result indicated in the task of the invention.

Кроме того, камера факельного сжигания может быть выполнена цилиндрической формы с входным и выходным коническими элементами. Это обеспечивает более полное и равномерное заполнение ее полости горящей топливовоздушной смесью, начиная от горелочного устройства, и создает необходимую скорость потока этой смеси на выходе из камеры, что усиливает технический результат изобретения.In addition, the flare chamber can be made cylindrical with inlet and outlet conical elements. This provides a more complete and uniform filling of its cavity with a burning air-fuel mixture, starting from the burner device, and creates the necessary flow rate of this mixture at the outlet of the chamber, which enhances the technical result of the invention.

На фиг.1 представлен продольный осевой разрез камеры сгорания, дополненной горелочным устройством и вентилятором (фрагмент); на фиг.2 - разрез А-А фиг.1.Figure 1 presents a longitudinal axial section of the combustion chamber, supplemented by a burner device and a fan (fragment); figure 2 is a section aa of figure 1.

На чертежах приняты следующие обозначения:In the drawings, the following notation:

1 - жаровая труба; 2 - отверстия в жаровой трубе для подачи в нее воздуха; 3 - внешний корпус; 4 - кольцевой канал; 5 - полый конический завихритель; 6 - отверстия в завихрителе; 7 - патрубки завихрителя; 8 - камера факельного сжигания; 9, 10 - входной и выходной конические элементы камеры факельного сжигания; 11 - горелочное устройство; 12 - вентилятор; Q₁ - горящая топливовоздушная смесь в камере факельного сжигания; Q₂ - основной поток воздуха в кольцевом канале; Q₃ - закрученный поток горящей топливовоздушной смеси в завихрителе, входящий в жаровую трубу; Q₄ - потоки воздуха, поступающие в жаровую трубу для обогащения кислородом интенсивно горящей в ней топливовоздушной смеси.1 - flame tube; 2 - holes in the flame tube for supplying air to it; 3 - external housing; 4 - annular channel; 5 - hollow conical swirl; 6 - holes in the swirl; 7 - swirl tube; 8 - flaring chamber; 9, 10 - input and output conical elements of the flare chamber; 11 - burner device; 12 - fan; Q ₁ - burning air-fuel mixture in the flare chamber; Q ₂ - the main air flow in the annular channel; Q ₃ - the swirling flow of the burning air-fuel mixture in the swirl included in the flame tube; Q ₄ - air flows entering the flame tube for oxygen enrichment of the air-fuel mixture intensively burning in it.

Заявленная камера сгорания (фиг.1, 2) имеет жаровую трубу 1 с отверстиями 2 для подачи воздуха, размещенную во внешнем корпусе 3, кольцевой канал 4 между внешним корпусом 3 и внутренними элементами, в частности жаровой трубой 1, полый конический завихритель 5 с отверстиями 6, к которым присоединены патрубки 7. Патрубки 7 (фиг.2) размещены тангенциально к внутренней поверхности завихрителя 5 под углом к его продольной оси так (фиг.2), что их вторые открытые концы направлены навстречу осевому движению воздуха Q₂ в кольцевом канале 4 (фиг.1). Заявленная камера сгорания всегда имеет камеру 8 факельного сжигания. Причем полый конический завихритель 5 выполнен в форме усеченного конуса. Большим основанием завихритель 5 присоединен к входу жаровой трубы 1, а малым - к выходу камеры 8 факельного сжигания. В данном примере (фиг.1) камера 8 факельного сжигания выполнена в средней части цилиндрической с входным 9 и выходным 10 коническими элементами. В составе теплогенератора камера сгорания (фиг.1) оснащена горелочным устройством 11, в частности распылителем топлива и запальной свечей, и вентилятором 12 для нагнетания воздуха в полость внешнего корпуса 3 камеры сгорания.The claimed combustion chamber (FIGS. 1, 2) has a flame tube 1 with openings 2 for supplying air placed in the outer casing 3, an annular channel 4 between the outer casing 3 and the internal elements, in particular the flame tube 1, a hollow conical swirl 5 with openings 6, to which the nozzles are connected 7. The nozzles 7 (Fig. 2) are placed tangentially to the inner surface of the swirler 5 at an angle to its longitudinal axis so (Fig. 2) that their second open ends are directed towards the axial movement of air Q ₂ in the annular channel 4 (FIG. 1). The declared combustion chamber always has a flare chamber 8. Moreover, the hollow conical swirl 5 is made in the form of a truncated cone. The swirl ring 5 is connected to the inlet of the flame tube 1 with a large base, and a torch combustion chamber 8 is connected to a small base. In this example (figure 1), the flare chamber 8 is made in the middle part of the cylindrical with inlet 9 and outlet 10 conical elements. As part of the heat generator, the combustion chamber (Fig. 1) is equipped with a burner 11, in particular a fuel atomizer and a spark plug, and a fan 12 for pumping air into the cavity of the outer housing 3 of the combustion chamber.

