Система пульсирующего горения

 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в агрегатах систем отопления, в частности в водонагревателях или бойлерах. Сущность изобретения состоит в разработке системы пульсирующего горения, содержащей камеру сгорания, емкость для нагреваемого теплоносителя, устройства подвода топлива, подвода воздуха, вывода продуктов горения, а также смесительное устройство, два ресивера, два обратных клапана, дефлектор и устройство контроля продувки и горения с двумя датчиками, а также в выполнении устройств системы. Предложенная система обеспечивает устойчивость пульсирующего горения, высокий коэффициент полезного действия и полноту сгорания топлива с низкой концентрацией оксидов азота и монооксида углерода в уходящих газах, а кроме того, эту систему отличает низкая материалоемкость и существенное уменьшение габаритов конструкции. 15 з.п. ф-лы, 9 ил.

Предлагаемое изобретение относится к энергетике и может быть использовано в агрегатах систем отопления, в частности, в водонагревателях или бойлерах.

Известно устройство пульсирующего горения, содержащее камеру сгорания с закрытым задним торцом и выходным соплом, перфорированную топливоподводящую трубу, установленную вдоль камеры со стороны ее закрытого заднего торца и сообщенную посредством топливного патрубка с камерой сгорания в зоне ее выходного сопла, выполненного в виде гофрированной трубы, изменяющей свое сечение в зависимости от давления газопламенной струи. Кроме того, в камере сгорания на ее топливоподводящих трубах закреплен крестообразный турбулизатор и запальник (см. , например, патент РФ N 2040732 с приоритетом от 13.06.91, МПК: F 23 C 11/04).

Такое устройство обеспечивает распределение пламени по всему объему камеры сгорания, тем самым улучшаются условия детонации и создается мощный выхлоп, однако при этом не обеспечена возможность уменьшения содержания оксидов азота в продуктах горения.

Наиболее близким аналогом-прототипом является устройство пульсирующего горения (см., например, патент РФ N 2062945 с приоритетом от 13.06.90, МПК: F 23 C 11/04), содержащее камеру сгорания, выполненную в виде удлиненной цилиндрической полости с одним закрытым торцом с отверстиями для подвода топлива, и выхлопную трубу с охватывающей их рубашкой, выполненной с возможностью прохождения через нее воды, воспламенитель и трубки подачи топлива и воздуха, причем размеры трубки подачи топлива, камеры сгорания и выхлопной трубы выбраны из условия обеспечения заданного соотношения резонансной частоты трубки подачи топлива к резонансной частоте камеры сгорания вместе с выхлопной трубой.

Устройство обеспечивает повышенную устойчивость пульсирующего горения с высокой рабочей частотой, однако возможность уменьшения содержания в продуктах горения оксидов азота при его использовании весьма проблематична.

Сущность изобретения состоит в том, что система пульсирующего горения, содержащая камеру сгорания, выполненную в виде цилиндрической полости с одним открытым, а с другим закрытым торцом с отверстием, емкость для нагреваемого теплоносителя, установленное в камере сгорания запальное устройство, а также устройства подвода топлива, подвода воздуха и отвода продуктов сгорания, снабжена смесительным устройством, двумя ресиверами, двумя обратными клапанами, дефлектором и устройством контроля продувки с двумя соответствующими датчиками, причем смесительное устройство соединено с камерой сгорания через отверстие в ее закрытом торце, а через первые и вторые обратные клапаны и ресиверы подсоединено к устройствам подвода топлива и воздуха соответственно, дефлектор установлен в камере сгорания вблизи отверстия в ее закрытом торце, а в устройствах подвода в камеру сгорания воздуха и отвода продуктов сгорания соответственно размещены первый и второй датчики устройства контроля продувки и горения, при этом емкость для нагреваемого теплоносителя, устройство подвода воздуха и устройство отвода продуктов сгорания выполнены в виде, например, цилиндрических полостей, установленных коаксиально относительно камеры сгорания и друг друга, причем емкость для нагреваемого теплоносителя и устройство для отвода продуктов сгорания выполнены из двух сообщающихся полостей каждое, а устройство подвода воздуха - из одной полости, первая полость емкости для нагреваемого теплоносителя установлена за камерой сгорания, за этой полостью помещена первая полость устройства отвода продуктов сгорания, а вторая полость емкости для нагреваемого теплоносителя соответственно установлена между первой и второй полостями устройства отвода продуктов сгорания, причем полость устройства для подвода воздуха установлена за второй полостью устройства отвода продуктов сгорания, при этом полости емкости для нагреваемого теплоносителя выполнены с двумя закрытыми торцами, причем в этих полостях выполнены отверстия для подвода нагреваемого и соответственно выхода нагретого теплоносителя, а, кроме того, в первом торце первой полости емкости для нагреваемого теплоносителя выполнено отверстие для установки смесительного устройства, в ее втором торце выполнено отверстие, соответствующее величине наружного диаметра открытого торца камеры сгорания, а во втором торце второй полости емкости для нагреваемого теплоносителя выполнено отверстие, соответствующее величине наружною диаметра первой полости, полость устройства подвода воздуха выполнена с одним закрытым торцом, при этом открытым торцом эта полость соединена со вторым ресивером, первая полость емкости для нагреваемого теплоносителя установлена соответственно в первой полости устройства отвода продуктов сгорания, причем открытый торец камеры сгорания помещен внутри промежутка между вторым торцом первой полости емкости для нагреваемого теплоносителя и закрытым торцом первой полости устройства для отвода продуктов сгорания.

