ТЕПЛОГЕНЕРАТОР ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ГОРЕНИЯ
INTERMITTENT COMBUSTION HEAT GENERATOR

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для сжигания топливного газа с большим содержанием серы в пульсирующем потоке в различных подогревательных установках нефтяной жидкости.
Известно устройство пульсирующего горения (патент РФ №2062945, F23C 11/04, опубл. 27.06.1996), содержащее камеру сгорания, выполненную в виде удлиненной цилиндрической полости с одним закрытым торцом с отверстием для подвода топлива, и выхлопную трубу с охватывающей их рубашкой, выполненной с возможностью прохождения через нее воды, воспламенитель и трубки подачи топлива и воздуха, причем размеры трубки подачи топлива, камеры сгорания и выхлопной трубы выбраны из условия обеспечения заданного соотношения резонансной частоты трубки подачи топлива к резонансной частоте камеры сгорания вместе с выхлопной трубой.
К недостаткам данного устройства следует отнести:
- невозможность работы на сернокислом газе;
- большое гидравлическое сопротивление контура теплоносителя;
- химический недожог топлива вследствие плохого смешения (отсутствие смесительного устройства).
Наиболее близким аналогом-прототипом является устройство пульсирующего горения (патент РФ №2175422, F23C 11/04, опубл. 02.02.2001), содержащее камеру сгорания, выполненную в виде цилиндрической полости с одним открытым, а с другим закрытым торцом с отверстием, емкость для нагреваемого теплоносителя, установленное в камере сгорания запальное устройство, а также устройство подвода топлива, подвода воздуха и отвода продуктов сгорания, при этом камера сгорания снабжена смесительным устройством, двумя ресиверами, двумя обратными клапанами, дефлектором и устройством контроля продувки с двумя соответствующими датчиками.
К недостаткам данного устройства следует отнести:
- невозможность работы на сернокислом газе вследствие сернокислой коррозии поверхностей конструкции, омываемых продуктами сгорания с температурой ниже точки росы серной кислоты;
- большую поверхность смачивания в области сварных швов, что, соответственно, затрудняет обеспечение герметичности по жидкому контуру;
- сложная технология изготовления, связанная с наличием элементов, радиально прикрепленных к цилиндрическим полостям, установленных коаксиально относительно оси камеры сгорания и друг друга.
Технической задачей предлагаемого устройства является создание высокоэффективного подогревателя нефтяной эмульсии, простого в изготовлении, основанного на камере пульсирующего горения (КПГ), обеспечивающего стабильную и устойчивую работу установки при работе на попутном газе с высоким содержанием сероводорода, полное сгорание топлива без сернокислой коррозии элементов конструкции.
Поставленная техническая задача решается предлагаемым устройством, включающим камеру сгорания, выполненную в виде цилиндрической полости с одним открытым, а другим закрытым с отверстием торцами, емкость для нагреваемого теплоносителя, устройство подвода топлива в виде патрубка и подвода воздуха с двумя соответствующими ресиверами, обратными клапанами, установленное в камере сгорания с закрытого торца запальное устройство со смесительным устройством, оснащенным дефлектором и сообщенным с устройствами подвода топлива, воздуха и отвода продуктов сгорания, и устройства контроля продувки и горения, выполненные в виде датчиков, установленных соответственно на входе устройства подвода воздуха и выходе устройства отвода продуктов сгорания, причем устройства для подвода воздуха и отвода продуктов сгорания выполнены в виде цилиндрических полостей, установленных коаксиально относительно камеры сгорания и друг друга, при этом устройство для отвода продуктов сгорания оснащено внутренней полостью.
Новым является то, что устройство подвода воздуха выполнено в виде наружного кожуха, емкость для нагреваемого теплоносителя выполнена в виде многозаходного трубопровода, размещенного внутри устройства отвода продуктов сгорания равномерно по периметру камеры сгорания, с которой соединен трубопровод радиальными пластинами, и оснащенного входным и выходным патрубками, которые герметично выведены с торца кожуха противоположно смесительному устройству, при этом устройство отвода продуктов сгорания выполнено в виде резонатора, внутренняя полость которого охвачена внутренним резонатором, выполненным в виде прямой призмы, открытой со стороны смесительного устройства, с гранями, герметично соединенными с многозаходным трубопроводом, причем между гранями призмы и камерой сгорания установлены параллельные граням пластины, герметично соединенные с многозаходным трубопроводом, при этом часть патрубка для подвода топлива размещена внутри устройства для отвода продуктов сгорания снаружи внутреннего резонатора.
На фиг.1 изображен теплогенератор в продольном разрезе. На фиг.2 изображено сечение А-А теплогенератора, представленного на фиг.1.
