способ сжигания жидкого или газообразного топлива и камера сгорания теплогенератора

Формула изобретения

1. Способ сжигания жидкого или газообразного топлива, включающий подачу горящей топливовоздушной смеси и вторичного воздуха в жаровую трубу камеры сгорания через отверстия в жаровой трубе с последующим завихрением горящей топливовоздушной смеси со вторичным воздухом и образованием зоны обратных токов и интенсивного горения, отличающийся тем, что вторичный воздух разделяют на два потока - первый поток направляют непосредственно в жаровую трубу через отверстия в жаровой трубе, а второй поток делят на струи, закручивают их по расширяющейся конической винтовой спирали, направляют в жаровую трубу и в процессе завихрения перемешивают с горящей топливовоздушной смесью и с первым потоком воздуха, при этом регулируют количество воздуха, подаваемого в зону интенсивного горения.

2. Камера сгорания теплогенератора для сжигания жидкого или газообразного топлива, содержащая жаровую трубу с отверстиями для подачи воздуха, размещенную во внешнем корпусе, кольцевой канал между жаровой трубой и внешним корпусом, завихритель в виде полого конического смесителя с отверстиями и центрального тела в виде конуса, концентричного смесителю, отличающаяся тем, что завихритель дополнительно снабжен размещенными равномерно по окружности трубчатыми стойками под углом к продольной оси завихрителя, причем одним концом трубчатые стойки закреплены на входе в кольцевой канал, другим концом - к отверстиям в полом коническом смесителе тангенциально к внутренней поверхности смесителя, а конус выполнен перемещаемым в продольном направлении.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в различных технологических установках, например, для нагрева воздуха в качестве агента сушки в сельскохозяйственных зерносушилках, в установках для обогрева сельскохозяйственных производственных помещений, теплиц и т.п.

При сжигании жидкого или газообразного топлива, особенно в маломощных энергетических установках, как правило, не обеспечивается полное сжигание топлива, несгоревшее топливо оседает на стенках камеры сгорания, образуется нагар в камерах сгорания, часть несгоревшего топлива с потоком воздуха попадает в воздушную среду.

Известен способ сжигания жидкого топлива, при котором топливовоздушную смесь получают перемешиванием выходящего из топливной форсунки распыленного топлива с потоком дутьевого воздуха и сжигают топливовоздушную смесь при установлении оптимального положения зоны горения (патент РФ №2182282, МПК F23С 11/00, опубл. 10.05.2002, Бюл. №13).

Известна горелка жидкотопливная и способ ее использования для сушки в сельскохозяйственных зерносушилках, включающая вентилятор, горелку с распылителем топлива, камеру сгорания топлива, кожух с боковыми отверстиями для подачи воздуха, жаровую трубу, тепловой экран, завихритель топливовоздушной смеси (патент РФ №2229656, МПК F23С 11/00, опубл. 27.05.2004, Бюл. №15).

Известна топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая профилированное конфузорное сопло, конический насадок с отбортовкой на кромке. В данной конструкции завихритель установлен перед топливной форсункой, что снижает эффективность его использования для перемешивания топливовоздушной смеси от горелки с воздухом, поступающим в камеру сгорания (патент РФ №2133411, МПК F23R 3/34, опубл. 20.07.1999, Бюл. №20).

В приведенных технических решениях топливовоздушную смесь получают с применением сложных регулировок с перемещением топливной форсунки не обеспечивается полное сжигание топлива, несгоревшее топливо оседает на стенках камеры сгорания, образуется нагар в камерах сгорания, часть несгоревшего топлива с потоком воздуха попадает в воздушную среду.

Известна камера сгорания газовой турбины и способ сжигания топлива. Камера сгорания состоит из нескольких жаровых труб с отверстиями для подачи воздуха, внешнего корпуса, каналов подачи воздуха между жаровой трубой и внешним корпусом. В каждой жаровой трубе имеется смеситель с отверстиями, центральное тело, концентричное смесителю, и завихритель с полыми лопатками, установленными под углом от 30 до 45° к потоку топливовоздушной смеси и вторичному воздушному потоку, а полые лопатки завихрителя топливовоздушной смеси выполнены из жаростойкой стали. Способ заключается в следующем: сжатый природный газ смешивается с первичным потоком воздуха и воспламеняется в жаровой трубе, образуя факел, а вторичный поток воздуха подается на завихритель (патент РФ №2107229, МПК F23R 3/16, опубл. 20.03.1998, Бюл. №8).

Данная камера сгорания и способ сжигания топлива наиболее сходны с предлагаемым способом сжигания топлива и камерой сгорания теплогенератора по основным признакам и приняты нами за прототип.