При этом камера сгорания выполнена с возможностью установки в ней труб, соединенных, например с первой полостью емкости для нагреваемого теплоносителя, трубы установлены под разными углами к, например, вертикальной плоскости, но перпендикулярно продольной оси камеры сгорания, при этом в камере установлено 1-10 труб, а на внутренней поверхности камеры сгорания установлены турбулизирующие шайбы.

Кроме того, смесительное устройство выполнено в виде двух коаксиально установленных цилиндров, при этом на внутреннем цилиндре выполнены дозаторные отверстия, ось этого цилиндра совпадает с осью камеры сгорания и он (этот цилиндр) первым торцом закреплен на закрытом торце камеры сгорания, отверстие, в котором размещено на продольной оси этого цилиндра, а на втором торце внутреннего цилиндра установлен второй обратный клапан, при этом наружный цилиндр своими первым и вторым торцами соответственно закреплен на закрытом торце камеры сгорания и наружной поверхности внутреннего цилиндра и своей частью со стороны второго торца через отверстие в первом торце первой полости емкости для нагреваемого теплоносителя помещен во второй ресивер, при этом полость между внутренним и наружным цилиндрами через первый обратный клапан с первым ресивером, к которому подсоединено устройство подвода топлива, выполненное в виде, например трубопровода.

При этом первый ресивер выполнен в виде полого цилиндра с закрытыми торцами и с отверстиями для подвода соответственно в этот ресивер и выхода оттуда в смесительное устройство топлива, например газа, а второй ресивер выполнен в виде цилиндрической полости с одним закрытым торцом, открытым торцом соединенной с полостью устройства подвода воздуха, причем на внутреннем цилиндре смесительного устройства выполнено 5-100 дозаторных отверстий, дозаторные отверстия, расположенные на поверхности этого цилиндра опоясывающими рядами, а в одном ряду выполнено 5-25 дозаторных отверстий, при этом расстояние между центрами соседних отверстий не менее двух диаметров дозаторного отверстия и, кроме того, величина дозаторных отверстий получена из условия S^*=NK, где S^* - суммарная площадь дозаторных отверстий системы; N=1/b - размерный коэффициент (кв.см/кВт), причем величина b зависит от вида топлива, например для метана b=(50-60), для пропана b=(100-120); K - мощность системы пульсирующего горения в кВт.

Параметры устройств, обеспечивающих функционирование в режиме пульсирующего горения, выбраны из условий L=(3-15)D, где L - длина внутренней полости камеры сгорания, а D - величина диаметра этой полости, D^*=(0,1-0,6)D и 2<L<D, где D^* и L^* - соответственно внутренний диаметр и длина внутреннего цилиндра смесительного устройства; h>0,25D, D'=(10-15)h и L'=(1-10)L, где h - расстояние между закрытым торцом первой полости устройства вывода продуктов горения и вторым торцом первой полости емкости для нагреваемого теплоносителя, D' - внутренний диаметр первой полости устройства вывода продуктов горения, а L' - длина этой полости, причем эти параметры должны удовлетворять соотношению V=(3-30)V', где V - объем камеры сгорания, а V' - объем полости между этими торцами, при этом S'=(0,01-0,5)S, где S' - площадь кольцевого сечения полости устройства вывода продуктов горения в охватывающей камеру сгорания части, а S - площадь поперечного сечения камеры сгорания.

Кроме того, обратный клапан выполнен в виде пластины или полого цилиндра со щелевидной прорезью или с рядом отверстий с центрами, расположенными на одной прямой, выполненных на плоскости пластины или, соответственно, на поверхности цилиндра вдоль его образующей, причем над этой прорезью или, соответственно, рядом отверстий с зазором установлена неподвижно закрепленная планка, при этом в зазоре с возможностью перемещения от пластины или, соответственно, цилиндра к неподвижно закрепленной планке и, соответственно, обратно помещена мембрана, выполненная в виде пластинки, длина и ширина которой выбраны из условия возможности полного перекрытия с ее помощью прорези или, соответственно ряда отверстий.

