устройство для пульсирующей подачи воздушного потока с регулируемой амплитудно-частотной характеристикой (варианты)

Формула изобретения

1. Устройство для пульсирующей подачи воздушного потока с регулируемой амплитудно-частотной характеристикой, содержащее дутьевой вентилятор, трубопровод для прохождения воздушного потока, шибер, отличающееся тем, что после шибера установлен электромеханический генератор, имеющий корпус с каналом для прохождения воздушного потока неодинаковым по размерам в двух взаимно перпендикулярных направлениях в сечении, перпендикулярном направлению воздушного потока, в канале вдоль малого размера сечения параллельно друг другу на подшипниках, закрепленных в корпусе электромеханического генератора, установлены две оси с закрепленными на них заслонками по форме в поперечном сечении, близкой к эллипсоидальной, с эксцентриситетом около единицы и поперечным размером менее половины максимального поперечного размера канала, на внешней стороне корпуса канала обе оси между собой объединены синхронизирующим двухшестеренчатым редуктором с одинаковыми шестернями, на внешней стороне корпуса редуктора установлен для вращения одной из осей электродвигатель с системой управления его частотой вращения.

2. Устройство для пульсирующей подачи воздушного потока с регулируемой амплитудно-частотной характеристикой, содержащее дутьевой вентилятор, трубопровод для прохождения воздушного потока, шибер, отличающееся тем, что после шибера установлен электромеханический генератор, имеющий корпус с каналом для прохождения воздушного потока с симметричным сечением, перпендикулярным направлению воздушного потока, в канале на подшипниках, закрепленных в корпусе электромеханического генератора, установлена одна ось с закрепленной на ней заслонкой, на внешней стороне корпуса электромеханического генератора установлен для вращения одной заслонки электродвигатель с системой управления его частотой вращения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для улучшения горения любого вида топлива практически независимо от типа топочной и горелочной систем.

Существует аналог, который реализует за счет пульсирующей подачи части воздушного потока, необходимого для горения топлива в специальной камере сгорания, вибрационного горения (См. авт. свид. СССР N 653520 от 31.07.78 г. , МКИ F 23 R 3/04). Для этого перед форсунками установлен дополнительный трубопровод подачи воздушного потока с коллекторами, расположенными симметрично относительно оси камеры и снабженными соплами, обращенными к форсункам. Пульсирующая подача воздушного потока по указанному трубопроводу осуществляется импульсно органом управления по команде от датчиков, фиксирующих пульсацию и давление в камере сгорания.

К недостаткам приведенного аналога можно отнести:

- сложность реализации принятого способа пульсирующей подачи воздушного потока и организации в камере сгорания вибрационного горения в существующих топочных и горелочных системах;

- отсутствие возможности реализации поля амплитудно-частотных характеристик вибрационного горения с целью выбора наилучших в зависимости от режима работы топочного и горелочного устройств, типа сжигаемого топлива, способа сжигания и т.д.;

- отсутствие надежности в работе дополнительной подачи воздушного потока в пульсирующем режиме.

Наиболее близким устройством по принципу организации воздушного потока и подачи его к форсуночным и горелочным устройствам топочных систем, а также по входящим в него элементам, которое может быть принято за прототип, несмотря на отсутствие режима пульсирующей подачи воздушного потока, является устройство подачи воздушного потока в существующих топочных система (см. "Паровые котлы средней и малой мощности", издательство "Энергия", 1966 г.) и конкретно устройство подачи воздушного потока в водогрейном котле типа ДКВР (см. "Сжигание газов в топках котлов и печей и обслуживание газового хозяйства предприятий", издательство "Недра", Ленинградское отделение, 1980 г.).

Устройство, принятое за прототип, состоит из дутьевого вентилятора, трубопровода для воздушного потока и шибера.

Недостатком устройства, принятого за прототип, является отсутствие пульсирующей подачи воздушного потока с целью организации режима вибрационного горения, позволяющего улучшить горение топлива, а именно уменьшить физический и химический недожог и коэффициент стехиометрии.

