Способ сжигания топлива и устройство для его осуществления

Изобретение может быть использовано для сжигания топлива, преимущественно жидкого. Способ сжигания топлива заключается в распыливании топлива потоком неозонированного газообразного агента, озонировании и спутной подаче неозонированного агента, смешения и воспламенения смеси, при этом подачу потока озонированного агента на смешение осуществляют нормально к потоку неозонированного в его вихревую полость, образующуюся при расширении потока. Подачу потока неозонированного газообразного агента рассчитывают по формуле

q₂=C₂q₁/C₁, где C₁ - экономичная (оптимальная) концентрация озона после смешения потоков, мг/м³; С₂ - концентрация озона в озонированном агенте, мг/м³; q₁, q₂ - подачи озонированного и неозонированного потоков соответственно, м³/ч. Устройство для сжигания топлива содержит короб, подвижное конфузорно-диффузорное сопло, топливное сопло, кольцевую расширительную камеру и свечи. В расширительной части корпуса конфузорно-диффузорного сопла в области максимального скоростного напора выполнено, по крайней мере, одно сквозное отверстие, сообщенное газоходом с источником озона. Изобретение позволяет повысить эффективность сжигания топлива в озоно-воздушной смеси. 2 н. и 1 з.п.ф-лы, 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к способам и устройствам сжигания топлива, преимущественно жидкого, и может использоваться в теплотехнике, например в теплогенераторах для сельского хозяйства.

Известен способ сжигания топлива, согласно которому воздух озонируют, смешивают с топливом, воздействуют на смесь высоковольтным электрическим полем, воспламеняют и сжигают. При воздействии озоно-воздушной смеси на топливо возрастают температура и скорость горения, что в итоге приводит к снижению расхода топлива и повышению эффективности его сжигания и технологических процессов, в которых используется данный способ.

Известно устройство для его осуществления, содержащее вентилятор, электроозонатор, горелку и высоковольтный трансформатор [1]. Известный способ предполагает предварительное озонирование воздуха перед распылом и сжиганием топлива, что нецелесообразно осуществлять в промышленных устройствах из-за негативного влияния озона на топливную арматуру, например на фотодатчик пламени.

Известен способ сжигания топлива, заключающийся в его распыливании потоком неозонированного воздуха, озонировании другого потока воздуха, смешении потоков и воспламенении смеси, причем подачу озонированного потока на смешение осуществляют спутно потоку неозонированного воздуха с внешней стороны потока. Подготовку озоно-воздушной смеси осуществляют в проточных каналах горелки посредством размещения в них электродов коронного разряда, подключенных к источникам высокого напряжения. Известный способ сжигания топлива по своей технической сущности наиболее близок к заявленному и принят за прототип [2]. Однако он не позволяет генерировать сколько-нибудь существенное количество озона, а спутная подача озоно-воздушной смеси с внешней стороны потока с распыленным топливом ограничивает поступление озона в реагирующий объем смеси, что снижает эффективность способа.

Известно устройство для сжигания топлива, содержащее короб, подвижное конфузорно-диффузорное сопло, топливное сопло, кольцевую расширительную камеру, завихритель и свечи. Это устройство по технической сущности наиболее близко к заявленному и принято за прототип [3]. Это устройство было испытано на озоно-воздушной смеси. Предварительно подготовленную озоно-воздушную смесь нагнетали вентиляторной установкой в подвижное конфузорно-диффузорное сопло, распыляли топливо, подаваемое через топливное сопло, и воспламеняли. При испытаниях установлены утечки озона из неплотностей канала транспортирования и негативное влияние на прокладки топливной арматуры.

Задачей изобретения является повышение эффективности и безопасности сжигания топлива в озоно-воздушной среде.

Поставленные задачи достигаются тем, что в способе сжигания топлива, заключающемся в распыливании топлива потоком неозонированного газообразного агента, озонировании и спутной подаче неозонированного агента, смешения и воспламенении смеси, согласно изобретению, подачу потока озонированного агента на смешение осуществляют нормально к потоку неозонированного в его вихревую полость, образующуюся при расширении потока, кроме того, подачу неозонированного газообразного агента рассчитывают по формуле

q₂=C₂q₁/C₁,

где C₁ - экономичная (оптимальная) концентрация озона после смешения потоков, мг/м³;

C₂ - концентрация озона в озонированном агенте, мг/м³;

q₁, q₂ - подачи озонированного и неозонированного потоков соответственно, м³/ч.

