Нагревательное устройство

 

Изобретение относится к нефтедобыче с использованием внутрипластового горения на месторождениях битумов и нефти. Цель изобретения - упрощение конструкции при одновременном повышении надежности запуска. Устройство содержит камеру 1 сгорания с выходным соплом 2, форсуночную головку 3 с центральной цилиндрической нишей 5, в которой установлена электрическая свеча 6 накаливания. Топливная магистраль 9 сообщена сфорсунками 1 при помощи коллектора 10. Между форсуночной головкой 3 и внутренней поверхно-f /Г"Воздух^§7/in 1^ 1^te/

СОЮЗ СОВС-ТСКИХ социАлистических

РЕСПУБЛИК (я)5 Е.2,1 В 43/24

1 4

О

О

О

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4391668/03 (22) 10.03.88 (4.6) 30.01.92. Бюл. N. 4 (71) Казанский авиационный институт (72) Т.М.Магсумов и В.Б. Матвеев (53) 622.245(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 885542, кл. Е 21 В 43/24, 1979;

Авторское свидетельство СССР

В 1387546, кл. Е 21 B 43/24, 1986. (54) НАГРЕВАТЕЛЪНОЕ УСТРОЙСТВО (57) Изобретение относится к нефтедобыче с использованием внутрипластового горения на месторождениях битумов и нефти.

Цель изобретения — упрощение конструкции при одновременном повышении надежности запуска. Устройство содержит камеру

1 сгорания с выходным соплом 2, форсуночную головку 3 с центральной цилиндрической нишей 5, в которой установлена электрическая свеча 6 накаливания. Топливная магистраль 9 сообщена с форсунками 7 при помощи коллектора 10. Между форсуночной головкой 3 и внутренней поверхно. Ж 1709077 А1 стью камеры 1 сгорания образован кольцевой зазор 11, в котором размещен завихритель с лопатками, выполненными вдоль радиуса и под углом 6-15 к продольной оси камеры 1 сгорания. Кольцевой зазор 11 и струйные форсунки 8 воздуха сообщаются между собой и соединяются с подводящей магистралью 13 воздуха через кольцевую полость 14. При работе устройства сжатый воздух по магистрали 13 подводится к кольцевой полости 14, из которой после разделения на два потока он попадает в форсуночную головку 3 и в кольцевой зазор

11. Топливо, например керосин, подается к струйным форсункам 7 по магистрали 9 и коллектору 10. Перемешивание воздуха и топлива происходит в форсунках 4, образовавшаяся смесь в виде осесимметричных струй поступает в камеру сгорания. Воспламенение смеси в нише 5 инициирует горение, которое поддерживается при помощи стабилизирующего действия возвратного течения в приосевой области. Воздух, закрученный при помощи лопаток 12, образует присоединенную струйную завесу, 2 ил.

1709077 стехиометрическому составу топливовоздуш- 45 ной смеси. На охлаждение стенок камеры

55

Изобретение относится к нефтедобыче, в частности K устройствам для термического воздействия на битумные и нефтяные пласты и организации внутрипластового горения, Цель изобретения — упрощение конструкции при одновременном повышении надежности запуска устройства.

На фиг. 1 показана схема конструкции нагревательного устройства. продольный разрез; на фиг, 2 — экспериментальная зависимость вероятности запуска нагревательного устройства (Р) от начального угла закрутки воздушной струйной завесы (р), Нагревательное устройство состоит из камеры 1 сгорания с выходным соплом 2, форсуночной головки 3 с топливовоздушными форсунками 4 и центральной цилиндрической нишей 5, в которой установлена электрическая свеча 6 накаливания. Топливовоздушные форсунки 4 состоят из струйных форсунок 7 топлива и струйных форсунок 8 воздуха типа сопло Лаваля, в которых есть минимальное проходное сечение, Топливная магистраль 9 сообщена с форсунками 7 при помощи кольцевого коллектора 10. Между форсуНочной головкой 3 и внутренней поверхностью камеры 1 сгорания 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 сообщаются между собой и соединяются с подводящей магистралью 13 воздуха при помощи кольцевой полости 14.