Целью предлагаемого изобретения является:

- реализация в существующих топочных и горелочных системах в их устройстве воздушного потока дополнительного элемента, позволяющего организовать пульсирующий воздушный поток с регулируемой амплитудно-частотной характеристикой и в результате этого получить в камере сгорания регулируемое вибрационное горение;

- реализация регулируемого вибрационного горения в существующих топочных и горелочных устройствах без нарушения принятых на них способах перемешивания топлива с воздухом;

- за счет регулируемого вибрационного горения усилить качество смешения топлива с воздухом по всей длине факела особенно при гетерогенном горении.

Указанная цель достигается тем, что известное устройство, содержащее дутьевой вентилятор, трубопровод для прохождения воздушного потока, шибер, с целью реализации пульсирующей подачи воздушного потока с регулируемой амплитудно-частотной характеристикой после шибера дополнено электрическим генератором имеющим корпус с каналом для прохождения воздушного потока неодинаковым по размерам в двух взаимно перпендикулярных направлениях в сечении, перпендикулярном направлению воздушного потока, в канале вдоль малого размера сечения параллельно друг другу на подшипниках, закрепленных в корпусе электромеханического генератора, установлены две оси с закрепленными на них заслонками по форме в поперечном сечении, близкой к эллипсоидальной, с эксцентриситетом около единицы и поперечным размером менее половины максимального поперечного размера канала, на внешней стороне корпуса канала обе оси между собой объединены синхронизирующим двухшестеренным редуктором с одинаковыми шестернями, на внешней стороне корпуса редуктора установлен для вращения одной из осей электродвигатель с системой управления его частотой вращения.

Для слабых воздушных потоков известное устройство дополнено электромеханическим генератором, имеющим корпус с каналом для прохождения воздушного потока с симметричным сечением, перпендикулярным направлению воздушного потока, в канале на подшипниках, закрепленных в корпусе электромеханического генератора, установлена одна ось с закрепленной на ней заслонкой, на внешней стороне корпуса электромеханического генератора установлен электродвигатель с системой управления его частотой вращения.

На фиг. 1 схематично показана топочная система с устройством для пульсирующей подачи воздушного потока большой мощности с регулируемой амплитудно-частотной характеристикой, которая состоит из дутьевого вентилятора 1, трубопровода для воздушного потока 2, шибера 3, электромеханического генератора 4, трубопровода для подачи топлива 5, форсуночного или горелочного устройства 6, корпуса котла 7, зоны горения 8, теплообменника 9, трубопровода для потока уходящих газов 10, вытяжного вентилятора 11.

На фиг. 2 схематично показан электромеханический генератор для воздушного потока большой мощности, с помощью которого реализуется пульсирующая подача воздушного потока с регулируемой амплитудно-частотной характеристикой. Он состоит из корпуса 12, канала 13 для прохождения воздушного потока, подшипников 14, двух валов 15, двух заслонок 16, соединительной муфты 17, электродвигателя 18, системы управления частотой вращения двигателя 19, синхронизирующего редуктора с двумя одинаковыми шестернями 20.

Пульсирующая подача воздушного потока (см. фиг. 1) с регулируемой амплитудно-частотной характеристикой создается следующим образом; дутьевой вентилятор 1 создает непрерывный воздушный поток, который по трубопроводу 2 через шибер 3, регулирующий количество проходящего воздуха, направляется в электромеханический генератор 4, в котором за счет вращающихся заслонок происходит частичное перекрытие воздушного потока, который дальше направляется по трубопроводу на форсуночные или горелочные 6 устройства топочной или горелочной систем. Перекрытие воздушного потока заслонками происходит с частотой вращения электродвигателя. Регулировка частоты вращения электродвигателя проводится с помощью системы управления 19 (см. фиг. 2). Суммарная площадь заслонок, которые являются сменными, составляет определенный процент от площади поперечного сечения канала для прохождения воздушного потока в электромеханическом генераторе и выбирается из условия отсутствия отрыва или проскока факела горения от устья горелочного устройства. В целях самопроизвольной установки заслонки по направлению воздушного потока в случае остановки электродвигателя она в сечении, перпендикулярном оси вращения, имеет форму, близкую к эллипсу, с эксцентриситетом, близким к единице. Две заслонки в одном электромеханическом генераторе используются только с целью уменьшения потребной мощности электродвигателя, т.к. при такой схеме для вращения заслонок удается эффективно использовать энергию набегающего воздушного потока, который за счет неодинакового размера сечения воздушного канала в корпусе электромеханического генератора в основном из основного трубопровода направляется в среднюю часть канала и тем самым давит в основном на ту полуплоскость заслонок, которая движется по ходу набегающего воздушного потока. Одновременное перекрытие и открытие обеими заслонками сечения канала 13 электромеханического генератора осуществляется с помощью синхронизирующего двухшестеренчатого редуктора, который к тому же реализует вращение заслонок в разном направлении, что позволяет использовать энергию набегающего воздушного потока для вращения обеих заслонок. Как показывают расчеты и результаты физического моделирования, предлагаемая схема электромеханического генератора с двумя заслонками позволяет уменьшить габариты и не менее чем в 5 - 6 раз уменьшить потребную мощность электродвигателя по отношению к электромеханическому генератору с одной заслонкой. Так, например, для водогрейного котла типа ДКВР, устройство подачи воздушного потока которого принято за прототип, электродвигатель электромеханического генератора имеет мощность около 1 кВт при мощности дутьевого вентилятора 30 кВт.

