Отопитель и испарительная горелка
Изобретение относится к области энергетики. Предлагается отопитель с теплообменником в форме стакана и горелкой испарительного типа, включающей камеру сгорания с цилиндрической стенкой и поперечной стенкой со сквозным выходным отверстием для стабилизации пламени, и коаксиальную жаровую трубу, вставленные в теплообменник с зазором для отвода продуктов сгорания с выхода жаровой трубы вдоль внутренней поверхности теплообменника и наружной поверхности жаровой трубы, приваренной к поперечной стенке камеры сгорания, при этом с внешней стороны жаровой трубы и поперечной стенки камеры сгорания образован кольцевой уступ и внешняя сторона поперечной стенки камеры сгорания расположена поперек потока отводимых продуктов сгорания в зазоре между стенкой теплообменника и жаровой трубой. Изобретение позволяет уменьшить температуру нагрева поперечной стенки со сквозным выходным отверстием и повысить надежность горелки и отопителя. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники
Изобретение относится к используемым на транспортных средствах автономным отопительным приборам с испарительной горелкой.
Предшествующий уровень техники
Известен раскрытый в патенте РФ №2270401 от 20.02.2006 отопитель с теплообменником в форме стакана и горелкой испарительного типа, включающей камеру сгорания с тонкостенными цилиндрической стенкой и поперечной стенкой со сквозным выходным отверстием для стабилизации пламени, и коаксиальную цилиндрической стенке и выходному отверстию в поперечной стенки камеры сгорания жаровую трубу, вставленные в теплообменник с зазором для отвода продуктов сгорания с выхода жаровой трубы вдоль внутренней поверхности теплообменника и наружной поверхности жаровой трубы.
Недостатком этого известного технического решения является то, что часть жаровой трубы и часть камеры сгорания выполнены в виде единой детали (трубы) и перегорожены вставленной в эту деталь поперечной стенкой со сквозным выходным отверстием для стабилизации пламени. Высокотемпературный режим работы поперечной стенки со сквозным выходным отверстием при эксплуатации отопителя приводит к разрушению поперечной стенки, сокращая срок эксплуатации отопителя.
Известен также раскрытый в патенте РФ №2287109 от 10.11.2006 отопитель с теплообменником в форме стакана и горелкой испарительного типа, включающей камеру сгорания с тонкостенными цилиндрической стенкой и поперечной стенкой со сквозным выходным отверстием для стабилизации пламени, и коаксиальную цилиндрической стенке и выходному отверстию в поперечной стенки камеры сгорания жаровую трубу, вставленные в теплообменник с зазором для отвода продуктов сгорания с выхода жаровой трубы вдоль внутренней поверхности теплообменника и наружной поверхности жаровой трубы. Это техническое решение является ближайшим аналогом изобретения.
Недостатком этого известного технического решения является то, что цилиндрическая стенка и поперечная стенка камеры сгорания выполнены в виде единой детали, вставленной в жаровую трубу. Высокотемпературный режим работы поперечной стенки со сквозным выходным отверстием при эксплуатации отопителя также приводит к преждевременному разрушению поперечной стенки и, соответственно, необходимости замены отопителя.
Вместе с тем, известен отопитель, раскрытый в патенте США US 3741166 от 26.06.1973, в котором продукты горения после взаимодействия с теплообменником используются для охлаждения элемента горелки, а именно, форсунки, распыляющей топливо. Однако, в этом техническом решении используется горелка, не являющаяся испарительной горелкой, и конструкция камеры сгорания существенно отличается,
в частности, для стабилизации пламени не используется поперечная стенка камеры сгорания со сквозным выходным отверстием.
Известна раскрытая в патенте США US6027334 от 22.02.2000 испарительная горелка для отопителя, включающая камеру сгорания с тонкостенными цилиндрической стенкой и поперечной стенкой с коаксиальным сквозным выходным отверстием для стабилизации пламени, соединенные друг с другом, и коаксиальную тонкостенную жаровую трубу. Это техническое решение является ближайшим аналогом изобретения.
