Способ и устройство для сжигания топлив

Изобретение предназначено для сжигания преимущественно жидких, в том числе вязких, загрязненных топлив широкого фракционного состава в бытовых печах и промышленных топках. Способ состоит в том, что топливо смешивают с первичным воздухом, образуют обогащенную горючую смесь, сжигают ее с получением восстановительных продуктов неполного сгорания, а вторичный воздух подают к продуктам неполного сгорания в виде наклонных к направлению потока струй, которые закручивают вокруг своих осей, образуют в зоне горения спиральные воздушные вихревые шнуры и дожигают в них восстановительные продукты сгорания, а также образуют в зоне горения скрещенные воздушные вихри, закрученные в противоположные стороны вокруг своих осей, разделяют часть закрученных вихревых шнуров незакрученными вокруг своих осей струями воздуха, а при сжигании малолетучих топлив к зоне смешения топлива и воздуха подают газообразную горючую смесь в виде системы скрещенных, закрученных вокруг своих осей струй горючего газа и воздуха. Устройство содержит топливоподающий узел, смеситель первичного воздуха с топливом и камеру сгорания со щелевыми каналами с установленными в них, по меньшей мере, двумя гофрированными соприкасающимися боковыми сторонами проставками с наклонными гофрами, направление наклона которых у смежных проставок выполнено противоположным и образует скрещенные каналы, причем камера сгорания выполнена в виде набора гофрированных проставок с противоположно наклонными гофрами, состыкованными внахлестку, а входная сторона части гофрированных проставок снабжена автономным коллектором, изолированным от воздушной полости. Изобретение позволяет обеспечить полноту сгорания, равномерность температурного поля и снижение токсичности продуктов сгорания. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 11 ил.

 

Изобретение относится к теплотехнике и предназначено для сжигания преимущественно жидких, в том числе вязких, загрязненных топлив широкого фракционного состава в бытовых печах и промышленных топках.

Известны способы сжигания жидких топлив путем их распыливания в потоке окислителя и стабилизации пламени на обратных токах, а также реализующие их камеры сгорания, содержащие топливную форсунку, установленную соосно завихрителю и размещенную в камере сгорания с выполненными в ее стенках отверстиями для подачи вторичного воздуха [1].

Это техническое решение широко применяется в теплоэнергетике и обеспечивает высокую полноту и эффективность сгорания. Его недостатком является неравномерность температурного поля, вызванная крупномасштабной турбулентностью при стабилизации на обратных токах и повышенное выделение токсичных вещества в пламени ввиду неравномерности состава горючей смеси.

Наиболее близким является способ сжигания топлив, состоящий в том, что топливо смешивают с первичным воздухом, образуют обогащенную горючую смесь, сжигают ее с получением восстановительных продуктов неполного сгорания, которые дожигают во введенных в зону горения закрученных в противоположные стороны наклонных к оси потока струях вторичного воздуха, образующих закрученные потоки продуктов сгорания [2]. Этот способ обеспечивает существенную интенсификацию смесеобразования. Выбираем его за прототип предложенного способа.

В части устройства наиболее близким техническим решением является устройство для сжигания топлива, содержащее топливоподающий узел, подключенный к смесителю первичного воздуха с топливом, которые установлены в камере сгорания с выполненными в ней рядами щелевыми каналами для подвода вторичного воздуха в зону горения и гофрами [3].

Недостатками известного способа [2] является неравномерность состава горючей смеси, что обуславливает неоднородность температурного поля и выделение токсичных веществ, таких как СО, продуктов химического недожога, а также окислов азота при сжигании локально обедненных горючих смесей.

Недостатками известного устройства [3] является низкая эффективность смешения компонентов горючей смеси, повышенная металлоемкость камеры сгорания.

Целью изобретения является повышение эффективности и снижение токсичности сгорания.

