Акустическая горелка

 

Использование: для распыления жидкого топлива с окислителем в топках котлов и других топливосжигающих устройствах. Сущность изобретения: в корпусе 1 горелки установлена форсунка, охватывающая ее обечайка 2, образующая наружный кольцевой канал 4 для подачи вохдуха и внутренний кольцевой канал 5 для подачи распылителя. Форсунка выполнена в виде труб 3 и 6, образующих канал 7 для топлива. В канале 5 установлен завихритель 8, в канале 4 наружный завихритель 9. Форсунка снабжена генератором акустических колебаний 14. Сопловые отверстия 11 трубы 3. Выполнены радиальными и соосными отверстиями 12 трубы 6. Напротив них в обечайкке 2 выполнена дополнительная резонирующая полость. 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для распыливания жидкого топлива и смешения его с окислителем, в основном к горелкам с применением для распыливания как энергии сжатого газа, так и энергии акустических колебаний. Преимущественное применение предлагаемое изобретение может найти в энергетической, химической, металлургической и других отраслях промышленности, в частности, в топках котлов, печей и других топливоиспользующих установках.

Существует много типов (конструкций) акустических форсунок, использующих воздействие энергии ультразвуковых колебаний распыливающего газа на топливо или смесь его с распылителем для достижения мелкодисперсного состояния с целью интенсификации процесса дробления, смесеобразования и последующего за ним горения гомогенной смеси.

Известна конструкция акустической форсунки, содержащей корпус с соосно установленной в нем втулкой, имеющей осевой канал для подвода распыливающего агента и образующей с корпусом кольцевой канал для подвода топлива. На выходе из осевого канала установлен грибковый генератор акустических колебаний, возбуждаемых в резонирующей полости, которая выполнена в торцовом участке втулки [1] К недостаткам форсунки следует отнести низкое качество дробления и сложность конструкции.

Делаются попытки часть функций распыливающей головки перенести на элементы самой горелки, чтобы упростить форсунку и интенсифицировать процессы дробления, смесеобразования и горения.

Ближайшим техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является акустическая горелка для совместного сжигания пылевидного и жидкого топлива путем распыливания жидкого топлива и смешения его с кольцевым закрученным потоком пылевидного топлива, содержащая корпус, форсунку, расположенную по оси с раздачей жидкого топлива радиальными струями, охватывающую ее обечайку, образующую с форсункой и корпусом внутренний и наружный кольцевые каналы, в последнем из которых установлен завихритель лопаточного типа. Форсунка снабжена генератором акустических колебаний с резонирующей полостью на торце обечайки, а корпус горелки дополнительным ультразвуковым генератором [2] К недостаткам прототипа следует отнести низкую эффективность дробления, следующее из этого плохое качество смешения топлива с воздухом и низкую интенсификацию процесса горения.

Это объясняется тем, что акустическим колебаниям воздуха высокой частоты подвергаются целостные струи топлива, качественному распылу мешают значительные вязкостные силы жидкости и силы поверхностного натяжения. Недостаточная энергия истекающих струй топлива также является препятствием к достижению качественного распыла.

Задача, на решение которой направлено изобретения, заключается в устранении недостатков, присущих прототипу, а именно: повысить эффективность дробления, полнее использовать энергию топлива и распыливающего агента с целью значительного интенсифицирования процесса смешения с окислителем и горения.

Поставленная задача в акустической горелке, содержащей корпус с размещенной по оси форсункой, состоящей из двух коаксиальных труб с радиальными соосными соплами, внутренняя из которых выполнена заглушенной, генератор акустических колебаний и обечайку, охватывающую форсунку и образующую с ней и корпусом внутренний и наружный кольцевые каналы, в последнем из которых установлен завихритель лопаточного типа, а также дополнительную резонирующую полость, решается за счет того, что во внутреннем кольцевом канале устанавливается дополнительный завихритель лопаточного типа, наружная труба форсунки выполняется заглушенной и подключается к источнику топлива, ее сопловые отверстия выполняются радиальными и соосными соплам центральной трубы, которая подключается к распыливающему газу, а дополнительная резонирующая полость выполняется на внутренней стороне обечайки напротив сопловых отверстий между выходным торцом и завихрителем.

Наличие завихрителя во внутреннем кольцевом канале обеспечивает создание сильно турбулизованного воздушного потока, направленного вдоль оси горелки, а радиальное расположение соединительных каналов под резонирующей полостью обеспечивает ориентацию газотопливной смеси перпендикулярно воздушному потоку, что способствует эффективному дроблению топлива и смешению его с распыливающим агентом. Лопатки завихрителя выполняют роль резонирующей поверхности генератора акустических колебаний.

Предлагаемая конструкция горелки решает задачу как дробления частиц жидкого топлива на мелкодисперсные частицы, так и задачу смешения топлива с окислителем. Дробление топлива осуществляется как конструктивными элементами, расположенными внутри корпуса форсунки, так и элементами, находящимися снаружи, в том числе и на корпусе горелки, что в значительной мере упрощает конструкцию форсунки. Таким образом используется как кинетическая энергия распыливающего агента, так и энергия акустических колебаний газотопливных струй и окислителя, поступающего на горение.

Использование завихрителей для создания турбулизованного воздушного потока широко известно из патентной и научно-технической литературы, однако в предлагаемом изобретении, где соединительные каналы расположены радиально под второй резонирующей полостью, эти признаки сообщают завихрителю новое качество, выражающееся в том, что он становится мощным источником акустических колебаний.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена предлагаемая горелка, продольный разрез.

