горелочное устройство

Формула изобретения

Горелочное устройство, содержащее топочную камеру с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру, с торцевой ограничительной стенкой, на которой размещен торцевой участок испарительной капиллярной структуры, в торцевой ограничительной стенке выполнено центральное отверстие с входящим коаксиально с осью в топочную камеру соплом подачи воздуха, на боковой поверхности которого выполнено не менее двух рядов разнесенных по высоте сопла одинаковых по количеству и симметрично размещенных продольных щелевых отверстий, завихритель потока воздуха, формирователь вихревых потоков, штуцер для установки свечи, жаровую трубу и стабилизатор пламени, отличающееся тем, что дополнительно содержит кольцевую подложку, размещенную между торцевой ограничительной стенкой и торцевым участком испарительной капиллярной структуры, причем по внутреннему диаметру кольцевая подложка газоплотно примыкает к боковой поверхности сопла подачи воздуха, а по внешнему примыкает к цилиндрической ограничительной стенке, между внутренней стороной цилиндрической ограничительной стенки и цилиндрическим участком испарительной капиллярной структуры образован зазор, в теле подложки со стороны, прилегающей к торцевой ограничительной стенке топочной камеры, выполнены не менее двух сквозных каналов от внешней до внутренней торцевой поверхности кольцевой подложки, у внешнего торца в стенке, отделяющей полости каналов от полости, заключенной между внутренней цилиндрической поверхностью топочной камеры и наружной поверхностью цилиндрического участка капиллярной структуры испарительного элемента, выполнены отверстия, соединяющие эти полости, а на боковой поверхности сопла подачи воздуха в области примыкания к каналам в подложке выполнены щелевые отверстия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетики, в частности к горелочным устройствам, и может быть использовано в автомобильной промышленности, а именно для создания независимых предпусковых подогревателей.

Известна испарительная горелка отопителя, патент DE 4003090 C1, фирмы WEBASTO [1], а именно горелка встроенного отопителя автомобиля, работающего на жидком топливе. Между передней стенкой опорной конструкции для корпуса с адсорбирующей поверхностью, к которому подается горючее, и корпусом с адсорбирующей поверхностью расположен делительный диск с отверстиями, причем отверстия равномерно распределены по всей поверхности диска. Такая конструкция позволяет достичь равномерного распределения топлива на основе капиллярного эффекта между опорной конструкцией и делительным диском. Диск выполнен из стали при помощи перфорирования и имеет толщину ~ 0,1 мм.

Данное устройство позволяет улучшить характеристики горения при равномерном распределении горючего и выработанного тепла через корпус с адсорбирующей поверхностью, особенно на начальной стадии.

Недостатком данного устройства является то, что увеличение количества подаваемого топлива и соответствующего количества воздуха приводит к повышению мощности тепловыделения в выхлопных газах, количества непрореагировавших компонентов горючей смеси и сажистых выделений, а следовательно, снижает уровень мощности горелочного устройства.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению, выбранным в качестве прототипа, является горелочное устройство [2], представленное на (фиг.1), содержащее топочную камеру с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру (1), с торцевой ограничительной стенкой (2), в которой выполнено центральное отверстие с входящим коаксиально с осью в топочную камеру соплом подачи воздуха (3), воздух в которое подается завихрителем (9). С внутренней стороны цилиндрической ограничительной стенки расположена испарительная капиллярная структура (4), формирователь вихревых потоков (5), штуцер для установки свечи (6), жаровая труба (7), стабилизатор пламени (8), завихритель(9).

Недостатками технического решения, выбранного в качестве прототипа, является то, что полное сгорание горючей смеси и отсутствие сажистых выделений на выходе из камеры сгорания обеспечивается только при низкой мощности тепловыделения. При увеличении подачи топлива и, соответственно, количества воздуха одновременно с ростом мощности тепловыделения в выхлопных газах возрастает количество непрореагировавших компонентов горючей смеси и сажистых выделений. Эти факторы ограничивают допустимый уровень мощности горелочного устройства.

Одним из основных требований, предъявляемых к горелочным устройствам, применяемым, в частности, в автомобильных подогревателях, является полнота сгорания горючей смеси в пределах топочной камеры. В противном случае не прореагировавшие в топочной камере компоненты горючего, во-первых, образуют на стенках теплообменника сажистые выделения, которые ухудшают теплопроизводительность отопителя, во-вторых, приводят к существенному повышению вредных веществ в выхлопных газах. Соответственно, для повышения мощности горелочного устройства существует два пути: либо при сохранении удельной мощности тепловыделения увеличивать размеры топочной камеры, либо при сохранении размеров топочной камеры увеличивать удельную мощность тепловыделения. Для горелочных устройств, применяемых в автомобильных предпусковых отопителях, существуют жесткие ограничения на габаритные размеры. Соответственно, для этих случаев основным направлением развития является разработка горелочных устройств с повышенной удельной мощностью.

В известных горелочных устройствах испарительного типа лимитирующим фактором является скорость смешения паров жидкого топлива, заполняющего капиллярную структуру испарительного элемента с воздухом.

Интенсивность испарения определяется прежде всего температурой, но образующийся при нагреве жидкого топлива пар не весь переходит в зону горения. Часть пара из образующегося у поверхности жидкости парового облака конденсируется и возвращается в жидкое состояние.

В зависимости от скорости диффузии молекул пара и характера воздушных струй, осуществляющих конвективное перемешивание верхних слоев парового облака, устанавливается динамическое равновесие между потоками пара, переходящего в зону горения, и потока пара, возвращающегося в жидкое состояние.