Эта цель в предложенном способе и осуществляющем его устройстве обеспечивается тем, что топливо смешивают с первичным воздухом, образуют обогащенную горючую смесь, сжигают ее с получением восстановительных продуктов неполного сгорания, которые дожигают во вводимых в зону наклоненных к оси потока струях вторичного воздуха, образующих закрученные потоки продуктов сгорания, струи смежных закрученных потоков дополнительно закручивают вокруг осей струй с образованием рядов скрещенных между собой вихревых шнуров, при этом ввод каждой периферийной пары противоположно закрученных воздушных потоков осуществляют ниже по потоку по отношению к центральным потокам.

Кроме того, образованные в зоне горения чередующиеся вихревые шнуры закручивают в противоположных направлениях вокруг своих осей, часть закрученных вихревых шнуров разделяют незакрученными вокруг своих осей спиральными струями воздуха, а к зоне смешения основного топлива и воздуха подают газообразную горючую смесь в виде системы скрещенных, закрученных вокруг своих осей струй горючего газа и воздуха.

В предложенном устройстве эта цель обеспечивается тем, что при его выполнении, включающем топливоподающий узел, подключенный к смесителю первичного воздуха с топливом, которые установлены в камере сгорания с выполненными в ней рядами щелевыми каналами для подачи вторичного воздуха и гофрами, в щелевых каналах установлены по меньшей мере две соприкасающиеся гофрированные проставки с наклонными гофрами, причем направление гофр у смежных проставок выполнено противоположным и образует скрещенные каналы. Кроме того, входная сторона части гофрированных проставок снабжена автономными коллекторами, изолированными от воздушной полости.

На фиг.1 представлен схематический продольный разрез примера предложенного устройства при выполнении его камеры сгорания кольцевой и использовании пористого фитиля в системе его питания в качестве топливоподающего узла, на фиг.2, 3 - места М и Н в увеличенном масштабе, на фиг.4 - сечение по Б-Б фиг.1, на фиг.5 - сечение по В-В фиг.1, на фиг.6 - сечение по А-А фиг.1, на фиг.7 - разрез по Г-Г фиг.6, схема течения воздуха и образования вихревых шнуров, на фиг.8 - продольный разрез фрагмента камеры сгорания при выполнении ее стенки из состыкованных внахлестку гофрированных проставок и установке автономного коллектора, на фиг.9 - фрагмент стенки камеры сгорания из гофрированных керамических проставок, на фиг.10 - вид по стрелке Д фиг.7, на фиг.11 - вариант выполнения предложенного устройства с барботажным смесителем.

Способ сжигания топлив состоит в том, что топливо смешивают с первичным воздухом, образуют обогащенную горючую смесь и сжигают ее с получением восстановительных продуктов неполного сгорания. Далее в поток восстановительных продуктов сгорания вводят ряды противоположно наклонных к оси потока струй вторичного воздуха, которые образуют противоположно закрученные потоки горючей смеси вторичного воздуха с восстановительными продуктами сгорания. Смежные воздушные струи, закрученные в противоположные стороны относительно оси потока, дополнительно закручивают вокруг осей самих струй и образуют таким образом ряды скрещенных между собой вихревых шнуров, периферийный ряд ниже по потоку по отношению к центральным. Закрутку каждого из вихревых шнуров можно осуществлять в том же направлении, что и соседних, но для повышения дальнобойности и уменьшения их диссипации в зоне сгорания соседние вихревые шнуры закручивают в противоположных направлениях, в силу чего они образуют т.н. "парные вихри". Также для повышения дальнобойности вихревых шнуров разделяют соседние вихревые шнуры незакрученными вокруг своих осей струями вторичного воздуха. При этом уровень турбулентности в зоне смесеобразования повышается на 50-70%, что интенсифицирует тепломассоперенос в зоне смесеобразования и приводит к увеличению скорости дожигания продуктов неполного сгорания во вторичном воздухе. Для интенсификации горения малолетучих топлив к зоне смешения основного топлива с воздухом подают горючую смесь в виде системы скрещенных, закрученных вокруг своих осей струй горючего газа, например метана, и воздуха, образующего дежурный факел горения.