Недостатком этого известного технического решения является то, что жаровая труба и цилиндрическая стенка камеры сгорания выполнены в виде единой детали (трубы) и перегорожены вставленной в эту деталь поперечной стенкой со сквозным выходным отверстием для стабилизации пламени. Поперечная стенка нагревается сильней остальных элементов в этой конструкции, поскольку преграждает направление распространения продуктов горения, что приводит к преждевременному разрушению поперечной стенки и ограничению времени эксплуатации горелки.
Заявляемое изобретение направлено на устранение недостатков аналогов, указанных выше, для увеличения надежности и продолжительности эксплуатации горелки и отопителя.
Раскрытие изобретения
Технический результат, достигаемый в заявленных изобретениях, заключается в уменьшении температуры нагрева стабилизатора пламени - поперечной стенки со сквозным выходным отверстием и в повышении надежности горелки и отопителя. При этом также увеличивается срок эксплуатации горелки и отопителя.
Указанные технические результаты достигаются в отопителе с теплообменником в форме стакана и горелкой испарительного типа, включающей камеру сгорания с тонкостенными цилиндрической стенкой и поперечной стенкой со сквозным выходным отверстием для стабилизации пламени, и коаксиальную цилиндрической стенке и выходному отверстию в поперечной стенке камеры сгорания жаровую трубу, вставленные в теплообменник с зазором для отвода продуктов сгорания с выхода жаровой трубы вдоль внутренней поверхности теплообменника и наружной поверхности жаровой трубы, приваренной к поперечной стенке камеры сгорания, при этом с внешней стороны жаровой трубы и поперечной стенки камеры сгорания образован кольцевой уступ, и внешняя сторона поперечной стенки камеры сгорания расположена поперек потока отводимых продуктов сгорания в зазоре между стенкой теплообменника и жаровой трубой.
Теплообменник может быть выполнен методом литья под давлением из алюминиевого литейного сплава с кольцеобразным поперечным выступом, направляющим продукты сгорания, отводимые вдоль внутренней поверхности теплообменника на внешнюю сторону поперечной стенки камеры сгорания.
Жаровая труба может быть выполнена из трубной заготовки выбранной толщины и диаметра с кольцеобразным поперечным выступом на внешней поверхности, препятствующим отводу продуктов сгорания вдоль наружной поверхности жаровой трубы.
Кольцеобразный поперечный выступ, выполненный, например, из материала жаровой трубы, может быть установлен на внешней поверхности жаровой трубы и приварен к жаровой трубе.
Взаимное расположение поперечных выступов на внутренней поверхности теплообменника и внешней поверхности жаровой трубы формирует канал для прицельного направления имеющих пониженную температуру продуктов сгорания на поперечную стенку камеры сгорания (стабилизатор пламени) для ее охлаждения.
Поперечная стенка камеры сгорания может быть приварена к цилиндрической стенке камеры сгорания и выполнена из более жаропрочной стали, чем цилиндрическая стенка камеры сгорания и жаровая труба.
Указанные технические результаты достигаются в горелке испарительного типа, предназначенной для установки в теплообменник, выполненный в форме стакана, включающей камеру сгорания с тонкостенными цилиндрической стенкой и поперечной стенкой с коаксиальным сквозным выходным отверстием для стабилизации пламени, соединенные сваркой друг с другом, и коаксиальную тонкостенную жаровую трубу, соединенную сваркой с образованием кольцевого уступа с поперечной стенкой камеры сгорания, выполненной из стали с более высокими показателями жаростойкости и жаропрочности, чем сталь, из которой выполнены цилиндрическая стенка камеры сгорания и жаровая труба.