При этом в обратном клапане на одной пластине или, соответственно, на одном цилиндре выполнено 1-50 прорезей или рядов отверстий и установлено по 1-50 соответствующих планок и мембран, причем в этом клапане 1-10 таких пластин или цилиндров, или их сочетания.

Кроме того, устройство контроля продувки и горения выполнено в виде, например логического элемента И, первым через элемент задержки и вторым входами соединенного с выходами соответственно первого и второго датчиков, а соответствующими выходами подключенного к соответствующим устройствам системы, например первым выходом к запальному устройству.

При этом датчик устройства контроля продувки и горения содержит геркон, а также установленную с возможностью поворота пластину с закрепленными на ней постоянным магнитом и грузиком.

Предложенная система обеспечивает устойчивость пульсирующего горения, высокий коэффициент полезного действия и полноту сгорания топлива с низкой концентрацией оксидов азота и монооксида углерода в уходящих газах, а, кроме того, эту систему отличает низкая материалоемкость и существенное уменьшение габаритов конструкции.

На фиг. 1 представлена схема системы пульсирующего горения; на фиг. 2 показана камера сгорания с установленными в ней трубами, соединенными с полостью (на фиг. не приведена) емкости для нагреваемого теплоносителя; на фиг. 3 показана камера сгорания с установленными в ней турбулизирующими шайбами; на фиг. 4 показана конструкция обратного клапана с двумя рядами отверстий (причем один ряд условно открыт) на пластине; на фиг. 5 приведен вид этой конструкции сбоку (в разрезе); на фиг. 6 показана конструкция обратного клапана на цилиндрической поверхности; на фиг. 7 приведен вид этой конструкции в поперечном разрезе; на фиг. 8 показана блок-схема устройства контроля продувки; на фиг. 9 приведена схема датчика этого устройства.

Система пульсирующего горения (фиг. 1) содержит камеру 1 сгорания, выполненную в виде цилиндрической полости 2 с одним закрытым торцом 3 с отверстием 4 и с открытым торцом 5, при следующем соотношении параметров: d= (0,3-0,5)D и d'=(0,1-0,2)D, где d - диаметр открытого торца 5, d' - диаметр отверстия 4, а D - диаметр цилиндрической полости 2. В камере 1 сгорания установлен дефлектор 6, представляющий собой круглую в плане пластину диаметром d''=(0,15-0,25)D и толщиной h'=(0,001-0,1)L, где L - длина полости 2, причем L=(3-15)D. При этом дефлектор 6 закреплен на закрытом торце 3 соосно с отверстием 4, например на шпильках (на фиг. не обозначены), на расстоянии l=(1-2)h' от торца 3.

На дефлекторе 6 установлено запальное устройство 7, предназначенное для поджигания рабочей смеси и выполненное в виде, например свечи от карбюраторного двигателя внутреннего сгорания.

Открытый торец 5 камеры 1 сгорания помещен в устройстве 8 отвода продуктов сгорания, выполненном в виде двух, например цилиндрических, коаксиально установленных, сообщающихся полостей 9 и 10, по мере удаления от камеры сгорания, соответственно первой и второй.

Между камерой 1 сгорания и первой полостью 9 устройства 8 отвода продуктов сгорания размещена первая полость 11 емкости 12 для нагреваемого теплоносителя (на фиг. не обозначен), также выполненная из двух сообщающихся полостей. При этом вторая полость 13 помещена между первой и второй полостями (9 и 10) устройства 8 отвода продуктов сгорания. Полости 11 и 13 емкости 12 для нагреваемого теплоносителя, например воды, снабжены входным и выходным штуцерами 14 и 15, соответственно.

Количество полостей емкости 12 для нагреваемого теплоносителя в приведенной на фиг. 1 схеме системы пульсирующего горения увеличено за счет введенной между камерой 1 сгорания и первой полостью 11 емкости 12 для нагреваемого теплоносителя дополнительной цилиндрической полости 16, сообщающейся с этой первой полостью 11, также коаксиально установленной относительно камеры 1 сгорания, причем своим открытым торцом (на фиг. не обозначен) дополнительная полость 16 направлена к закрытому торцу 17 первой полости 11.

В отверстии (на фиг. не обозначено) в закрытом торце 17 своим открытым торцом 5 закреплена камера 1 сгорания, с отверстием 4 в ее закрытом торце 3 соосно установлено смесительное устройство 18, предназначенное для получения поступающей в камеру 1 сгорания рабочей смеси газообразного топлива с воздухом и выполненное в виде двух коаксиально установленных цилиндров (19 и 20), своими открытыми торцами (на фиг. не обозначены) закрепленных на закрытом торце 3 камеры 1 сгорания. Закрытый торец 21 наружного цилиндра 19 смесительного устройства 18 выполнен в виде фланца с отверстием (на фиг. не обозначено), в котором закреплен внутренний цилиндр 20 устройства 18, причем этот фланец соединен, например болтами (на фиг. показаны осевыми линиями), с соответствующим фланцем (на фиг. не обозначен) на открытом торце цилиндрической полости 11 емкости 12 для нагреваемого теплоносителя.