Вариант устройства на фиг.1 содержит топливоподающий узел 1 в виде кольцевого корпуса 2, снабженного коллектором 3, соединенным с корпусом с отверстиями 4, а трубопроводом 5 с дозатором 6. В корпусе 2 плотно установлен пористый фитиль 7, а также образован коллектор 8, соединенный патрубком 9 с источником сжатого газа или воздуха. К корпусу 2 присоединена камера сгорания 10 в виде набора металлических колец 11 и 12 с отверстиями 13, присоединенных одно к другому, например точечной электросваркой с помощью примыкающих друг к другу боковыми сторонами гофрированных проставок 14 и 15 с косыми гофрами 16 и 17, угол наклона которых у примыкающих одна к другой гофрированных проставок выполнен противоположным (например, с правой навивкой и левой навивкой гофров). Верхнее кольцо 11 герметично соединено с кожухом 18, имеющим патрубок 19 для подачи в него воздуха под небольшим избыточным давлением. К центральной части 20 камеры сгорания 10 может быть присоединен огнеупорный рассекатель 21. Дозатор может быть любого известного типа, например поплавковым, и должен быть снабжен средствами регулирования уровня топлива в корпусе 2, например установлен относительно него с возможностью вертикального перемещения.

Нижние кольца 11 и 12 с отверстиями 13 образуют вместе с фитилем 7 смеситель 22 первичного воздуха с топливом. Проставки 14 и 15 с правыми 16 и левыми 17 гофрами при их сочленении боковыми поверхностями образуют скрещенные каналы 23 и 24, а со стенками 11 и 12 наклонные, завихривающие "правые" и "левые" каналы 25 и 26 (фиг.1, 2, 4). В сочленениях колец 11 и 12 друг с другом могут быть установлены три и более чередующихся гофрированных проставок 14 и 15 и "правыми" и "левыми" гофрами (фиг.1, 3, 5).

Предложенное выполнение устройства предусматривает не только кольцевую форму камеры сгорания 1. Она может быть также выполнена плоскофакельной, круглой или иной формы, в зависимости от потребной формы нагреваемой поверхности (фиг.8-11). Стенки 10 и 20 камеры сгорания также могут быть различных конфигураций, в зависимости от рода сжигаемого топлива, теплонапряженности, потребной температуры продуктов сгорания. Так элементы 11 и 12 камеры 10 могут быть цилиндрическими, коническими (фиг.5, 7), различные ярусы иметь различный наклон к оси и различную проницаемость и площадь проходного сечения, внутренняя полость 27 камеры 10 - иметь форкамеру при сжигании низкосортных топлив (фиг.11).

В частности, "левые" и "правые" гофрированные проставки 14 и 15 при их выполнении коническими или плоскими могут быть соединены "внахлестку" и образовывать проницаемый для воздуха участок стенки камеры сгорания 10. При этом они могут быть подсоединены только друг к другу и образовывать однородный участок (фиг.11), а могут быть разделены периодически установленными гладкими, не гофрированными участками 12 (фиг.8). Входные части гофрированных проставок 14 и 15 могут при этом быть снабжены автономными коллекторами 28 с патрубком 29 для подачи в него дополнительного газообразного рабочего тела, например сбросного горючего газа (фиг.8, 11). Коллектор 28 может быть установлен у смесителя 22 топлива и первичного воздуха для прогрева малолетучего топлива и его испарения. Он может быть также развит по поверхности камеры сгорания и образовывать испаритель, в который можно подавать легко испаряемое топливо.

Гофрированные проставки 14 и 15 могут быть выполнены из огнестойкой керамики, например, в виде колец (фиг.9, 10) с отформованными в них спиральными каналами 24, 25 и 26, завитыми в противоположных направлениях. Угол наклона образующей этих колец 14 и 15 может быть различным от яруса к ярусу, изменяясь от 90° к 0° к оси камеры сгорания.

Топливоподводящий узел 1 может быть выполнен любым известным образом в зависимости от рода используемого топлива, удельной расходонапряженности и назначения устройства.

В случае применения относительно легких топлив (керосин, соляровое масло, газойль) может быть для бытовых топок применен испарительный фитиль 7 в корпусе 1, в случае промышленных топок могут быть использованы стандартные центробежные форсунки для топлива и завихрители воздушного потока для первичного воздуха. Для более тяжелых, но чистых топлив типа печного топлива можно использовать пористый фитиль с дополнительным подводом распыливающего газа (фиг.1). Для вязких топлив типа мазута целесообразно применение барботажного смесеобразования (фиг.11). Смеситель 22 при этом содержит корпус 1 с расположенным вблизи его дна перфорированным коллектором 8, подсоединенным трубкой 9 с источником сжатого воздуха.

