ИНЖЕКЦИОННО-ДИФФУЗИОННАЯ ГОРЕЛКА

Полезная модель относится к энергетике и может быть использована для сжигания жидких и газообразных видов топлива в энергетических установках, а именно в системах отопления различных котлов и печей, которые используются, например, в коммунальном и сельском хозяйстве, в огнеупорной, стекольной, металлургической и других отраслях промышленности.
Одним из направлений усовершенствования известных конструкций инжекционно-диффузийонных горелок является расширение диапазона их тепловых мощностей, в частности, путем расширения диапазона давлений потока топлива, например природного газа. Однако при повышении давления возникает проблема повышения скорости сжигания топливной смеси (с целью сохранения оптимальных условий горения), которая решается, например, путем использования дополнительных физических факторов, в частности, акустического поля, положительно влияющих как на процесс смесеобразования, так и на процесс горения.
Известна инжекционно-диффузийонная горелка, содержащая расположенные вдоль ее продольной оси торообразную смесительную камеру со сквозными инжекционными каналами, а также входной инжектор и диффузорное сопло, установленные соответственно на ее входе и выходе. Смесительная камера имеет в поперечном сечении форму эллипса, малая ось которого наклонена к ее продольной оси.
При этом в полости смесительной камеры со стороны диффузорного сопла выполнен уступ со сквозными инжекционными
каналами, сопряженный своим свободным краем при помощи участка эллипса с входным срезом диффузорного сопла (а.с. СССР №1588993, кл. F 23 D 14/62, 1990).
Горелка со смесительной камерой описанной конструкции обеспечивает турбулентную диффузию и турбулентное сжигание элементов топливной смеси в акустическом поле, которое генерируется в упомянутой смесительной камере и излучается диффузорным соплом в окружающее пространство, создавая оптимальные условия работы в диапазоне давлений 0,05-3 атм.
Недостатком горелки является низкая мощность возмущающего воздействия, а именно акустического поля, на элементарные частицы топливной смеси в зоне горения факела. Это объясняется как низкой мощностью генерируемого, так и потерями мощности излучаемого акустического поля горелки. Указанные потери связаны с тем, что в качестве излучателя используется диффузорное сопло, которое в данном случае является рупорной антенной с широкой диаграммой направленности. В результате происходит рассеивание мощности акустического поля в широком диапазоне, а, следовательно, снижение энергии звуковых колебаний, в частности, в пространстве горения факела. Таким образом, эта горелка имеет скорость сжигания топливной смеси, которая недостаточна для расширения диапазона тепловых мощностей путем повышения давления топлива.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является инжекционно-диффузийонная горелка, содержащая расположенные вдоль ее продольной оси первичную и, по меньшей мере, одну дополнительную торообразные смесительные камеры со сквозными инжекционными каналами, входной инжектор и диффузорное сопло, установленные соответственно на входе первичной и на выходе последней из дополнительных смесительных камер, и, по меньшей
мере, один промежуточный инжектор, каждый из которых имеет соотношение входного диаметра к его высоте, равное 1:2,5, и размещен между соседними смесительными камерами.
Каждая смесительная камера имеет в поперечном сечении форму эллипса, малая ось которого наклонена к ее продольной оси. Соотношение размеров соответствующих осей эллипсов соседних смесительных камер составляет 1:1,5.
В преимущественном варианте исполнения на внутренней поверхности смесительных камер выполнены расположенные хаотически бугорки шероховатости, на внутренней поверхности входного инжектора - винтовая нарезка, а на внутренней поверхности диффузорного сопла установлены завихрители, выполненные, например, в виде лопаток. Сквозные инжекционные каналы и лопатки расположены по спирали (д.п. Украины №53343, Кл. F 23 D 14/62, 2003).
Данная горелка за счет введения дополнительной торообразной смесительной камеры, внутри которой происходит дополнительная турбулизация топливной смеси и генерируются дополнительные звуковые колебания, резонирующие с первичными звуковыми колебаниями, позволяет повысить мощность результирующего акустического поля, что положительно влияет на процессы смесеобразования и горения, обеспечивая диапазон давлений топлива 0,02-4,8 атм и тепловых мощностей 70 кВт - 20 МВт.