На внутреннем цилиндре 20 выполнены расположенные опоясывающими рядами (на фиг. не обозначены) дозаторные отверстия 22, предназначенные для разделения поступающего в смесительное устройство 18 топлива на соответствующие струйки (на фиг. не показаны) и обеспечения этим лучшего смешивания топлива с воздухом. В приведенном на фиг. 1 примере выполнено три ряда дозаторных отверстий по восемь отверстий в каждом ряду. Однако на практике таких дозаторных отверстий может быть от пяти до ста, причем в одном ряду выполняют от пяти до двадцати пяти отверстий, при этом расстояние между центрами этих отверстий не менее двух диаметров отверстия. Величины диаметров дозаторных отверстий 22 выбирают из конструктивных соображений, но с учетом условия, в соответствии с которым суммарная площадь дозаторных отверстий S^*=NK, где N= 1/b - размерный коэффициент (кв.см/кВт), причем величина b зависит от вида топлива, например для метана b=(50-60), а для пропана b=(100-120); K - мощность системы пульсирующего горения в кВт.

Внутренняя полость наружного цилиндра 19 смесительного устройства 18 трубкой (на фиг. не обозначена) соединена с ресивером 23, выполненном в виде полого цилиндра с закрытыми торцами, и с двумя отверстиями (на фиг. не обозначены) для подвода в этот ресивер с помощью соответствующего устройства (на фиг. не обозначено) и из ресивера 23 в смесительное устройство 18 топлива, например газа.

В ресивере 23 с возможностью перекрывания его выходного отверстия установлен обратный клапан 24, предназначенный для обеспечения движения топлива только в заданном (от устройства подачи топлива смесительному устройству 18) направлении.

Цилиндр 20 своим закрытым торцом 25 установлен в ресивере 26, выполненном в виде цилиндрической полости с одним закрытым торцом 27, а открытым торцом соединенной с соответствующим торцом (на фиг. не обозначены) устройства 28 подвода воздуха, представленного в виде цилиндрической полости 29, коаксиально установленной за второй полостью 10 устройства 8 отвода продуктов сгорания.

Устройство 28 подвода воздуха соединено с воздуховодом 30, в котором установлен вентилятор 31, предназначенный для продувки камеры 1 сгорания и устройства 8 для отвода продуктов сгорания перед розжигом и после прекращения горения.

В части цилиндра 20, установленной в ресивере 26, выполнены входные отверстия 22, а внутри этого цилиндра, соответственно месту расположения этих отверстий, установлен обратный клапан 24, предназначенный для обеспечения поступления воздуха из ресивера 26 в смесительное устройство 18 и недопущения попадания находящейся в устройстве смеси в ресивер 26 и далее в устройство 28 подвода воздуха.

Ресиверы 23 и 26 предназначены для сглаживания колебаний давления, вызываемых пульсирующей подачей и прерывистым расходом соответственно топлива и воздуха.

На входе в устройство 28 подвода воздуха и на выходе устройства 8 вывода продуктов сгорания установлены предназначенные для получения информации о функционировании соответствующих устройств системы датчики соответственно 32 и 33 устройства (на. фиг. 1 не показано, блок-схема этого устройства приведена на фиг. 8) контроля продувки и горения.

В камере 1 сгорания могут быть установлены под различными углами к вертикальной плоскости, но перпендикулярно продольной оси камеры, трубы 34, предназначенные для повышения теплоотдачи нагреваемому теплоносителю и соединенные с первой полостью 11 емкости 12 для нагрева теплоносителя (фиг. 2). Эти трубы установлены за серединой камеры 1 сгорания, ближе к ее открытому торцу, причем таких труб может быть установлено от 1 до 10 шт.

В камере 1 сгорания на ее внутренней поверхности могут быть установлены (фиг. 3) также турбулизирующие шайбы 35, предназначенные для интенсификации теплообмена внутри камеры 1 сгорания и выполненные в виде, например дисков, наружный диаметр которых соответствует внутреннему диаметру камеры 1 сгорания, с центральным отверстием 36, диаметр которого (0,5-0,9)D, где D - внутренний диаметр камеры 1 сгорания. При этом в случае, когда в камере установлены турбулизирующие шайбы с центральными отверстиями различного диаметра, эти шайбы расположены в порядке убывания этих диаметров. Кроме того, турбулизирующие шайбы 35 установлены за серединой камеры 1 сгорания, ближе к ее открытому торцу, причем расстояние между этими шайбами (1-3)D, а количество шайб от 1 до 5 шт.