Работает камера сгорания теплогенератора (фиг.1, 2) следующим образом.The combustion chamber of the heat generator (figure 1, 2) as follows.

При включенном вентиляторе 12 жидкое топливо, в частности нефть, под давлением подается в горелочное устройство 11. При запуске горелочного устройства 11 происходит первичное факельное (диффузионное) горение топлива с коэффициентом избытка воздуха α=0,3÷0,4. Через входной элемент 9 горящая топливовоздушная смесь Q₁ направляется в цилиндрическую часть камеры 8 факельного сжигания, равномерно заполняя ее полость. В камере 8 происходит разделение топлива на легкие и тяжелые фракции, интенсивный разогрев и начало воспламенения тяжелых топливных фракций за счет высокой температуры сгорания легких фракций. Это и отсутствие внутренних конструктивных элементов в камере 8 факельного сжигания снижает до минимума степень образования нагара в ней. Поток горящей смеси Q₁ из камеры 8 через ее выходной конический элемент 10 с увеличенной скоростью поступает в завихритель 5.When the fan 12 is turned on, liquid fuel, in particular oil, is supplied under pressure to the burner device 11. When the burner device 11 is started, the primary flare (diffusion) combustion of the fuel occurs with an excess air coefficient α = 0.3 ÷ 0.4. Through the input element 9, the burning air-fuel mixture Q _{1 is} sent to the cylindrical part of the flare chamber 8, uniformly filling its cavity. In chamber 8, fuel is divided into light and heavy fractions, intense heating and the onset of ignition of heavy fuel fractions due to the high temperature of combustion of light fractions. This and the absence of internal structural elements in the chamber 8 of the flare reduces to a minimum the degree of formation of carbon deposits in it. The flow of the burning mixture Q ₁ from the chamber 8 through its output conical element 10 with an increased speed enters the swirl 5.

Поток воздуха Q₂ (фиг.1), создаваемый вентилятором 12, направляется в кольцевой канал 4, подогревается, обтекая камеру 8 факельного сжигания и далее жаровую трубу 1. Часть воздуха Q₂ входит в тангенциальные патрубки 7 завихрителя 5, в частности их, для равномерности, шесть (фиг.2). Расположение патрубков 7 открытыми концами навстречу осевому движению воздуха Q₂ в кольцевом канале 4 (фиг.1, 2) обеспечивает интенсивный динамический напор на их входах и высокую скорость воздуха в каждом из них. Выходя из тангенциальных патрубков 7 в полость завихрителя 5, струи воздуха Q₃ (фиг.1) интенсивно перемешиваются с горящей топливовоздушной смесью, поступающей из камеры 8 факельного сжигания, закручивают ее, двигаясь по расширяющимся коническим спиралям, и обогащают кислородом. Благодаря этому в завихрителе 5 интенсивно перемешиваются продукты факельного сжигания, а именно горящие легкие фракций с разогретыми, начавшими воспламеняться тяжелыми топливными фракциями. Обогащение кислородом и указанное смешение топливных фракций в горящей смеси, поступающей из завихрителя 5 в жаровую трубу 1, обеспечивает в ней эффективное сжигание топливных частиц тяжелых фракций в окружении интенсивно горящих легких фракций топлива. Для интенсификации процесса сжигания топлива в жаровой трубе 1 в нее из кольцевого канала 4 поступает остальная часть воздуха Q₂ (фиг.1), проходя через ряды отверстий 2 в виде потоков Q₄.The air flow Q ₂ (Fig. 1), created by the fan 12, is directed into the annular channel 4, is heated, flowing around the flare chamber 8 and then the flame tube 1. Part of the air Q ₂ enters the tangential nozzles 7 of the swirler 5, in particular, for uniformity, six (figure 2). The location of the nozzles 7 with open ends towards the axial movement of air Q ₂ in the annular channel 4 (Fig.1, 2) provides an intense dynamic pressure at their inlets and high air velocity in each of them. Leaving the tangential nozzles 7 in the cavity of the swirler 5, air jets Q ₃ (Fig. 1) are intensively mixed with the burning air-fuel mixture coming from the flare chamber 8, twist it, moving along expanding conical spirals, and enrich with oxygen. Due to this, the products of flaring are intensively mixed in the swirl 5, namely burning light fractions with warmed up, which began to ignite heavy fuel fractions. The enrichment with oxygen and the specified mixture of fuel fractions in the burning mixture coming from the swirler 5 into the flame tube 1 provides for the efficient burning of fuel particles of heavy fractions surrounded by intensely burning light fuel fractions. To intensify the process of burning fuel in the flame tube 1, the rest of the air Q ₂ (FIG. 1) enters into it from the annular channel 4, passing through the rows of holes 2 in the form of flows Q ₄ .