Предложенное устройство работает следующим образом.

При сжигании легкого топлива типа керосина (фиг.1) оно подается через дозатор 6 в коллектор 3 и через отверстие 4 заполняет корпус 2, смачивая пористый фитиль 7. Пусковая горелка, например газовый коллектор 28 (фиг.8) с гофрированными проставками 14 и 15, прогревает фитиль 7 и воспламеняет испаряющееся топливо, которое частично сгорает в поступающих через отверстия 13 в смеситель 22 струях воздуха, а частично испаряется и поступает вместе с продуктами неполного сгорания в полость 27 камеры сгорания 10, куда поступает вторичный воздух из кожуха 18 через ряды отверстий 13 в кольцах 11 и 12 и через каналы 23-26 в гофрированных проставках 14 и 15. При этом воздух в каналах 25 и 26, образованных гофрами 16 и 17 проставок 14 и 15 и гладкими стенками колец 11 и 12, истекает в виде наклонных к оси спиральных струй. Что касается воздуха в каналах 23 и 24, то каждая из струек, движущаяся по каналам 24, закручивается вокруг своих осей струями воздуха, движущимися по каналам 23 (см. фиг.6), и соответственно каждая струйка в каналах 23 будет закручена струями в каналах 24 (фиг.6, 7), и из выходных кромок каналов 23 и 24 гофрированных проставок 14 и 15 будут истекать семейства наклонных к оси камеры скрещенных вихревых шнуров, имеющих одинаковое направление закрутки вокруг своих осей и противоположное - относительно оси камеры сгорания (в случае ее выполнения в виде тела вращения - фиг.7).

Эти вихревые шнуры интенсивно перемешивают обогащенные продукты неполного сгорания топлива с вторичным воздухом и дожигают их в нем. Различные проходные сечения каналов и соответственно их формы позволяют локализовать дожигание в центре полости 27 или, напротив, рассредоточить его по всему ее объему. В случае установки трех и более гофрированных проставок 14 и 15 между кольцами 25 и 26 образуются гладкие струи, а в каналах 23 и 24 внутреннего кольца и образуются вихревые шнуры, закрученные в одну сторону вокруг оси камеры и в противоположные стороны вокруг осей, образуя так называемые парные вихри. Такие вихри не диссипируют в пространстве значительно дольше, чем одиночные и целесообразны в достаточно длинных и мощных горелках.

В случае подачи топлива за счет его испарения достаточен воздух, подаваемый самотеком за счет естественной тяги. Если используется принудительная подача топлива через форсунку, необходима принудительная подача воздуха через патрубок 19 в кожух 18 и возможна автономная подача воздуха к смесителю 22.

В случае применения при испарительной системе подачи более тяжелого, но чистого топлива типа печного сжигание можно интенсифицировать путем подачи сжатого воздуха через патрубок 9 и коллектор 8 для продувания смоченного топливом пористого фитиля 7. При выполнении фитиля анизотропным и плотно установленным в корпусе 2 воздух в фитиле будет распыливать смочившее его топливо на ультра мелкие капли, поступающие для сжигания в смеситель 22. Этим средством можно пользоваться также при розжиге устройства, а в дальнейшем выключать подачу сжатого газа в патрубок 9.

При значительной расходонапряженности устройства и выполнения стенок его камеры сгорания 10 в виде состыкованного внахлестку набора проставок 13 и 14 (фиг.8) совокупность скрещенных в пространстве 27 камеры 10 спиральных струй и вихревых шнуров перемешают и дожгут поступающую из смесителя 22 горючую смесь. При этом, особенно при использовании малолетучих топлив, целесообразно подать через патрубок 29 в коллектор 28 газообразное топливо, которое аналогично воздуху, проходящему через соседние ряды гофрированных проставок 13 и 14, также образуют конгломерат скрещенных вихревых шнуров и спиральных струй. В зависимости от требуемой дальнобойности струй газообразного топлива гофрированные кольца могут быть выполнены согласно вариантам на фиг.2 или 3. Факел горелки газообразного топлива будет прогревать топливоподающий узел 1 и стабилизировать горение. При запуске можно использовать ввод газообразного топлива как пусковую горелку.