В устройстве соотношение площадей проходных сечений кольцевой щели и минимальных сечений воздушных форсунок определяет температурный режим работы нагревательного устройства, Для обеспечения стабильного горения расход воздуха через форсунки 4 должен соответствовать сгорания и балластирование продуктов сгорания расходуется оставшаяся часть воздуха, проходящая через кольцевую щель 11, Расход этой части воздуха определяется из условия потребной температуры термогаза, величина которой при разработке нефтяных месторождений находится в интервале 200—

600 С. Иэ термодинамического расчета для топливной пары керосин — воздух можно определить, что температура газа на выходе из нагревательного устройства, равная 600 С, соответствует коэффициенту избытка окислителя (отношение массовых расходов окислителя и горючего, деленного на стехи5

40 ометрическое отношение) а= 4. а температура 200 С соответствует а= 11. Стехиомвтрическое соотношение топливовоздушной смеси соответствует а= 1,0. Таким образом, при данном диапазоне регулирования температуры газа на выходе из нагревательного устройства видно, что расход воздуха, направляемого на организацию струйной завесы, должен быть в 3-10 раз больше расхода воздуха, идущего через форсунки на образование топливовоздушной смеси, B связи с тем, что расход газа через отверстия при прочих равных условиях (температура и давление на входе, перепад дае- . ления на отверстии, гидравлическое сопротивление) определяется с площадью проходного (поперечного) сечения этого отверстия, поэтому площадь проходного сечения кольцевой щели 11 должна быть в 3-10 раз больше суммарной площади минимальных сечений струйных форсунок 8 воздуха.

Защита и охлаждение стенок камеры сгорания нагревательного устройства осуществляется воздушной струйной пристенной завесой, которая может быть незакрученной и закрученной. Незакрученная завеса (т.е. лопатки в завихрителе установлены под углом p =- 0 к продольному направлению) надежно охлаждает стенки камеры сгорания, но в этом случае в приосевой области камеры сгорания степень турбулентности достигает 20 . Такой высокий уровень турбулентных пульсаций интенсифицирует процессы массообмена и приводит к обеднению топливовоздушной смеси (a > 1), в результате чего снижается вероятность успешного запуска нагревательного устройства.

Закрученная завеса (p > О) также надежно охлаждает стенки камеры сгорания и стабилизирует течение в ней, При этом снижается степень турбулентности в приосевой области, Но в этом случае возникает воэможность появления приосевого вихревого обратного тока, продольное направление движения которого противоположно основному, т,е, движение происходит от сопла к форсуночной головке. Приосевой вихревой обратный ток снижает вероятность успешного запуска нагревательного устройства.

Во-первых, это происходит потому. что этот ток взаимодействует с топливовоэдушной смесью и обедняет ее. Во-вторых, вихревой обратный ток интенсифицирует движение вдоль оси от сопла к форсуночной головке и способствует переохлаждению спирали электрической свечи накаливания. . С целью определения оптимального начального угла закрутки пристенной завесы..

1709077

15

30

45 при котором надежно охлаждалась бы камера сгорания и надежно осуществлялся бы запуск, были проведены экспериментальные исследования. При этом yron 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 окислителя (воздуха) a — 4 и 6.

Результаты экспериментов позволили получить зависимость вероятности 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) осуществляется при угле установки лопаток в завихрителе rp в диапазоне 6 — 15 . Следовательно, углы установки лопаток в завихрителе к продольному направлению в данном интервале являются оптимальными.

Эксперименты также показали, что камера сгорания надежно охлаждается. Так, максимальная температура наружной поверхности камеры сгорания достигала 500ОС при Q= 4. Такой уровень температур является допустимым с точки зрения прочности для жаропрочных сталей, из которых обычно изготавливаются камеры сгорания, Нагревательное устройство работает следующим образом, По магистрали 13 подводится сжатый воздух от внешнего источника, например компрессора высокого давления, к кольцевой полости 14, на которой воздух распределяется на два потока: меньшая часть воздуха направляется в форсуночную головку 3, а большая часть — к кольцевому зазору

