SU1709077A1 - Нагревательное устройство - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к нефтедобыче с использованием внутрипластового горени  на месторождени х битумов и нефти. Цель изобретени  - упрощение конструкции при одновременном повышении надежности запуска. Устройство содержит камеру 1 сгорани  с выходным соплом 2, форсуночную головку 3 с центральной цилиндрической нишей 5, в которой установлена электрическа  свеча 6 накаливани . Топливна  магистраль 9 сообщена сфорсунками 1 при помощи коллектора 10. Между форсуночной головкой 3 и внутренней поверхно-f /Г"Воздух^§7/in 1^ 1^te/

Description

Изобретение относитс  к нефтедобыче, D частности к устройствам дл  термического воздействи  на битумные и нефт ные пласты и организации внутрипластового горени .

Цель изобретени  - упрощение конструкции при одновременном повышении надежности запуска устройства.

На фиг. 1 показана схема конструкции нагревательного устройства, продольный разрез; на фиг. 2 - экспериментальна  зависимость веро тности запуска нагревательного устройства (Р) от начального угла закрутки воздушной струйной завесы (ф).

Нагревательное устройство состоит из камеры 1 сгорани  с выходным соплом 2, форсуночной головки 3 с топливовоздушными форсунками 4 и центральной цилиндрической нишей 5, в которой установлена электрическа  свеча 6 накаливани . Топливовоздушные форсунки 4 состо т из струйных форсунок 7 топлива и струйных форсунок 8 воздуха типа сопло Лавал , в которых есть минимальное проходное сечение . Топливна  магистраль 9 сообщена с форсунками 7 при помощи кольцевого коллектора 10. Между форсуночной ГОЛОЁКОЙ 3 и внутренней поверхностью камеры 1 сгорани  образован кольцевой зазор 11, в котором установлен завихритель с лопатками 12, выполненными вдоль радиуса и под углом-6-15° к продольному направлению устройства . Кольцевой зазор 11 и струйные форсунки 8 воздуха сообщаютс  между собой и coeдин юtc  с подвод щей магистралью 13 воздуха при помощи кольцевой полости 14.

В устройстве соотношение площадей проходных сечений кольцевой и минимальных сечений воздушных форсунок определ ет температурный режим работы нагревательного устройства. Дл  обеспечени  стабильного горени  расход воздуха через форсунки 4 должен соответствовать стехиометрическому составу топливовоздушной смеси. На охлаждение стенок камеры сгорани  и балластирование продуктов сгорани  расходуетс  оставша с  часть воздуха , проход ща  через кольцевую щель 11. Расход этой части воздуха определ етс  из услови  потребной температуры термогаза, величина которой при разработке нефт ных месторождений находитс  в интервале 200 600° С. Из термодинамического расчета дл  топливной пары керосин - воздух можно определить, что температура газа на выходе из нагревательного устройства, равна  600° С, соответствует коэффициенту избытка окислител  (отношение массовых расходов окислител  и горючего, деленного на стехиометрическое отношение) а 4. а температура 200° С соответствует а 11. Стехиометрическое соотношение топливовоздушной смеси соответствует а 1,0. Таким образом,

при данном диапазоне регулировани  температуры газа на выходе из нагревательного устройства видно, что расход воздуха, направл емого на организацию струйной завесы , должен быть в 3-10 раз больше

расхода воздуха, идущего через форсунки на образование топливовоздушной смеси.

В св зи с тем, что расход газа через отверсти  при прочих равных услови х (температура и давление на входе, перепад давлени  на отверстии, гидравлическое сопротивление) определ етс  с площадью проходного (поперечного) сечени  этого отверсти , поэтому площадь проходного сечени  кольцевой щели 11 должна быть в 3-10

раз больше суммарной площади минимальных сечений струйных форсунок 8 воздуха. Защита и охлаждение стенок камеры сгорани  нагревательного устройства осуществл етс  воздушной струйной пристенной завесой, котора  может быть незакрученной и закрученной. Незакрученна  завеса (т.е. лопатки в завихрителе установлены под углом у О к продольному направлению) надежно охлаждает стенки

камеры сгорани , но в этом случае в приосевой области камеры сгорани  степень турбулентности достигает 20%. Такой высокий уровень турбулентных пульсаций интенсифицирует процессы массообмена и приводит |К обеднению топливовоздушной смеси (а 1), в результате чего снижаетс  веро тность успешного запуска нагревательного устройства.

Закрученна  завеса ( (р 0) также надежно охлаждает стенки камеры сгорани  и стабилизирует течение в ней. При этом снижаетс  степень турбулентности в приосевой области. Но в этом случае возникает возможность по влени  приосевого вихревого

обратного тока, продольное направление движени  которого противоположно основному , т.е. движение происходит от сопла к форсуночной головке. Приосевой вихревой обратный ток снижает веро тность успешного запуска нагревательного .устройства. Во-первых, это происходит потому, что этот ток взаимодействует с топливовоздушной смесью и обедн ет ее. Во-вторых, вихревой обратный ток интенсифицирует движение

вдоль оси от сопла к форсуночной головке и способствует переохлаждению спирали электрической свечи накаливани .

С целью определени  оптимального начального угла закрутки пристенной завесы.

при котором надежно охлаждалась бы камера сгорани  и надежно осуществл лс  бы запуск, были проведены экспериментальные исследовани . При этом угол установки лопаток в завихрителе к продольному направлению , который соответствует начальному углу закрутки пристенной струи, был равен О, 6, 10, 15, 20, 30 и 60, коэффициент избытка окислител  (воздуха) а - 4 и 6.