Однако, повышение мощности результирующего акустического поля является недостаточным для ощутимого повышения мощности возмущающего воздействия на элементарные частицы топливной смеси в пространстве горения факела. Это объясняется потерями мощности излучения акустического поля, которые, как и в случае, описанном выше, связаны с рассеиванием излучаемой мощности в широком диапазоне.
Таким образом, это горелка также не обеспечивает необходимую скорость сжигания топлива, при которой возможно дальнейшее расширение диапазона тепловых мощностей.
В основу полезной модели поставлена задача создания такой конструкции инжeкциoннo-диффузионная горелки, в которой за счет введения усилителя достигается повышение мощности возмущающего воздействия на элементарные частицы топливной смеси в пространстве горения факела, что позволяет повысить скорость сжигания укачанной смеси, т.е. обеспечить заданную полноту ее сжигания при увеличении давления потока топлива, и, таким образом, расширить диапазон тепловых мощностей.
Поставленная задача достигается тем, что известная инжекциoннo-диффузионная горелка, содержащая расположенные вдоль ее продольной оси первичную и, по меньшей мере, одну дополнительную торообразные смесительные камеры со сквозными инжекционными каналами, входной инжектор и диффузорное сопло, установленные соответственно на входе первичной и на выходе последней из дополнительных смесительных камер, и, по меньшей мере, один промежуточный инжектор, каждый из которых имеет соотношение входного диаметра к его высоте, равное 1:2,5, и размещен между соседними смесительными камерами, причем каждая смесительная камера имеет в поперечном сечении форму эллипса, малая ось которого наклонена к ее продольной оси, а соотношение размеров соответствующих осей эллипсов соседних смесительных камер составляет 1:1,5, согласно полезной модели, она снабжена установленным на выходе диффузорного сопла усилителем.
Причинно-следственная связь между существенными признаками полезной модели и достигаемым результатом состоит в следующем.
Введение усилителя, установленного на выходе диффузорного сопла, обеспечивает повышение мощности возмущающего
воздействия, например, акустического поля, на элементарные частицы топливной смеси в пространстве горения факела.
Выполнение усилителя в виде полого цилиндра, диаметр которого меньше его длины, позволяет сформировать узконаправленное излучение акустического поля горелки непосредственно в пространство горения факела, в результате чего снижаются потери мощности и повышается плотность энергии звуковых колебаний, а, следовательно, и мощность акустического поля в указанном пространстве. При этом за счет соответствия диаметра полого цилиндра выходному диаметру диффузорного сопла обеспечивается согласование волновых сопротивлений, исключающее возможность потери мощности акустического поля горелки.
В итоге достигается усиление интенсивности молекулярного движения элементарных частиц в пространстве горения факела и, таким образом, повышение скорости, а следовательно, и полноты сжигания топливной смеси при повышении давления топлива до 5,8 атм, что позволяет расширить диапазон тепловых мощностей горелки до 38 МВт.
Выполнение полого цилиндра и диффузорного сопла со сквозными инжекционными каналами обеспечивает подсос вторичного воздуха, что повышает полноту сжигания топливной смеси, снижая токсичные выбросы в атмосферу.
Размещение указанных каналов диффузорного сопла по спирали способствует дополнительному закручиванию потока топливной смеси, дополнительно повышая эффективность турбулентного горения.
Дополнительным преимуществом предложенного варианта исполнения является то, что усилитель, выполненный в виде полого цилиндра со сквозными инжекционными каналами, одновременно является и стабилизатором, предотвращая отрыв и втягивание
факела соответственно при повышении и понижении давления топлива.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлен продольный разрез предлагаемой горелки.
Инжекционно-диффузионная горелка содержит расположенные вдоль ее продольной оси первичную и, например, одну дополнительную торообразные смесительные камеры 1 и 2 со сквозными инжекционными каналами 3, входной инжектор 4 и диффузорное сопло 5, установленные соответственно на входе первичной и на выходе последней из дополнительных смесительных камер 1 и 2, например, один промежуточный инжектор 6, который имеет соотношение входного диаметра к его высоте, равное 1:2,5, и размещен между соседними смесительными камерами 1 и 2, и установленный на выходе диффузорного сопла 5 усилитель, выполненный, например, в виде полого цилиндра 7, диаметр которого меньше его длины и соответствует выходному диаметру диффузорного сопла 5.