11, расположенному между форсуночной головкой 3 и внутренней поверхностью камеры 1 сгорания. Топливо (керосин, дизельное топливо, дистиллат) подается от внешнего насоса к струйным форсункам 7 по магистрали 9 и кольцевому коллектору 10. Воздух и топливо перемешиваются в форсунках 4, на выходе из которого образуется топливовоздушная смесь, которая в виде осесимметричных струй поступает в камеру сгорания. В результате отрывного течения этих струй и приосевой области образуется возвратное течение топливовоэдушной смеси, которая, двигаясь в обратном направлении, попадает в центральную цилин.дрическую нишу 5 и воспламеняется от предварительно разогретой спирали свечи

6 накаливания. Воспламенение топливовоздушной смеси в нише 5 инициирует горение в камере 1 сгорания. Так осуществляется запуск нагревательного устройства. После запуска свеча 6 накаливания отключается от электропитания, а горение в камере 1 сгорания поддерживается при помощи стабилизирующего действия возвратного течения в приосевой области. Воздух, поступающий в камеру 1 сгорания через кольцевой зазор

11, слабо закручивается при помощи лопаток 12, установленных в кольцевом зазоре

11 вдоль радиуса, и под углом 6-15 к продольному направлению и образует вдоль внутренней поверхности камеры 1 сгорания пристенную струйную завесу, которая защищает камеру 1 сгорания от высокотемпературных продуктов сгорания. Перед соплом 2 воздух из пристенной струйной завесы полностью перемешивается с продуктами сгорания и охлаждает их до заданной температуры. В результате образуется термогаз, обогащенный воздухом. который выходит из камеры 1 сгорания через сопло

2, Это сопло имеет в критическом сечении звуковую скорость, поэтому оно предотвращает процессы в камере сгорания от воздействия внешнего давления.

Останов нагревательного устройства осуществляется прекращением подачи воздуха и топлива.

Конкретная реализация изобретения осуществляется в камере сгорания термогазогенератора.

Термогазогенератор работает на сжатом воздухе и керосине.

Камера сгорания с толщиной стенки 6 мм, внутренним диаметром 62 мм и длиной

160 мм снабжена форсуночной головкой с шестью топливовоздушными форсунками типа сопла Лаваля с диаметром минимального сечейия 3.6 мм и выходным соплом.

Форсунки расположены на окружности диаметром 40 мм, На оси форсуночной головки расположена центральная цилиндрическая ниша диаметром 16 мм, в которую установлена электрическая свеча накаливания

СНД-100, Между форсуночной головкой и внутренней поверхностью камеры сгорания образован кольцевой зазор. площадь,выходного сечения которого в зависимости от потребной величины температуры термогаза в 3-10 раза больше суммарной площади минимальных сечений воздушных форсунок. Так, при температуре газа на выходе из сопла термогазогенератора 600 С высота кольцевого зазора составила 0,97 мм, что соответствует утроенной величине суммарной площади минимальных сечений воздушных форсунок. Завихритель имеет лопатки, выполненные вдоль радиуса и установленные под углом 12О к продольному направлению термогазогенератора.

1709077

Составитель А.Соколов

Техред M.Ìîðãåíòàë

Редактор M.Êåëåìåø

Корректор О. Кравцова

Заказ 415 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по-изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 101

Нагревательное устройство имеет простую принципиальную схему и может обслуживаться, запускаться и управляться при помощи имеющихся.в нефтяной промышленности воздушных компрессоров и Tollливных насосов и другого технологического оборудования. Тепловая мощность нагревательного устройства составляет 100-400 к Вт, что существенно выше мощности электронагревателей (16-24 кВт), и применение их сокращает сроки инициирования внутрипластового горения.

Формула изобретения

Harpeâàòåëüí0å устройСтво, содержащее подводящие магистрали горючего и воздуха, соединенные с камерой сгорания, имеющей выходное сопло и форсуночную головку, в центральной цилиндрической нише которой установлена свеча накаливания, 5 о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с.целью упрощения конструкции при одновременном повышении надежности запуска устройства, оно снабжено завихрителем с лопатками, выполненными вдоль радиуса и

10 под углом 6-15 к продольной оси камеры сгорания, при этом форсуночная головка установлена с кольцевым зазором относительно камеры сгорания, а завихритель с лопатками размещен в зазоре между каме15 рой сгорания и форсуночной головкой.