Для увеличения потока пара, поступающего в рабочий объем топочной камеры, известны различные технические решения. Например, увеличивают суммарную площадь поверхности испаряющейся жидкости за счет уменьшения диаметра используемых для создания испарительного элемента проволочек и плотности их упаковки. Или же повышают энергию и турбулентность воздушных струй, "сдувающих" верхние слои парового облака.

Однако в существующих устройствах потенциал этих возможностей практически исчерпан. В частности, уменьшение диаметра проволочек и плотности их упаковки в испарительном элементе приводит к его быстрому засорению. Повышение скорости воздушных струй ограничено возрастанием аэродинамического сопротивления закручиванию воздушных потоков и их постепенному вытеканию из отверстий в сопле подачи воздуха.

Новые возможности повышения удельной мощности горелочных устройств связаны с использованием пара, формируемого на стороне, противоположной той, что примыкает к зоне реакции, и вводом этого потока пара непосредственно в закрученный воздушный поток внутри сопла подачи воздуха.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение мощности горелочного устройства.

Технический результат достигается тем, что горелочное устройство, содержащее топочную камеру с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру, с торцевой ограничительной стенкой, на которой размещен участок торцевой испарительной капиллярной структуры, в торцевой ограничительной стенке выполнено центральное отверстие с входящим коаксиально с осью в топочную камеру соплом подачи воздуха, на боковой поверхности которого выполнено не менее двух рядов разнесенных по высоте сопла одинаковых по количеству и симметрично размещенных продольных щелевых отверстий, завихритель потока воздуха, формирователь вихревых потоков, штуцер для установки свечи, жаровую трубу и стабилизатор пламени, дополнительно содержит кольцевую подложку, размещенную между торцевой ограничительной стенкой и торцевым участком испарительной капиллярной структурой, причем по внутреннему диаметру кольцевая подложка газоплотно примыкает к боковой поверхности сопла подачи воздуха, а по внешнему примыкает к цилиндрической ограничительной стенке, между внутренней стороной цилиндрической ограничительной стенки и цилиндрическим участком испарительной капиллярной структуры образован зазор, в теле подложки со стороны, прилегающей к торцевой ограничительной стенке топочной камеры, выполнены не менее двух сквозных каналов от внешней до внутренней торцевой поверхности кольцевой подложки, у внешнего торца в стенке, отделяющей полости каналов от полости, заключенной между внутренней цилиндрической поверхностью топочной камеры и наружной поверхностью цилиндрического участка капиллярной структуры испарительного элемента, выполнены отверстия, соединяющие эти полости, а на боковой поверхности сопла подачи воздуха в области примыкания к каналам в подложке выполнены щелевые отверстия.

На фиг.2 изображено предлагаемое горелочное устройство.

(1) - топочная камера с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру, с торцевой ограничительной стенкой (2) и торцевой капиллярной структурой, дополнительная полость (5), образованная стенкой и цилиндрической капиллярной структурой (4), в торцевой стенке выполнено центральное отверстие с входящим коаксиально с осью в топочную камеру соплом подачи воздуха (3), воздух в которое подается завихрителем (10), формирователь вихревых потоков (6), жаровая труба (7), стабилизатор пламени (8), кольцевая подложка (9), сквозные каналы в кольцевой подложке (11), (12) - отверстия, соединяющие каналы подложки с дополнительной полостью (5), (13) - щелевые отверстия, соединяющие каналы с внутренней поверхностью сопла подачи воздуха (3), штуцер для установки свечи (14).

Работа предлагаемого устройства осуществляется в соответствии с циклограммой, представленной на фиг.3. В момент запуска t₀ включается воздухонагнетательное устройство на максимальной мощности и до момента t₁ осуществляется продувка топочной камеры, после чего мощность воздухонагнетательного устройства уменьшается до небольшой величины и до момента t₅ (при котором регистрируется факт воспламенения) остается постоянной.

После завершения продувки (момент времени t₁) начинается разогрев свечи накаливания, который продолжается до момента времени t₂.

После разогрева свечи накаливания до максимальной температуры (момент времени t₂) в момент времени t₃ включается топливный насос и при средней мощности работает до момента t₄.

При этом происходит насыщение топливом капиллярной структуры испарительного элемента.

В момент возгорания воздушной смеси происходит отключение свечи накаливания, начинается синхронное нарастание мощности воздухонагнетательного устройства и топливного насоса.

В процессе выхода горелочного устройства на стационарный режим происходит постепенный разогрев всех элементов топочной камеры, в том числе и цилиндрического участка капиллярной структуры испарительного элемента, расположенного за формирователем вихревых потоков (6). При достижении температуры испарения с этого участка капиллярной структуры начинается интенсивное испарение. В объеме топочной камеры в процессе горения создается повышенное давление, препятствующее просачиванию пара из дополнительной полости (5) в рабочий объем топочной камеры. Через отверстия (12) пар проникает в полость в канале (11) и далее к щелевому отверстию (13) на боковой поверхности сопла подачи воздуха (3). Закрученный в сопле подачи воздуха поток воздуха создает эффект эжектирования ("подсасывания") пара из канала (11). Перемешиваясь с потоком воздуха, пары топлива образуют смесь, которая вытекает из щелей сопла подачи воздуха в состоянии, требующем меньшего времени для дальнейшего насыщения парами топлива до образования горючей смеси. Соответственно, увеличивается интенсивность горения и общая мощность тепловыделения горелочного устройства.

Источники информации

1. Патент DE 4003090 C1, фирмы WEBASTO.

2. E.A. Кордит. Патент РФ 2181462 "Горелочное устройство".