Результаты экспериментов позволили получить зависимость веро тности запуска нагревательного устройства Р (отношение числа успешных запусков к общему числу попыток на одном режиме) от угла установки лопаток в завихрителе (фиг. 2). Согласно фиг. 2 надежный запуск нагревательного устройства (т.е. Р 1) осуществл етс  при угле установки лопаток в завихрителе (р в диапазоне 6 - 15°. Следовательно, углы установки лопаток в завихрителе к продольному направлению в данном интервале  вл ютс  оптимальными,

Эксперименты также показали, что камера сгорани  надежно охлаждаетс . Так, максимальна  температура наружной поверхности камеры сгорани  достигала 500°С при а 4. Такой уровень температур  вл етс  допустимым с точки зрени  прочности дл  жаропрочных сталей, из которых обычно изготавливаютс  камеры сгорани ,

Нагревательное устройство работает следующим образом,

По магистрали 13 подводитс  сжатый воздух от внешнего источника, например компрессора высокого давлени , к кольцевой полости 14, на которой воздух распредел етс  на два потока: меньша  часть воздуха направл етс  в форсуночную головку 3, а больша  часть- к кольцевому зазору 11, расположенному между форсуночной головкой 3 и внутренней поверхностью камеры 1 сгорани . Топливо(керосин,дизельное топливо, дистиллат) подаетс  от внешнего насоса к струйным форсункам 7 по магистрали 9 и кольцевому коллектору 10. Воздух и топливо перемешиваютс  в форсунках 4, на выходе из которого Образуетс  топливовоздушна  смесь, котора  в виде осесимметричных струй поступает в камеру сгорани . В результате отрывного течени  этих струй и приосевой области образуете возвратное течение топливовоздушной смеси, котора , двига сь в обратном направлении , попадает в центральную цилин .дрическую нишу 5 и воспламен етс  от предварительно разогретой спирали свечи 6 накаливани . Воспламенение топливовоздушной смеси в нише 5 инициирует горение в камере 1 сгорани . Так осуществл етс 

запуск нагревательного устройства. После запуска свеча 6 накаливани  отключаетс  от электропитани , а горение в камере 1 сгорани  поддерживаетс  при помощи стабилизирующего действи  возвратного течени  а приосевой области. Воздух, поступающий в камеру 1 сгорани  через кольцевой зазор 11, слабо закручиваетс  при помощи лопаток 12, установленных в кольцевом зазоре

0 11 вдоль радиуса, и под углом 6-15° к продольному направлению и образует вдоль внутренней поверхности камеры 1 сгорани  пристенную струйную завесу, котора  защищает камеру 1 сгорани  от высокотемпературных продуктов сгорани . Перед соплом 2 воздух из пристенной струйной завесы полностью перемешиваетс  с продуктами сгорани  и охлаждает их до заданной температуры. В результате образуетс 

0 термогаз, обогащенный воздухом, который выходит из камеры 1 сгорани  через сопло 2, Это сопло имеет в критическом сечении звуковую скорость, поэтому оно предотвращает процессы в камере сгорани  от воз5 действи  внешнего давлени .

Останов нагревательного устройства осуществл етс  прекращением подачи воздуха и топлива.

Конкретна  реализаци  изобретени 

0 осуществл етс  в камере сгорани  термога- зогенератора.

Термогазогенератор работает на сжатом воздухе и керосине.

Камера сгорани с толщиной стенки 6

5 мм, внутренним диаметром 62 мм и длиной 160 мм снабжена форсуночной головкой с шестью топливовоздушными форсунками типа сопло Лавал  с диаметром минимального сечени  3,6 мм и выходным соплом.

0 Форсунки расположены на окружности диаметром 40 мм. На оси форсуночной головки расположена центральна  цилиндрическа  ниша диаметром 16 мм, в которую установлена электрическа  свеча накаливани 

5 СНД-100, Между форсуночной головкой и внутренней поверхностью камеры сгорани  образован кольцевой зазор, площадь,выходного сечени  которого в зависимости от потребной величины температуры термога0 за в 3-10 раза больше суммарной площади минимальных сечений воздушных форсунок . Так, при температуре газа на выходе из сопла термогазогенератора 600° С высЬта кольцевого зазора составила 0,97 мм, что

5 соответствует утроенной величине суммарной площади минимальных сечений воздушных форсунок, Завихритель имеет лопатки, выполненные вдоль радиуса и установленные под углом 12° к продольному направлению термогазогенератора.

Нагревательное устройство имеет простую принципиальную схему и может обслуживатьс , запускатьс  и управл тьс  при помощи имеющихс  в нефт ной промышленности воздушных компрессоров-и топливных насосов и другого технологического oбopyдoвailи . Теплова  мощность нагревательного устройства составл ет 100-400 кВт, что существенно выше мощности электронагревателей (16-24 кВт), и применение их сокращает сроки инициировани  внутрипластового горени .

Claims (1)

1. Формула изобретени  Нагревательное устройство, содержащее подвод щие магистрали горючего и

   воздуха, соединенные с камерой сгрранм , имеющей выходное сопло и форсуночную головку, в центральной цилиндрической нише которой установлена свеча накаливани ,

   отличающеес  тем, что, с Ц&лью упрощени  конструкции при одновременном повышении надежности запуска устройства , оно снабжено завихрител м с лопатками, выполненными вдоль радиуса и

   под углом 6-15° к продольной оси камеры сгорани , при этом форсуночна  головка уста н.овлен а с кольцевым зазором относительно камеры сгорани , а завихрит ль с лопатками размещен в зазоре между камерой сгорани  и форсуночной головкой.

   О

   Ч