При сжигании длительно выгорающих тяжелофракционных топлив целесообразно использовать вариант устройства согласно фиг.9, в котором камера сгорания выполнена из уложенных внахлестку гофрированных проставок (плоских или кольцеобразных), выполненных из огнеупорной керамики. При этом из-за плохой теплопроводности керамики она сильно раскаляется при работе устройства, а текущий по ее каналам 23 и 24 воздух дополнительно подогревается до высокой температуры, что интенсифицирует выгорание в образованных ими скрещенных спиральных шнурах тяжелых фракций топлива.

В случае использования барботажного смесителя 1 (фиг.11) вязкое топливо заполняет ванну на дне корпуса 2, а сжатый воздух, подаваемый через патрубок 9 и перфорированный коллектор 8, поступает в слой топлива в корпусе 1 в виде мелких пузырьков и вспенивает топливо. Топливно-воздушная пена поднимается к отверстиям 13 и гофрированным проставкам смесителя 22, схлопывается там с образованием мелких капель и сгорает в воздушном потоке.

Таким образом, способ и реализующее его устройство применимо для организации сжигания различных видов жидкого топлива в топках различной производительности, в том числе и бытовых горелках, за счет использования при этом стабилизации горения на системе скрещенных вихревых шнуров и чередующихся с ними закрученных струй воздуха. Причем количество выгоревшего в каждом объеме зоны горения топлива, коэффициент избытка окислителя и уровень турбулентности легко управляем соответствующим количеством, дальнобойностью, углом наклона вихревых шнуров к направлению потока продуктов сгорания и соотношением вихревых и безвихревых воздушных потоков в зоне дожигания.

По сравнению с прототипом предложенные способ и устройство обеспечивают эффективное и нетоксичное сжигание широкого класса топлив.

Список информации

1. Сорожук Я.П. Камеры сгорания стационарных газотурбинных и паровых установок. М., 1978, с.112.

2. Авторское свидетельство СССР №626314, кл. F 23 K 1/00, БИ №36, 1978 - прототип.

3. Патент Англии №1312907, кл. F 1 L; 1973 - прототип.

1. Способ сжигания топлив, состоящий в том, что топливо смешивают с первичным воздухом, образуют обогащенную горючую смесь, сжигают ее с получением восстановительных продуктов сгорания, которые дожигают во вводимых в зону горения закрученных в противоположные стороны наклонных к оси потока струях вторичного воздуха, образующих закрученные потоки, отличающийся тем, что струи смежных закрученных потоков дополнительно закручивают вокруг осей струй с образованием рядов скрещенных между собой вихревых шнуров, при этом ввод каждой периферийной пары противоположно закрученных воздушных потоков в зону горения осуществляют ниже по потоку по отношению к центральным.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что образованные в зоне горения чередующиеся вихревые шнуры закручивают в противоположных направлениях вокруг своих осей.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что часть закрученных вихревых шнуров разделяют незакрученными вокруг своих осей наклонными струями воздуха.

4. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что к зоне смешения основного топлива и воздуха подают газообразную горючую смесь в виде системы скрещенных, закрученных вокруг своих осей струй горючего газа и воздуха.

5. Устройство для сжигания топлив, содержащее топливоподающий узел, подключенный к смесителю первичного воздуха с топливом, которые установлены в камере сгорания с выполненными в ней рядами щелевыми каналами для подвода вторичного воздуха и гофрами, отличающееся тем, что в щелевых каналах установлены, по меньшей мере, две соприкасающиеся гофрированные проставки с наклонными гофрами, направление наклона гофр у смежных проставок выполнено противоположным и образует скрещенные каналы.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что входная сторона части пар гофрированных проставок снабжена автономными коллекторами, изолированными от воздушной полости.