Поперечная стенка камеры сгорания может быть выполнена в форме круглой пластины со сквозным выходным отверстием для стабилизации пламени и приварена поверхностями с противоположных сторон к торцам цилиндрической стенки камеры сгорания и жаровой трубы.
По периметру поперечной стенки камеры сгорания может быть выполнен кольцеобразный отгиб, вставленный в цилиндрическую стенку камеры сгорания и приваренный к ней.
По периметру края сквозного выходного отверстия поперечной стенки камеры сгорания может быть выполнен кольцеобразный отгиб, вставленный в жаровую трубу и приваренный к ней.
Поперечная стенка камеры сгорания может быть выполнена с первым кольцеобразным отгибом, вставленным в жаровую трубу и приваренным к ней, и вторым отгибом, выполненным по периметру края сквозного выходного отверстия (диаметр которого меньше внутреннего диаметра жаровой трубы).
По периметру поперечной стенки камеры сгорания может быть выполнен первый кольцеобразный отгиб, торец которого состыкован с торцом цилиндрической стенки камеры сгорания, и второй отгиб, выполненный по периметру края сквозного выходного отверстия, состыкованный своим торцом с торцом жаровой трубы и приварен к нему.
Толщины цилиндрической стенки камеры сгорания и стенки стабилизатора пламени могут совпадать и быть больше толщины стенки жаровой трубы.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 и фиг. 2 показана конструкция отопителя с теплообменником и горелкой испарительного типа.
На фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5 показаны варианты соединения сваркой стенок камеры сгорания и поперечной стенки камеры сгорания с жаровой трубой.
Осуществление изобретения
Отопитель, как показано на фиг. 1 и фиг. 2, состоит из теплообменника 1 и испарительной горелки, включающей топочную камеру (камеру сгорания) 2 с цилиндрической стенкой 3 и поперечной стенкой 4 со сквозным выходным отверстием камеры сгорания для стабилизации пламени и жаровую трубу 5. Цилиндрическая стенка 3 выполнена из стали 20Х23Н18. Поперечная стенка 4 выполнена из круглой стальной пластины с отверстием в центре, сталь ХН78, характеризуемой повышенными показателями жаростойкости и жаропрочности, с кольцеобразным отгибом по периметру пластины, приваренную торцом кольцеобразного отгиба к торцу цилиндрической стенки 3, и кольцеобразным отгибом по краю отверстия в центре пластины, приваренную торцом этого кольцеобразного отгиба к торцу стенки жаровой трубы 5, выполненной из стали 20Х23Н18. Толщины стенок камеры сгорания совпадают, а стенка жаровой трубы тоньше в 2 раза.
Внутри топочной камеры 2 расположено сопло 6 с отверстиями в своей цилиндрической стенке для подачи воздуха в топочную камеру. На внутренней стороне стенок камеры расположена испарительная капиллярная структура 7 и выполнена ниша 8 для установки свечи.
С поверхности испарительного элемента, размещенных на торцевой ограничительной стенке, пары горючего поступают непосредственно в топочную камеру. Струи воздуха из отверстий в стенке сопла 6 перемешивают пары горючего с воздухом. При поджиге данной горючей смеси свечой осуществляется интенсивное горение с выделением тепловой энергии большой мощности. Горячие газы выталкиваются в направлении жаровой трубы.
Жаровая труба 5 вместе с цилиндрической стенкой 3 и поперечной стенкой 4 топочной камеры (камеры сгорания) 3 размещена соосно внутри жидкостного теплообменника 1 с образованием зазора между внутренней поверхностью теплообменника 1, выполненного в форме стакана, и внешней поверхностью жаровой трубы 5 для прохода продуктов сгорания. Продукты сгорания выходя из жаровой трубы, разворачиваются дном стакана 1 в указанный зазор. Нагрев внутренней стенки теплообменника приводит к нагреву жидкого теплоносителя, циркулирующего в теплообменнике. Продольные ребра 9 на внутренней поверхности теплообменника 1 образуют каналы интенсивной теплопередачи и тем самым охлаждения продуктов горения.