Каждая смесительная камера 1 и 2 имеет в поперечном сечении форму эллипса, малая ось которого наклонена к ее продольной оси. Соотношение размеров соответствующих осей эллипсов соседних смесительных камер 1 и 2 составляет 1:1,5.
В предлагаемом варианте исполнения на внутренней поверхности смесительных камер 1 и 2 выполнены расположенные хаотически бугорки шероховатости 8, на внутренней поверхности входного инжектора 4 - винтовая нарезка 9, а на внутренней поверхности диффузорного сопла 5 установлены завихрители 9, выполненные, например, в виде лопаток 10.
Сквозные инжекционные каналы 3 и лопатки 10 расположены по спирали.
В преимущественном варианте исполнения полый цилиндр 7 и диффузорное сопло 5 снабжены сквозными инжекционными каналами
11 и 12 соответственно, причем последние расположены по спирали.
Во всех вариантах исполнения входные срезы 13 и 14 промежуточного инжектора 6 и диффузорного сопла 5 образуют при пересечении с участками эллипсов смесительных камер 1 и 2 острые кромки 15 и 16 соответственно.
Инжекционно-диффузионная горелка функционирует следующим образом.
Поток топлива (жидкого или газообразного), например, природного газа, под давлением 0,02-5,8 атм подается во входной инжектор 4, где благодаря наличию винтовой нарезки происходит предварительное закручивание ламинарного потока топлива, поступающего в первичную смесительную камеру 1, в которой осуществляется первичное закручивание указанного потока и, за счет возникающего разрежения, подсос воздуха через инжекционные каналы 3. В смесительной камере 1 в результате турбулентной диффузии образуется топливная смесь, которая, вытекая через срез 13 промежуточного инжектора 6 и взаимодействуя с его острой кромкой 15, генерирует звуковые колебания, обусловленные пульсациями давления полученной смеси. Эти пульсации возникают вследствие трения топливной смеси при изменении по траектории ее закручивания линейных скоростей, направлений и объемов, создаваемых бугорками шероховатости 8, а также за счет отсоединенного пульсирующего скачка ее уплотнения, вызванного взаимодействием с острой кромкой 15. Вытекая из промежуточного инжектора 6, турбулентный поток топливной смеси попадает в дополнительную смесительную камеру 2, в которой осуществляется его дополнительное закручивание и, за счет возникающего разрежения, дополнительный подсос воздуха через инжекционные каналы 3. В смесительной камере 2 протекают процессы, аналогичные процессам, протекающим в смесительной камере 1, но более интенсивно,
поскольку топливная смесь уже получила первичное возмущение. При этом акустические поля смесительных камер 1 и 2 накладываются друг на друга, создавая резонирующий эффект и повышая результирующую мощность акустического поля, вследствие чего интенсифицируется процесс формирования однородного тонкодисперсного турбулентного потока топливной смеси. Этот поток, проходя через диффузорное сопло 5, дополнительно закручивается лопатками 10 и струями вторичного воздуха, подсасываемого через инжекционные каналы 12, что дополнительно повышает качество смесеобразования. Полученная топливная смесь поступает в полый цилиндр 7, где происходит формирование узконаправленного излучения акустического поля горелки вдоль его продольной оси, а, следовательно, излучение звуковых колебаний непосредственно в пространство горения факела. При этом осуществляется дополнительный подсос вторичного воздуха через сквозные инжекционные каналы 11, обеспечивая повышение качества смесеобразования. Наличие инжекционных каналов 11 дополнительно позволяет повысить стабильность процесса горения, исключая возможность отрыва факела при повышении давления и его втягивания при снижении давления потока топлива.
Лабораторные испытания макета предложенной горелки подтвердили эффективность формирования турбулентной тонкодисперсной топливной смеси и ее турбулентного сжигания в узконаправленном потоке излучаемых звуковых колебаний в диапазоне тепловых мощностей 70 кВт - 38 МВт.