Известными средствами регулируют расход топлива в горелочном устройстве 11 и производительность вентилятора 12. Тем самым устанавливают максимальную температуру в зоне интенсивного горения не выше 1800°С, что многократно снижает вероятность образования окислов азота. В жаровой трубе 1 происходит процесс основного интенсивного сжигания легких и тяжелых фракций топлива при коэффициенте избытка воздуха α=1,5÷2,5. При этом во много раз снижается концентрация NO_x, CO и НС в продуктах сгорания, повышается скорость и температура зон горения, обеспечивая высокую полноту сгорания топлива, включая его тяжелые фракции. Поток газовой смеси, разогретый в результате рассмотренного процесса сжигания топлива, выходит из жаровой трубы 1. Далее он смешивается в соответствующем смесителе (не показан) с потоком наружного воздуха, нагревая его до температуры, соответствующей целевому назначению.Known means regulate the fuel consumption in the burner 11 and the performance of the fan 12. Thereby, the maximum temperature in the intensive combustion zone is not set higher than 1800 ° C, which greatly reduces the likelihood of formation of nitrogen oxides. In the flame tube 1, the process of the main intensive burning of light and heavy fractions of fuel occurs with an excess air coefficient α = 1.5–2.5. At the same time, the concentration of NO _x , CO, and HC in the combustion products decreases many times, the speed and temperature of the combustion zones increases, providing a high degree of completeness of fuel combustion, including its heavy fractions. The flow of the gas mixture, heated as a result of the considered process of burning fuel, leaves the flame tube 1. Then it is mixed in a suitable mixer (not shown) with the flow of outdoor air, heating it to a temperature appropriate for the intended purpose.

Итак, заявленная камера при работе повышает интенсивность нагрева и полноту воспламенения тяжелых топливных фракций, даже при использовании в качестве топлива сырой нефти, что обеспечивает высокую степень сжигания топлива и значительно снижает нагарообразование. Расположение завихрителя с его патрубками 7 вне полости жаровой трубы 1 не только исключает образование нагара на патрубках 7, но и обеспечивает дополнительный технический результат изобретения, то есть позволяет изготавливать эти патрубки из обычной стали.So, the claimed chamber during operation increases the heating intensity and completeness of ignition of heavy fuel fractions, even when using crude oil as fuel, which provides a high degree of fuel combustion and significantly reduces carbon formation. The location of the swirl with its nozzles 7 outside the cavity of the flame tube 1 not only eliminates the formation of soot on the nozzles 7, but also provides an additional technical result of the invention, that is, it allows the manufacture of these nozzles from ordinary steel.

Экспериментальный образец «Малогабаритной топочной установки МТУ-0,5УМ» с камерой сгорания по изобретению разработан, изготовлен и испытан в ОАО «Сибирский агропромышленный дом» СО РАСХН. Установка МТУ-0,5УМ имеет номинальную мощность 0,5 МВт, тепловую мощность по воздуху 215÷385 Мкал/ч, подачу нагретого воздуха до 18 тыс. м³/ч, степень нагрева воздуха 650°С, расход топлива при работе на сырой нефти 22÷38 кг/ч, степень сжигания топлива 99,5%.An experimental sample of the “MTU-0.5UM Small-sized Furnace Plant” with a combustion chamber according to the invention was developed, manufactured and tested at the Siberian Agro-Industrial House OJSC SB RASHN. The MTU-0.5UM installation has a rated power of 0.5 MW, thermal air power of 215 ÷ 385 Mcal / h, heated air supply up to 18 thousand m ³ / h, air heating degree of 650 ° C, fuel consumption when working on raw oil 22 ÷ 38 kg / h, the degree of fuel combustion of 99.5%.

Claims

1. The combustion chamber of the heat generator, having a flame tube with holes for supplying air, placed in the housing, an annular channel between the housing and the flame tube, a hollow swirler with holes to which are connected nozzles placed tangentially to the inner surface of the swirl at an angle to its longitudinal axis so that their second open ends are directed towards the axial movement of air in the annular channel, and the combustion chamber additionally has a flare chamber, and the hollow swirler is made in the form of a truncated of the cone, the larger base it is connected to the input of the flame tube, and small - the exit flaring chamber.

2. The combustion chamber according to claim 1, characterized in that the flare chamber is cylindrical in shape with inlet and outlet conical elements.