Важнейшую роль в обеспечении устойчивого горения играет стабилизатор пламени, функция которого состоит в развороте и направлении струй пламени в жаровую трубу, благодаря чему при высоких скоростях истечения паровоздушной смеси не происходит отрыва пламени от среза топочной камеры, что необходимо для устойчивого горения. Стабилизатор расширяет диапазон устойчивого горения, предотвращает отрыв и проскок пламени при различных скоростях потока паровоздушной смеси. Иными словами, за счет стабилизатора достигается равенство скорости перемещения паровоздушной смеси и скорости распространения пламени.
В камере сгорания температура продуктов горения достигает 2000°С, причем поток струй носит импактный характер, т.е. натекает и воздействует на поверхность стабилизатора - поперечной стенки 4 под прямым углом, что приводит к увеличению коэффициента теплообмена в области натекания в 2-4 раза, по сравнению с нагревом поверхности струями по касательной к поверхности (Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1977. - 344 с.). Таким образом, поперечная стенка 4 находится в зоне наиболее высоких температур (более 1000°С) и под воздействием продуктов горения разогревается в рабочем режиме до 900°С. Несмотря на то, что материалом для изготовления стабилизатора пламени служит высоколегированный жаростойкий сплав, интенсивное газовое окисление приводит к потере устойчивости формы стабилизатора и к его разрушению, ограничивая ресурс эксплуатации устройства в целом.
Чтобы избежать перегрева поперечной стенки 4, ее охлаждают, причем отвод тепла пропорционален интенсивности разогрева. Для охлаждения используют обратный поток продуктов сгорания, который после прохождения теплообменника, отдал основную тепловую энергию нагреваемому потоку теплоносителя. Поперечная стенка 4 с жаровой трубой 5 образуют кольцевой уступ, при этом внешняя поверхность поперечной стенки 4 находится под воздействием потока охлажденных продуктов горения.
Для направления большей части потока охлажденных продуктов горения поперечной стенки 4 на внутренней поверхности теплообменника выполнен кольцеобразный поперечный выступ 10, направляющий поток охлажденных продуктов сгорания на внешнюю поверхность поперечной стенки 4. Дополнительно, для направления потока продуктов сгорания на кольцеобразный поперечный выступ 10 и препятствия отвода продуктов сгорания вдоль наружной поверхности жаровой трубы, на внешней поверхности жаровой трубы также сформирован кольцеобразный поперечный выступ 11, выполненный из стального кольцеобразного элемента (сталь 20Х23Н18), приваренного к внешней поверхности жаровой трубы 5
Показанные на фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5 варианты соединения сваркой цилиндрической и поперечной стенок камеры сгорания и поперечной стенки камеры сгорания с жаровой трубой охватывают не все возможные варианта.
На фиг. 3 поперечная стенка камеры сгорания выполнена в форме круглой пластины 12 со сквозным выходным отверстием для стабилизации пламени и приварена с противоположных сторон к торцам цилиндрической стенки камеры сгорания 13 и жаровой трубы 14.
На фиг. 4 по периметру поперечной стенки 15 камеры сгорания выполнен кольцеобразный отгиб, торец которого состыкован с торцом цилиндрической стенки 16 камеры сгорания и приварен к нему, а торец жаровой трубы 17 приварен к поверхности поперечной стенки 15 камеры сгорания.
На фиг. 5 поперечная стенка 18 камеры сгорания выполнена с двумя отгибами в противоположные стороны, при этом первым отгибом 19, выполненным в промежутке между соединением с цилиндрической стенкой 20 камеры сгорания и краем сквозного выходного отверстия, поперечная стенка 18 камеры сгорания совмещена с внутренней поверхностью жаровой трубы 21, а второй отгиб 22 выполнен по периметру края сквозного выходного отверстия, диаметр которого меньше внутреннего диаметра жаровой трубы.