Обратные клапаны 24 выполнены в виде пластины 37 (фиг. 4 и 5) или цилиндра 38 (фиг. 6 и 7) со щелевидными прорезями 39 или рядами 40 отверстий 41, выполненных на плоскости пластины 37 или соответственно на образующей цилиндра 38. Над этими прорезями или рядами отверстий с зазором 42 неподвижно, например при помощи болтов 43, закреплены планки 44, а в зазорах 42 на двух штифтах 45 каждая с возможностью перемещения от пластины 37 или, соответственно, цилиндра 38 к неподвижно закрепленным планкам 44 и, соответственно, обратно помещены мембраны 46, выполненные в виде пластинок, причем длина и ширина каждой из них выбрана из условия возможности полного перекрытия с ее помощью соответствующей прорези или, соответственно, ряда отверстий. На пластине 37 или, соответственно, цилиндре 38 выполнено от одной до пятидесяти прорезей 39 или рядов 40 отверстий 41 и установлено по столько же соответствующих планок 44 и мембран 46, причем в каждом клапане (24) может быть от одной до десяти таких пластин или цилиндров или их сочетания. В представленном на фиг. 1 примере выполнения системы пульсирующего горения обратный клапан 24 ресивера 23 выполнен в соответствии с представленной на фиг. 4 и 5 конструкцией и содержит одну пластину 37 с двумя рядами 40 отверстий 41 с соответствующими планками 44 и мембранами 46 (на фиг. 4 для наглядности один ряд отверстий показан без планки и мембраны), а обратный клапан 24 смесительного устройства 18 содержит (см. фиг. 6 и 7) один цилиндр 38 с четырьмя прорезями 39 и с соответствующим количеством планок 44 и мембран 46.

Устройство контроля продувки и горения выполнено (фиг. 8) содержащим логический элемент 47 И, первый вход которого через элемент 48 задержки соединен с электрическим выходом датчика 32, а вторым и третьим входами подключен к соответствующим выходам датчика 33 и блока (на фиг. не показан) автоматики, причем выходы элемента 47 И соединены с соответствующими входами устройств системы пульсирующего горения, например со входами запального устройства 7, соленоида отсечного клапана и блока автоматики (на фиг. не показаны). В качестве такого устройства может быть использован, например, блок фирмы HONEYWELL RM 7865 для котлов фирмы "Фултон", а также разработанный с участием авторов контроллер ПК-2.

Датчики 32 и 33 выполнены содержащими каждый (фиг. 9) по геркону 49 и по установленной с возможностью поворота на шарнире 50 пластине 51 с закрепленными на ней постоянным магнитом 52 и грузиком 53. При этом пластина 51 датчика 32 установлена с возможностью поворота внутрь устройства 28 подвода воздуха, а соответствующая пластина датчика 33 установлена с возможностью поворота от устройства 8 отвода продуктов сгорания, причем электрическими выходами датчиков 32 и 33 являются выходы соответствующих им герконов 49. Кроме того, величины (силы притяжения) магнитов 52 и массы грузиков 53 выбраны из условий: магниты условия обеспечения фиксации пластины 51 в исходном положении при отсутствии воздействий от потоков соответственно воздуха (для датчика 32) или продуктов горения (для датчика 33), а грузики условия обеспечения возврата соответствующих пластин 51 в исходное положение после прекращения этих воздействий.

При этом для обеспечения функционирования системы в соответствующем режиме параметры смесительного устройства 18 выбраны из условий D^*=(0,1-0,6)D и 1,5D^*<L<25D, где D^* и L^* - соответственно внутренний диаметр и длина внутреннего цилиндра 20 этого устройства, параметры, определяющие взаимное расположение устройства 8 отвода продуктов сгорания и емкости 12 для нагреваемого теплоносителя отвечают условиям h>0,25D, D'=(10-15)h и L'= (1-10)L, где h - расстояние между закрытым торцом (на фиг. не обозначен) первой полости 9 устройства 8 отвода продуктов сгорания и вторым торцом 17 первой полости 11 емкости 12 для нагреваемого теплоносителя, D' - внутренний диаметр первой полости 9 устройства 8 вывода продуктов горения, а L' - длина этой полости, остальные обозначения соответствуют записанным ранее. Данные параметры должны удовлетворять соотношению V=(3-30)V', где V - объем камеры 1 сгорания, а V' - объем полости между закрытым торцом первой полости 9 устройства 8 отвода продуктов сгорания и вторым торцом 17 первой полости 11 емкости 12 для нагреваемого теплоносителя. При этом также S'=(0,01-0,5)S, где S' - площадь кольцевого сечения полости 9 устройства 8 отвода продуктов сгорания в охватывающей камеру 1 сгорания части, а S - площадь поперечного сечения камеры 1 сгорания.