Недостатками конструкции прототипа по патенту №2107229 является следующее:

- камера сгорания газовой турбины предназначена для очень мощных авиационных двигателей;

- в такой камере сгорания создается значительное сопротивление полых лопаток потоку топливовоздушной смеси и вторичному воздушному потоку вследствие того, что полые лопатки установлены под углом к набегающим потокам топливовоздушной смеси и вторичного воздуха. Для преодоления этого сопротивления необходимо использование воздушного компрессора с мощным электрическим приводом и большим расходом электроэнергии (в случае использования камеры сгорания авиационного двигателя в наземных установках);

- необходимость выполнения осевых лопаточных завихрителей из жаростойкой стали обусловлена условиями их работы в зоне высоких температур, что значительно усложняет и удорожает конструкцию;

- камера сгорания такого типа рассчитана на работу только на газообразном топливе.

Такие камеры сгорания чрезвычайно сложны по конструкции, дороги в изготовлении, обслуживании и ремонте и поэтому не могут быть использованы в средствах малой энергетики, в частности в сельском хозяйстве.

Задачей настоящего изобретения является создание способа сжигания жидкого или газообразного топлива и камеры сгорания для его осуществления, в которых сочетались бы простота и дешевизна изготовления с высокой эффективностью работы при обеспечении оптимального сжигания топлива за счет наиболее интенсивного завихрения топливовоздушной смеси в жаровой трубе при минимальном сопротивлении завихрителя воздушному потоку и небольшой мощности электропривода установки. Поскольку способ сжигания топлива и камера сгорания по предлагаемому изобретению предназначены для нагрева воздуха в качестве агента сушки в сельскохозяйственных зерносушилках, для работы в составе установок для обогрева сельскохозяйственных производственных помещений, теплиц и т.п. целесообразно использование как газообразного, так и жидкого топлива без внесения в установку конструктивных изменений. Кроме того, небольшие установки на жидком топливе могут быть как стационарные, так и передвижные.

Способ сжигания жидкого или газообразного топлива основан на подаче горящей топливовоздушной смеси и вторичного воздуха в зону интенсивного горения в жаровой трубе камеры сгорания и последующем завихрении горящей топливовоздушной смеси с вторичным воздухом. Вторичный воздух разделяют на два потока - первый поток направляют непосредственно в жаровую трубу через отверстия в жаровой трубе, а второй поток делят на струи и закручивают их по расширяющейся конической винтовой спирали. Струи вторичного воздуха направляют в жаровую трубу и в процессе завихрения перемешивают с горящей топливовоздушной смесью и с первым воздушным потоком. При этом происходит образование зоны обратных токов и интенсивного горения топливовоздушной смеси.

Для установления оптимального положения зоны интенсивного горения в зависимости от вида топлива регулируют количество воздуха, подаваемого в зону интенсивного горения.

Камера сгорания теплогенератора по изобретению включает в себя жаровую трубу с отверстиями для подачи воздуха, размещенную во внешнем корпусе, кольцевой канал между жаровой трубой и внешним корпусом, завихритель в виде полого конического смесителя с отверстиями и центрального тела в виде конуса, концентричного смесителю. Завихритель дополнительно снабжен размещенными равномерно по окружности трубчатыми стойками под углом к его продольной оси. Одним концом трубчатые стойки закреплены на входе в кольцевой канал, другим концом - к отверстиям в полом коническом смесителе тангенциально к внутренней поверхности смесителя.

Конус выполнен перемещаемым в продольном направлении для регулирования количества вторичного потока воздуха, подаваемого в зону интенсивного горения, а также для создания условий для оптимального положения зоны интенсивного горения в зависимости от вида топлива.

На фиг.1 представлен продольный разрез по А-А камеры сгорания теплогенератора по фиг.2.

На фиг.2 представлен разрез по В-В по фиг.1.

Камера сгорания теплогенератора (фиг.1, 2), кроме непоказанного ее вентилятора, включает горелочное устройство 1 со своим вентилятором (не показан), жаровую трубу 2 с отверстиями для подачи воздуха 3, внешний корпус 4, кольцевой канал 5, расположенный между жаровой трубой 2 и внешним корпусом 4, завихритель в виде полого конического смесителя 6 с отверстиями 7 и центрального тела в виде конуса 8, концентричного смесителю 6. Завихритель дополнительно имеет трубчатые стойки 9.

Завихритель размещен на входе в жаровую трубу 2. Между коническим смесителем 6 и конусом 8 образовано пространство 10, регулируемое механизмом 11 продольного перемещения конуса 8 для установления оптимального положения зоны интенсивного горения в зависимости от вида топлива.