Поставленные задачи достигаются также тем, что в устройстве для сжигания топлива, содержащем короб, подвижное конфузорно-диффузорное сопло, кольцевую расширительную камеру и свечи, согласно изобретению, в расширительной части корпуса конфузорно-диффузорного сопла в области максимального скоростного напора выполнено по крайней мере одно сквозное отверстие, сообщаемое газоходом с источником озона.

Сравнительный анализ признаков прототипа с заявленным показывает, что новым в способе является то, что подачу потока озонированного агента на смешение осуществляют нормально к потоку неозонированного агента в его вихревую полость, кроме того, подачу потока неозонированного газообразного агента рассчитывают по формуле q₂=С₂q₁/C₁.

Новым в устройстве является то, что в расширительной части корпуса конфузорно-диффузорного сопла выполнено, по крайней мере, одно сквозное отверстие в области максимально скоростного напора, сообщенное газоходом с источником озона.

Таким образом, изобретение соответствует критерию "новизна".

Данный способ может быть осуществлен только при указанном конструктивном исполнении, что обеспечивает "единство" изобретения.

Изобретение является "промышленно применимым", так как может использоваться в сельском хозяйстве. Изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень", так как может быть достигнут результат, удовлетворяющий существующую потребность, а именно повышение эффективности и безопасности сжигания топлива.

Изобретение поясняется чертежом.

Оно содержит короб 1, подвижное конфузорно-диффузорное сопло 2, топливное сопло 3, кольцевую расширительную камеру 4, электрозапальные свечи 5, вентилятор 6, патрубок 7, источник 8 озона (озонатор) с автономным вентилятором, заслонку 9 вентилятора 6, измерительное устройство 10, камеру 11 газификации.

Способ осуществляют следующим образом.

Потоком неозонированного воздуха распыляют жидкое топливо, озонируют другой поток воздуха, который подают нормально к неозонированному потоку в его вихревую полость, смесь воспламеняют, причем подача озонированного газообразного агента относительно суммарной подачи прямо пропорциональна отношению концентраций озона в этих потоках.

Устройство работает следующим образом.

Топливо подводят к конфузорно-диффузорному соплу 2 через топливное сопло 3, на выходе из указанного сопла 2 его распыляют воздухом, подаваемым в короб 1 вентилятором 6, при этом топливо перемешивается с озонированным воздухом второго потока. Второй поток воздуха прокачивают через озонатор 8, озоно-воздушную смесь подают в патрубок 7, закрепленный на кольцевой расширительной камере 4, и далее через сквозное отверстие в конфузорно-диффузорного сопла 2 в зону смешения топлива с неозонированным воздухом. Далее горючая смесь поступает в кольцевую расширительную камеру 4, где ее кинетическая энергия частично преобразуется в энергию давления, а скорость снижается, что соответствует стабилизации воспламенения, производимого при помощи свечей 5. В камере 11 газификации происходит окончательное перемешивание горючей смеси с воздухом и ее подогрев до необходимой температуры, которую устанавливают изменением положения заслонки 9 на всасывающем патрубке вентилятора 6. Расход озонированного воздуха замеряют измерительным устройством 10, расход топлива регулируют вентилем 12. Озонатор 8 содержит переключатель режимов работы, в зависимости от настройки можно осуществлять непрерывный, циклический режим подачи озона, а также менять его производительность по озону, расход неозонированного потока замеряют на входе вентилятора 6.

Спутная подача озоно-воздушного потока смеси распыленного топлива с потоком неозонированного воздуха имеет тот недостаток, что замедляется диффузия озона в ядро потока смеси и снижается эффективность сжигания топлива. На выходе потока из диффузорной части сопла 2 наблюдается отрыв потока от стенок сопла с образованием замкнутых и открытых вихревых полостей, которые распространяются вниз по течению струи. Спутный поток озонированного воздуха большей частью обтекает эти полости, в то время как поток озонированного воздуха, поступающего нормально к потоку, распространяется в эти полости и при эжектировании распределяется по всему сечению диффузора сопла 2 и кольцевой расширительной камеры 4.

Более полное смешение озона с распыленным топливом снижает практически до нуля химический недожог даже такого сравнительно низкореакционного жидкого топлива как печное бытовое, при этом возрастает его реакционность, повышается температура уходящих топливных газов и как следствие повышается термический кпд устройства.