На фиг. 3 схематично показана топочная система с устройством для пульсирующей подачи воздушного потока малой мощности с регулируемой амплитудно-частотной характеристикой, которая состоит из дутьевого вентилятора 1, трубопровода для воздушного потока 2, шибера 3, электромеханического генератора 4, трубопровода для подачи топлива 5, форсуночного или горелочного устройства 6, корпуса котла 7, зоны горения 8, теплообменника 9, трубопровода для потока уходящих газов 10, вытяжного вентилятора 11.

На фиг. 4 схематично показан электромеханический генератор для воздушного потока малой мощности, с помощью которого реализуется пульсирующая подача воздушного потока с регулируемой амплитудно-частотной характеристикой. Он состоит из корпуса 12, канала 13 для прохождения воздушного потока, подшипников 14, вала 15, заслонки 16, соединительной муфты 17, электродвигателя 18, системы управления частотой вращения двигателя 19.

Пульсирующая подача воздушного потока (см. фиг. 3) с регулируемой амплитудно-частотной характеристикой создается следующим образом: дутьевой вентилятор 1 создает непрерывный воздушный поток, который по трубопроводу 2 через шибер 3, регулирующий количество проходящего воздуха, направляется в электромеханический генератор 4, в котором за счет вращающейся заслонки происходит частичное перекрытие воздушного потока, который дальше направляется по трубопроводу на форсуночные или горелочные 6 устройства топочной или горелочной систем. Перекрытие воздушного потока заслонкой происходит с частотой вращения электродвигателя. Регулировка частоты вращения электродвигателя проводится с помощью системы управления 19 (см. фиг. 4). Площадь заслонки, которая является сменной, составляет определенный процент от площади поперечного сечения канала для прохождения воздушного потока в электромеханическом генераторе и выбирается из условия отсутствия отрыва или проскока факела горения от устья горелочного устройства.

Таким образом, амплитудно-частотная характеристика пульсирующего потока воздуха и доля воздушного потока, которая вовлекается в пульсирующий режим, зависит от положения заслонки шибера, суммарной площади заслонок (или заслонки) электромеханического генератора и частоты вращения электродвигателя. Изменяя (регулируя) эти параметры, можно получить целое поле амплитудно-частотных характеристик пульсирующего потока воздуха и в конечном итоге соответствующее ему поле характеристик вибрационного горения топлива в зоне горения.

Результат физического моделирования горения различных топлив с использованием предлагаемого изобретения показали, что его использование резко уменьшает физический и химический недожог и коэффициент стехиометрии, что связано с существенным улучшением смешения топлива с окислителем воздуха как внутри форсуночных и горелочных устройств, так и внутри камеры сгорания. Коме того, резко усиливается сгорание частичек топлива в режиме гетерогенного горения на всю глубину факела за счет теплопередачи между плазмой и внутренним объемом частицы, что характеризует в данном конкретном случае усиление степени турбулизации потока плазмы на всю глубину факела, увеличение числа Рейнольдса, характеризующего по теории подобия степень турбулизации потока и указывающем при своем увеличении на увеличение коэффициента теплопередачи как от плазмы к частице топлива, так и от плазмы и уходящих газов к теплоносителю топочной системы при конвективном обмене.