Система пульсирующего горения работает следующим образом.

Перед розжигом системы пульсирующего горения на 15-60 сек включают вентилятор 31, с помощью которого за это время через устройство 28 подвода воздуха и далее через внутренний цилиндр 20 смесительного устройства 18 и через отверстие 4 в закрытом торце 3 камеры 1 сгорания осуществляют продувку этой камеры, а через ее открытый торец 5 - и устройства 8 отвода продуктов сгорания.

Проверку факта продувки контролируют с помощью датчика 32 устройства контроля продувки и горения (фиг. 8). При этом в датчике 32, в случае прохождения через него воздушного потока, происходит отклонение соответствующей пластинки 51 от исходного положения, соответствующее этому размыкание контактов геркона 52 и, как следствие, формирование сигнала, поступающего на соответствующий вход устройства контроля продувки.

Затем подают питающее напряжение на запальное устройство 7 и через (0,5-1) сек на соленоид, открывающий отсечной клапан (на фиг. не показаны), установленный в устройстве (на фиг. не обозначено) подвода топлива (в данном случае газа). В случае отсутствия сигнала от датчика 32 соответствующие напряжения на запальное устройство 7 и соленоид не подают.

Газ через ресивер 23 и обратный клапан 24 проходит в полость 19 смесительного устройства 18, а затем через дозаторные отверстия 22 попадает во внутренний цилиндр 20 этого устройства, где происходит его перемешивание с воздухом, поступающим сюда через устройство 28 подвода воздуха, ресивер 27 и далее через отверстия 22 и обратный клапан 24. При этом обеспечивают среднюю величину коэффициента избытка воздуха в пределах от 1,1 до 1,6.

Полученная в смесительном устройстве 18 газовоздушная смесь через отверстие 4 в торце 3 поступает в камеру 1 сгорания, где ее поджигают с помощью запального устройства 7, срабатывающего от вышеупомянутого питающего напряжения. При этом происходит первая вспышка газовоздушной смеси, приводящая к кратковременному повышению давления в камере 1 сгорания и к возникновению акустических волн в объеме, образованном камерой 1 сгорания и первой полостью 9 устройства 8 отвода продуктов сгорания, и представляющем собой (вследствие вышеописанных конструктивного выполнения и соответствующих соотношений параметров) акустический резонатор типа резонатора Гельмгольца (см. , например, Е.Скучик. "Основы акустики". Изд. "Мир", Москва, 1976, т. 2, с. 40).

Обратные клапаны 24 при этом работают автоматически как пульсирующие клапаны. Они закрываются, когда давление в камере 1 сгорания превышает давление в ресиверах соответственно 23 и 26, при этом приостанавливается поступление в смесительное устройство 18 газа и воздуха и соответственно в камеру 1 сгорания газовоздушной смеси. Кроме того, продукты сгорания (дымовые газы) под действием этого избыточного давления выходят из камеры 1 сгорания и через устройство 8 отвода продуктов сгорания поступают в окружающую среду.

Через определенное время (связанное с характеристиками вышеуказанного колебательного звена системы, например для рассматриваемого примера это время составляет (25-30) мсек) давление в камере 1 сгорания снижается и клапаны 24 открываются, впуская очередную порцию газа и воздуха, и цикл повторяется. Таким образом, в системе устанавливается периодический (колебательный) процесс, так называемого пульсирующего горения. Частота этого процесса в данном случае (в рассматриваемом примере) составляет (35-40) Гц.

После установления процесса пульсирующего горения (в соответствии с сигналом от датчика 33, срабатывающим от потока дымовых газов, проходящих через устройство 8 отвода продуктов сгорания) дальнейший наддув воздуха с помощью вентилятора 31 и электроподжиг с помощью запального устройства 7 не требуются, и эти устройства отключают, например с помощью устройства контроля продувки и горения и блока (на фиг. не показан) автоматики. При этом всасывание в систему воздуха и газа происходит благодаря периодическим волнам разрежения, а повторное воспламенение каждой поступившей в камеру 1 сгорания следующей порции газовоздушной смеси производится остаточным (от предыдущего периода горения) пламенем, присутствующим в зоне завихрения (за дефлектором 6).

Процесс пульсирующего горения продолжается до отключения подачи топлива.

При этом через емкость 12 для нагреваемого теплоносителя в противотоке к направлению движения дымовых газов пропускают упомянутый теплоноситель, в качестве которого может быть использованы вода, пар и проч.