В корпусе 1 горелки вдоль ее центральной оси во внутренней обечайке 2 установлен топливоподводящий корпус 3 форсунки, представляющий полый цилиндр, заглушенный с одного из торцов.

Таким образом, обечайка 2 образует с корпусом 1 горелки наружный кольцевой канал 4 для подачи воздушного потока, а с топливоподводящим корпусом 3 форсунки внутренний кольцевой канал 5 для подвода распыливающего воздуха.

В полости корпуса 3 форсунки, концентрично ему жестко закреплена коаксиальная ему центральная заглушенная труба 6 для подвода распыливающего газа, образующая с корпусом форсунки 3 кольцевой канал 7 для подвода топлива.

Во внутренней кольцевом канале 5 горелки установлен внутренний завихритель 8 воздушного потока, а между корпусом 1 горелки и обечайкой 2 наружный завихритель 9 с аксиальными лопатками, при этом первичный поток, проходящий через внутренний завихритель 8, имеет большую скорость и служит для дробления топлива, а вторичный поток, проходящий через наружный завихритель 9, имеет меньшую скорость и служит в качестве добавочного для обеспечения полного сгорания топлива.

Сообщение резонирующей полости 10, образованной противолежащими поверхностями генератора акустических колебаний А и корпуса 3 форсунки В, являющихся одновременно поверхностями лопаток внутреннего завихрителя 8, с кольцевым каналом 7 подвода топлива и центральной трубой 6 для подвода распыливающего агента осуществляется посредством соединительных каналов: сопл 11 в корпусе форсунки и сквозных отверстий 12, выполненных в стенке трубы 6.

Во избежание смятия (деформации) паровой струи в соплах 11 корпуса 3 форсунки и создания противодавления в полости поступления топлива между корпусом 3 форсунки и внутренней трубой с прекращением его подачи, а также перерасхода распыливающего агента диаметр паровых отверстий 12 и зазор между корпусом 3 и трубой (4) не должен превышать 0,6d, где d диаметр сопл 11.

В центральной обечайке (трубе) 2 корпуса 1 горелки напротив сопл 11 радиально и соосно им рассверлены глухие отверстия 13, выполняющие функцию второй резонирующей полости. Их во избежание попаданий капель топлива на стенку трубы 2, а также с целью более равномерного распределения его в объеме воздуха необходимо выполнить в выступах, бобышках, направленных к оси горелки.

Горелка работает следующим образом.

В кольцевой канал 7 между центральной трубой 6 и корпусом 3 форсунки подают под давлением жидкое топливо от насосов или самотеком из расходных баков, устанавливаемых выше уровня горелок (на чертеже не показаны). Одновременно осуществляют подачу распыливающего агента (пара или сжатого воздуха) в центральную трубу 6 с давлением, несколько превышающим давление топлива. Распыливающий агент, истекающий из отверстия 12 трубы 6 в кольцевой канал 7, пробивая пленку топлива, инжектирует его. При этом образуется газотопливная эмульсия, которая, истекая из сопл 11, с большой скоростью ударяется о внутреннюю обечайку 2 корпусам 1 горелки, являющуюся первичным генератором акустических колебаний в полости 10. Удар струй газотопливной эмульсии по плоскости трубы 2 с глухими отверстиями 13, являющимися резонирующей плоскостью, вызовет противоударные волны, направленные против их движения, которые раздробят струи на мелкие капли, при этом резонирующая полость 10 наполнится частицами раздробленного топлива.

Первичный воздух, поступающий в объеме 15-20% от общего количества, между внутренней обечайкой 2 корпуса 1 горелки и корпусом 3 форсунки, закрученный лопатками завихрителя 8, в смеси с дробленым топливом, ударяясь о грибовидный генератор акустических колебаний 14 и его внутреннюю резонирующую полость 15, вызовет противоударную волну противоположного направления, а та, в свою очередь, при ударе о наружные поверхности лопаток завихрителя 8 вызовет акустические высокочастотные колебания воздуха вдоль его потока, завершая процесс распыливания и приготовления гомогенной смеси, готовой к воспламенению.

Готовая гомогенная топливовоздушная смесь покидает зону (полость) 10 через свободное пространстве между трубой 2 и генератором 14 и в смеси с добавочным количеством воздуха, поступающим между корпусом 1 горелки и внутренней трубой 2 после завихрителя 9, создает условия для полного сгорания топлива.

Таким образом, технический эффект от использования изобретения заключается в интенсификации процесса сжигания топлива за счет повышения эффективности процесса его дробления и смешения с газотопливной эмульсией.

Формула изобретения

АКУСТИЧЕСКАЯ ГОРЕЛКА, содержащая корпус, размещенную по оси корпуса форсунку и охватывающую ее обечайку, образующую с форсункой и корпусом внутренний и наружный кольцевые каналы, в последнем из которых установлен завихритель лопаточного типа, форсунка выполнена в виде снабженных сопловыми отверстиями коаксиальных труб, внутренняя из которых выполнена заглушенной, и снабжена генератором акустических колебаний с резонирующей полостью, а также дополнительную резонирующую полость, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным лопаточным завихрителем, установленным во внутреннем кольцевом канале, наружная труба форсунки выполнена заглушенной, подключена к источнику топлива, ее сопловые отверстия выполнены радиальными и соосными с сопловыми отверстиями центральной трубы, подключенной к источнику распылителя, а дополнительная резонирующая полость выполнена на обечайке напротив сопловых отверстий на участке между выходным торцом и завихрителем.

РИСУНКИ

Рисунок 1