Кроме того, в результате повышения реакционности упрощается воспламенение смеси, даже в холодную погоду можно обойтись без подогрева топлива, что повышает безопасность работы. Как показали наши исследования (см. таблицу), экономичная концентрация озона в суммарном потоке составляет 32...48 мг/м³, что близко совпадает с литературными данными, например [1]. При подаче воздуха на сжигание двумя потоками концентрация озона в одном из них должна быть во столько раз выше заданной концентрации, во сколько раз подача этого потока ниже оптимальной концентрации. Концентрацию озона в потоке на выходе озонатора целесообразно поддерживать в пределах 160... 400 мг/м³ в зависимости от производительности устройства по топливу, что обеспечит устойчивое смешение потоков в конфузорно-диффузорном сопле 2 и кольцевой расширительной камере.

При использовании озонатора мощностью 16 г озона в час и подаче 100 м³/ч озоно-воздушной смеси, принимая оптимальную концентрацию озона - 50 мг/м³ и записывая отношение концентраций озона и подач в виде

C₁/C₂=q₁/q₂ и q₂=C₂q₁/C₁,

где C₁ - экономичная (оптимальная) концентрация озона после смешения потоков, мг/м³, C₁≈50 мг/м³;

С₂ - концентрация озона в озонированном агенте, мг/м³, С₂=16·10³/100=160 мг/м³;

q₁, q₂ - подачи озонированного и неозонированного потоков соответственно, м³/ч.

В итоге определим подачу неозонированного потока

q₂=160×100/50=320 м³/ч.

Пример. Были проведены производственные испытания топочного устройства ТАУМ-0,3 и лабораторные исследования по сжиганию жидкого (дизельного) топлива в озоно-воздушной среде и в неозонированной среде. Установлено существенное влияние озона на процессы сжигания топлива (см. таблицу).

Показатели	Производственные испытания	Лабораторные испытания
	Без озонирования	Озонирование по способу прототипа	Без озонирования	Озонирование по заявленному способу
1	2	3	4	5	6	7
Расход топлива, кг/ч	25	16	25,3	16	1,2	1,2
Коэффициент избытка воздуха	1,36	1,4	1,36	1,37	1,3	1,15
1	2	3	4	5	6	7
Состав уходящих газов СО, РРМ	12	23	11	40	-	-
O2, %	5,6	5,0	5,6	5,7	-	-
CO2, %	11,4	11,1	11,4	11,3	-	-
Температура уходящих газов, °С	228	229	237	270	226	252
Расход подогретого воздуха, м3/ч	11500	560
Степень подогрева воздуха, °С	78	93	81	95	75	81
Количество воздуха на горение, м3/ч	380	250	385	250	18	15,5
Концентрация озона в воздухе, мг/м2	-	-	21	32	-	48

Сжигание жидкого топлива по способу прототипа и заявленному способствует увеличению скорости сгорания, а также интенсификации процессов горения, что приводит к увеличению тепловыделения, подтвержденного повышением температуры уходящих газов и большей степенью подогрева теплоносителя. По способу прототипа по сравнению с подачей неонизированного воздуха степень интенсификации процесса составляет 7...8%, а по заявленному 10...12%, также на близкую величину возрастает кпд топки, что подтверждает эффективность способа. При этом отсутствует утечки из топливной арматуры озоно-воздушной смеси и обеспечивается полная безопасность сжигания топлива в озоно-воздушной среде.

Источники информации

1. Толстоухова Т.Н. Совершенствование процесса тепловой обработки кормов в аппаратах периодического действия за счет использования озонированного воздуха, автор дис. на соискание ученой степени к.т.н., Зерноград, 2001, с.11 (прототип).

2. Патент РФ №2200903, кл. F 23 D 5/00, БИ №8, 2003 (прототип).

3. Описание к авт.св. СССР №567017, кл. F 23 D 11/40 (прототип).

1. Способ сжигания топлива, заключающийся в распыливании топлива потоком неозонированного газообразного агента, озонировании и спутной подаче неозонированного агента, смешении и воспламенении смеси, отличающийся тем, что подачу потока озонированного агента на смешение осуществляют нормально к потоку неозонированного в его вихревую полость, образующуюся при расширении потока.

2. Способ согласно п.1, отличающийся тем, что подачу потока неозонированного газообразного агента рассчитывают по формуле

q₂=C₂q₁/C₁,

где C₁ - экономичная (оптимальная) концентрация озона после смешения потоков, мг/м³;

С₂ - концентрация озона в озонированном агенте, мг/м³;

q₁, q₂ - подачи озонированного и неозонированного потоков соответственно, м³/ч.

3. Устройство для сжигания топлива, содержащее короб, подвижное конфузорно-диффузорное сопло, топливное сопло, кольцевую расширительную камеру и свечи, отличающееся тем, что в расширительной части корпуса конфузорно-диффузорного сопла в области максимального скоростного напора выполнено, по крайней мере, одно сквозное отверстие, сообщенное газоходом с источником озона.