1. Отопитель с теплообменником в форме стакана и горелкой испарительного типа, включающей камеру сгорания с тонкостенными цилиндрической стенкой и поперечной стенкой со сквозным выходным отверстием для стабилизации пламени, и жаровую трубу, вставленные в теплообменник с зазором для отвода продуктов сгорания с выхода жаровой трубы вдоль внутренней поверхности теплообменника и наружной поверхности жаровой трубы, отличающийся тем, что жаровая труба приварена к поперечной стенке камеры сгорания, при этом с внешней стороны жаровой трубы и поперечной стенки камеры сгорания образован кольцевой уступ, и внешняя сторона поперечной стенки камеры сгорания расположена поперек потока отводимых продуктов сгорания в зазоре между стенкой теплообменника и жаровой трубой.
2. Отопитель по п. 1, отличающийся тем, что теплообменник выполнен с кольцеобразным поперечным выступом, направляющим продукты сгорания, отводимые вдоль внутренней поверхности теплообменника на внешнюю сторону поперечной стенки камеры сгорания.
3. Отопитель по п. 1, отличающийся тем, что жаровая труба выполнена с кольцеобразным поперечным выступом, препятствующим отводу продуктов сгорания вдоль наружной поверхности жаровой трубы.
4. Отопитель по п. 1, отличающийся тем, что поперечная стенка камеры сгорания выполнена из более жаропрочной стали, чем цилиндрическая стенка камеры сгорания и жаровая труба.
5. Горелка испарительного типа, включающая камеру сгорания с тонкостенными цилиндрической стенкой и поперечной стенкой с коаксиальным сквозным выходным отверстием для стабилизации пламени, соединенные друг с другом, и коаксиальную тонкостенную жаровую трубу, отличающаяся тем, что жаровая труба соединена сваркой с образованием кольцевого уступа с поперечной стенкой камеры сгорания, выполненной из стали с более высокими показателями жаростойкости и жаропрочности, чем сталь, из которой выполнены цилиндрическая стенка камеры сгорания и жаровая труба.
6. Горелка по п. 5, отличающаяся тем, что поперечная стенка камеры сгорания выполнена в форме круглой пластины со сквозным выходным отверстием для стабилизации пламени и приварена с противоположных сторон к торцам цилиндрической стенки камеры сгорания и жаровой трубы.
7. Горелка по п. 5, отличающаяся тем, что по периметру поперечной стенки камеры сгорания выполнен кольцеобразный отгиб, совмещенный с внутренней поверхностью цилиндрической стенки камеры сгорания.
8. Горелка по п. 5, отличающаяся тем, что по периметру края сквозного выходного отверстия поперечной стенки камеры сгорания выполнен кольцеобразный отгиб, совмещенный с внутренней поверхностью жаровой трубы.
9. Горелка по п. 5, отличающаяся тем, что по периметру поперечной стенки камеры сгорания выполнен первый кольцеобразный отгиб, торец которого состыкован с торцом цилиндрической стенки камеры сгорания и приварен к нему, и второй отгиб, выполненный по периметру края сквозного выходного отверстия, состыкованный своим торцом с торцом жаровой трубы и приваренный к нему.
10. Горелка по п. 5, отличающаяся тем, что поперечная стенка камеры сгорания выполнена с двойным отгибом, при этом первым отгибом, выполненным в промежутке между соединением с цилиндрической стенкой камеры сгорания и краем сквозного выходного отверстия, поперечная стенка камеры сгорания совмещена с внутренней поверхностью жаровой трубы, а второй отгиб выполнен по периметру края сквозного выходного отверстия, диаметр которого меньше внутреннего диаметра жаровой трубы.
11. Горелка по п. 5, отличающаяся тем, что толщины цилиндрической стенки камеры сгорания и стенки стабилизатора пламени совпадают и больше толщины стенки жаровой трубы.