Трубчатые стойки 9 завихрителя размещены тангенциально к внутренней поверхности полого конического смесителя 6 под углом к его продольной оси. Одним концом трубчатые стойки 9 закреплены на входе в канал 5 для подачи воздуха, другим концом - к отверстиям 7 в смесителе 6.

Работает камера сгорания теплогенератора (фиг.1, 2) следующим образом.

Жидкое или газообразное топливо под давлением подается в горелочное устройство 1. При запуске горелочного устройства 1 происходит первичное факельное (диффузионное) горение топлива с коэффициентом избытка воздуха =0,3-0,4. Горящая топливовоздушная смесь Q ₁ (фиг.1) направляется в жаровую трубу 2 на смеситель 6 и обтекает его. При этом происходит распределение потока факельного горения по периметру жаровой трубы 2. Вторичный поток воздуха Q₂ от вентилятора камеры сгорания направляется в кольцевой канал 5 подачи воздуха. Основная масса воздуха в виде первого потока Q₂ попадает в кольцевой канал 5, а часть воздуха в виде отдельных струй второго потока Q₃ по трубчатым стойкам 9 завихрителя направляется в пространство 10. Так как трубчатые стойки 9 установлены тангенциально к внутренней поверхности смесителя 6 и пространства 10, а также - под углом к продольной оси завихрителя, струи второго потока воздуха Q₃ выходят из каждой трубчатой стойки 9 в пространство 10 и продолжают движение по расширяющейся конической винтовой спирали (фиг.1).

Поскольку в завихрителе установлено несколько одинаковых трубчатых стоек 9 (как минимум, три), то струи воздуха, выходящие из трубчатых стоек 9, движутся в одном направлении. Угол наклона трубчатых стоек 9 к продольной оси завихрителя определяет оптимальную длину этих стоек для обеспечения подогрева воздуха, проходящего через эти трубчатые стойки, горящей топливовоздушной смесью Q₁. Расположение трубчатых стоек 9 под углом к оси полого конического смесителя 6 обеспечивает интенсивный динамический напор воздуха на входе в каждую трубчатую стойку 9.

Выйдя из пространства 10, струи воздуха Q₃ интенсивно перемешиваются с горящей топливовоздушной смесью Q₁ и первым потоком воздуха Q₂, подающимся из кольцевого канала 5 в жаровую трубу 2 через отверстия 3. Известными средствами регулируют расход топлива в горелке 1 и производительность вентилятора камеры сгорания, а также объем пространства 10 путем изменения положения конуса 8 механизмом 11. Тем самым устанавливают максимальную температуру в зоне интенсивного горения не выше 1800°С, что многократно снижает вероятность образования окислов азота.

Поскольку в детали завихрителя (трубчатые стойки 9, смеситель 6 и конус 8) поступают струи холодного воздуха Q₂, они могут быть изготовлены из обычной стали.

Происходит процесс основного интенсивного сжигания топлива при коэффициенте избытка воздуха =1,5-2,5. При этом во много раз снижается концентрация NO_X, СО и НС в продуктах сгорания и повышается скорость и температура зон горения, обеспечивая полноту сгорания топлива до 85%.

Дальнейший остаточный дожиг топлива до 99,5% происходит по общей схеме, принятой для кольцевых камер сгорания.

Такие способ сжигания жидкого или газообразного топлива и конструкция камеры сгорания теплогенератора обеспечивают более полное сгорание топлива, значительно уменьшают выброс несгоревшего топлива в окружающую среду, исключают набрызгивание несгоревшего топлива на стенки камеры сгорания, образование нагара в камерах сгорания и при этом повышается коэффициент полезного действия камеры сгорания теплогенератора.

Опытный образец «Малогабаритной топочной установки МТУ - 0,5Г» с использованием способа сжигания жидкого или газообразного топлива и камеры сгорания теплогенератора по изобретению разработан, изготовлен и испытан в ОАО «СИБИРСКИЙ АГРОПРОМЫШЛЕННЫЙ ДОМ» СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК.

Установка МТУ-0,5Г имеет максимальную мощность 0,5 МВт, тепловая мощность установки по воздуху 215-385 Мкал/ч, наибольшая подача нагретого воздуха - 18 тыс.м ³/ч, степень нагрева воздуха 30-70°С при полном давлении воздуха на выходе - 1000 Па, расход топлива - при работе на газе - не более 52 м³/ч, при работе на жидком топливе (дизтопливо) - 22-38 кг/ч, при КПД установки - 99,5%.

При обогреве 2200 м³ рассадно-овощных теплиц содержание вредных веществ не превысило нормы ПДК для рабочей зоны, а система автоматического управления обеспечивала поддержание температуры в теплице на уровне заданных параметров.