Эффективность работы предлагаемой системы обеспечивается за счет нагрева в ней теплоносителя, например, воды под давлением (2-3) атм до температуры (115-120) градусов по Цельсию, а также поступающего в смесительное устройство 18 воздуха до 80 градусов, причем за счет организации такой теплоотдачи температура выходящих из системы дымовых газов не превышает (100-120) градусов.

Проведенные исследования показали, что КПД предложенной системы пульсирующего горения составляет (95-96)% при температуре выходящей воды (80-115) градусов Цельсия. При этом содержание CO в уходящих дымовых газах составляет (5-30) мг/куб.м, а содержание NO соответственно составляет (25-45) мг/куб.м и менее.

Следует также указать, что соответствующий предложенной системе котел мощностью (0,1-0,8) МВт имеет объем (0,25-1) куб.м, в то время как объем соответствующих известных котлов мощностью (0,1-0,3) МВт от 2 куб. м и более.

Соответственно уменьшена металлоемкость предлагаемой системы до 1 кг/кВт (в известных соответствующих котлах, например фирмы "Фултон", металлоемкость - (3-4) кг/кВт).

Формула изобретения

1. Система пульсирующего горения, содержащая камеру сгорания, выполненную в виде цилиндрической полости с одним открытым, а с другим закрытым торцом с отверстием, емкость для нагреваемого теплоносителя, установленное в камере сгорания запальное устройство, а также устройства подвода топлива, подвода воздуха и отвода продуктов сгорания, отличающаяся тем, что она снабжена смесительным устройством, двумя ресиверами, двумя обратными клапанами, дефлектором и устройством контроля продувки и горения с двумя соответствующими датчиками, причем смесительное устройство соединено с камерой сгорания через отверстие в ее закрытом торце, а через первые и вторые обратные клапаны и ресиверы подсоединено к устройствам подвода топлива и воздуха соответственно, дефлектор установлен в камере сгорания вблизи отверстия в ее закрытом торце, а в устройствах подвода в камеру сгорания воздуха и отвода продуктов сгорания соответственно размещены первый и второй датчики устройства контроля продувки и горения, при этом емкость для нагреваемого теплоносителя, устройство подвода воздуха и устройство отвода продуктов сгорания выполнены в виде, например, цилиндрических, полостей, установленных коаксиально относительно камеры сгорания и друг друга, причем емкость для нагреваемого теплоносителя и устройство для отвода продуктов сгорания выполнены из двух сообщающихся полостей каждое, а устройство подвода воздуха - из одной полости, первая полость емкости для нагреваемого теплоносителя установлена за камерой сгорания, за этой полостью помещена первая полость устройства отвода продуктов сгорания, а вторая полость емкости для нагреваемого теплоносителя соответственно установлена между первой и второй полостями устройства отвода продуктов сгорания, причем полость устройства для подвода воздуха установлена за второй полостью устройства отвода продуктов сгорания, при этом полости емкости для нагреваемого теплоносителя выполнены с двумя закрытыми торцами, причем в этих полостях выполнены отверстия для подвода нагреваемого и соответственно выхода нагретого теплоносителя, а, кроме того, в первом торце первой полости емкости для нагреваемого теплоносителя выполнено отверстие для установки смесительного устройства, в ее втором торце выполнено отверстие, соответствующее величине наружного диаметра открытого торца камеры сгорания, а во втором торце второй полости емкости для нагреваемого теплоносителя выполнено отверстие, соответствующее величине наружного диаметра первой полости, полость устройства подвода воздуха выполнена с одним закрытым торцом, при этом открытым торцом эта полость соединена со вторым ресивером, первая полость емкости для нагреваемого теплоносителя установлена соответственно в первой полости устройства отвода продуктов сгорания, причем открытый торец камеры сгорания помещен в промежутке между вторым торцом первой полости емкости для нагреваемого теплоносителя и закрытым торцом первой полости устройства для отвода продуктов сгорания.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что камера сгорания выполнена с возможностью установки в ней труб, соединенных, например, с первой полостью емкости для нагреваемого теплоносителя.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что трубы установлены под углами к, например, вертикальной плоскости, но перпендикулярно продольной оси камеры сгорания, при этом в камере установлено 1-10 труб.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что на внутренней поверхности камеры сгорания установлены турбулизирующие шайбы.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что смесительное устройство выполнено в виде двух коаксиально установленных цилиндров, при этом на внутреннем цилиндре выполнены дозаторные отверстия, ось этого цилиндра совпадает с осью камеры сгорания и он первым торцом закреплен на закрытом торце камеры сгорания, отверстие в котором размещено на продольной оси этого цилиндра, а со стороны второго торца внутреннего цилиндра установлен второй обратный клапан, при этом наружный цилиндр своими первым и вторым торцами соответственно закреплен на закрытом торце камеры сгорания и наружной поверхности внутреннего цилиндра и своей частью со стороны второго торца через отверстие в первом торце первой полости емкости для нагреваемого теплоносителя помещен во второй ресивер, при этом полость между внутренним и наружным цилиндрами через первый обратный клапан соединена с первым ресивером, к которому подсоединено устройство подвода топлива, выполненное в виде, например, трубопровода.

6. Система по п.1 или 5, отличающаяся тем, что первый ресивер выполнен в виде полого цилиндра с закрытыми торцами и с отверстиями для подвода соответственно в этот ресивер и вывода оттуда в смесительное устройство топлива, например газа.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что второй ресивер выполнен в виде цилиндрической полости с одним закрытым торцом, открытым торцом соединенной с полостью устройства подвода воздуха.

8. Система по п.5, отличающаяся тем, что на внутреннем цилиндре смесительного устройства выполнено 5-100 дозаторных отверстий.

9. Система по п.5 или 8, отличающаяся тем, что дозаторные отверстия расположены на поверхности соответствующего цилиндра опоясывающими рядами.

10. Система по п.9, отличающаяся тем, что в одном ряду выполнено 5-25 дозаторных отверстий, причем расстояние между центрами соседних отверстий не менее двух диаметров дозаторного отверстия.

11. Система по п.5, 8-10, отличающаяся тем, что величина дозаторных отверстий получена из условия S*=NK, где S* - суммарная площадь дозаторных отверстий системы; N=1/b - размерный коэффициент (кв см/кВт), причем величина b зависит от вида топлива, например, для метана b=(50-60), а для пропана b= (100-120); К - мощность системы пульсирующего горения в кВт.

12. Система по п.1, отличающаяся тем, что параметры устройств, обеспечивающих функционирование в режиме пульсирующего горения, выбраны из условий L= (3-15)D, где L - длина внутренней полости камеры сгорания, a D - величина диаметра этой полости; D*= (0,1-0,6)D и 2,5D<L*<25D*, где D* и L*- соответственно внутренний диаметр и длина внутреннего цилиндра смесительного устройства; h>0,25D, D'= (10-15)h и L'=(1-10)L, где h - расстояние между закрытым торцом первой полости устройства вывода продуктов горения и вторым торцом первой полости емкости для нагреваемого теплоносителя; D' - внутренний диаметр первой полости устройства вывода продуктов горения, а L' - длина этой полости; причем эти параметры должны удовлетворять соотношению V= (3-30)V, где V - объем камеры сгорания, а V - объем полости между этими торцами, при этом S'=(0,01-0,5)S, где S'-площадь кольцевого сечения полости устройства вывода продуктов горения в охватывающей камеру сгорания части, а S - площадь поперечного сечения камеры сгорания.

13. Система по п.1 или 5, отличающаяся тем, что обратный клапан выполнен в виде пластины или полого цилиндра со щелевидной прорезью или с рядом отверстий с центрами, расположенными на одной прямой, выполненных на плоскости пластины или соответственно на поверхности цилиндра вдоль его образующей, причем над этой прорезью или соответственно рядом отверстий с зазором установлена неподвижно закрепленная планка, при этом в зазоре с возможностью перемещения от пластины или, соответственно, цилиндра к неподвижно закрепленной планке и, соответственно, обратно помещена мембрана, выполненная в виде пластинки, длина и ширина которой выбраны из условия возможности полного перекрытия с ее помощью прорези или, соответственно ряда отверстий.

14. Система по п.1 или 13, отличающаяся тем, что в обратном клапане на одной пластине или соответственно на одном цилиндре выполнено (1-50) прорезей или рядов отверстий и установлено по (1-50) соответствующих планок и мембран, причем в этом клапане (1-10) таких пластин, или цилиндров, или их сочетания.

15. Система по п.1, отличающаяся тем, что устройство контроля продувки и горения выполнено в виде, например, логического элемента И, первым через элемент задержки и вторым входами соединенного с выходами соответственно первого и второго датчиков, а соответствующими выходами подключенного к соответствующим устройствам системы, например, первым выходом к запальному устройству.

16. Система по п. 1 или 15, отличающаяся тем, что датчик устройства контроля продувки содержит геркон, а также установленную с возможностью поворота пластину с закрепленными на ней постоянным магнитом и грузиком.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9

QB4A Регистрация лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Бондаренко Михаил Иванович, Поляков Михаил Израильевич

Вид лицензии*: НИЛ

Лицензиат(ы): Общество с ограниченной ответственностью "ЕвроСтрой Инжиниринг"

Договор № РД0028228 зарегистрирован 25.10.2007

Извещение опубликовано: 10.12.2007        БИ: 34/2007

* ИЛ - исключительная лицензия        НИЛ - неисключительная лицензия