Теплогенератор включает камеру сгорания 1 (фиг.1), выполненную в виде цилиндрической полости с одним открытым 2, а другим закрытым 3 концом с отверстием торцами, емкость для нагрева теплоносителя 4, выполненную в виде многозаходного трубопровода 4, размещенного внутри устройства отвода продуктов сгорания 5 равномерно по периметру камеры сгорания 1, прикрепленный к наружной поверхности камеры сгорания 1 вдоль нее радиальными пластинами 6 (фиг.2), устройства подвода топлива в виде патрубка 7 и подвода воздуха 8, являющегося ресивером, выполненные в виде наружного кожуха, обратные клапаны (на фиг. не показаны), установленное в камере сгорания 1 с закрытого торца 3 (фиг.1) запальное устройство (на фиг. не показано) со смесительным устройством 9, оснащенным дефлектором (на фиг. не показано) и сообщенным с устройством подвода топлива 7, воздуха 8 и отвода продуктов сгорания 5, устройство контроля продувки и горения, выполненные в виде датчиков (на фиг. не показаны), установленных соответственно на входе устройства подвода воздуха 8 и выходе устройства отвода продуктов сгорания 5, причем устройства для подвода воздуха 8 и отвода продуктов сгорания 5 выполнены в виде цилиндрических полостей, установленных коаксиально относительно камеры сгорания 1 и друг друга, при этом устройство для отвода продуктов сгорания 5 выполнено в виде резонатора 5 и оснащено внутренней полостью 10, охваченную внутренним резонатором 10, выполненным в виде прямой призмы, открытой со стороны смесительного устройства 9, с гранями 11 (фиг.2) герметично соединенными с многозаходным трубопроводом 4, причем между гранями призмы 11 и камерой сгорания 1 установлены параллельные граням 11 пластины 12, герметично соединенные с многозаходным трубопроводом 4, при этом часть патрубка для подвода топлива 7 размещена внутри устройства для отвода продуктов сгорания 5 снаружи внутреннего резонатора 10. Устройство подвода топлива 7 оснащено ресивером 13.
Устройство работает следующим образом.
Перед розжигом системы пульсирующего горения на 15-60 с производят продувку воздухом через устройство подвода воздуха 8 и далее через внутренний цилиндр (на фиг. не показан) смесительного устройства 9 и через отверстие в закрытом торце 3 камеры сгорания 1 осуществляют продувку этой камеры 1, а через ее открытый торец 2 и устройства отвода продуктов сгорания 5.
Газ через ресивер 13 и обратный клапан (на фиг. не показан) попадает в смесительное устройство 9, где происходит его перемешивание с воздухом, поступающим сюда через устройство подвода воздуха - ресивер 8 и далее через обратный клапан (на фиг. не показан). При этом обеспечивают среднюю величину коэффициента избытка воздуха в пределах от 1,1 до 1,3.
Полученная в смесительном устройстве 9 газовоздушная смесь через отверстие (на фиг. не показано) в торце 3 поступает в камеру 1 сгорания, где ее поджигают с помощью запального устройства (например, искровой свечи) (на фиг. не показано). При этом происходит первая вспышка газовоздушной смеси, приводящая к кратковременному повышению давления в камере 1 сгорания и к возникновению акустических волн в объеме, образованном камерой 1 сгорания и внутренней полостью 10 устройства 5 отвода продуктов сгорания и представляющем собой акустический резонатор типа резонатора Гельмгольца. Параметры устройств, обеспечивающих функционирование в режиме пульсирующего горения, выбраны из условий:
кс
где V - объем камеры сгорания;
кс
h - длина камеры сгорания;
p
F - общая площадь резонатора;
подв.тр
Р - площадь трубопровода подвода топлива.
Обратные клапаны (на фиг. не показаны) при этом работают автоматически как пульсирующие клапаны. Они закрываются, когда давление в камере сгорания 1 превышает давление в ресиверах 8 и 13, при этом приостанавливается поступление газа и воздуха в смесительное устройство 9 и, соответственно, в камеру сгорания 1 газовоздушной смеси. Таким образом, в системе устанавливается периодический (колебательный) процесс так называемого пульсирующего горения. Продукты сгорания из камеры сгорания 1 попадают во внутреннюю полость 10 щелевого резонатора 7. Во внешней полости щелевого резонатора 7 поток разворачивается и под избыточным давлением через выхлопной коллектор (на фиг. не показан) поступает в окружающую среду. При этом температура продуктов сгорания по всей траектории течения превышает температуру точки росы серной кислоты Т=433÷473 К. Температура продуктов сгорания на выходе из коллектора продуктов сгорания составляет 600 К.
Теплоноситель проходит последовательно по многозаходному трубопроводу теплоносителя 4 и нагревается от продуктов сгорания в щелевом резонаторе 5. Таким образом, продукты сгорания попутного нефтяного газа омывают малую поверхность многозаходного трубопровода теплоносителя 4, что существенно уменьшает сернокислую коррозию на внешних поверхностях многозаходного трубопровода теплоносителя 4.
Предлагаемый теплогенератор пульсирующего горения технологичен в изготовлении, так как изготавливается из коаксиально расположенных труб без радиальных элементов с возможностью применения стандартных труб.
Таким образом, предложен высокоэффективный, технологичный теплогенератор пульсирующего горения, основанный на камере пульсирующего горения, обеспечивающий стабильную и устойчивую работу при работе на попутном газе с высоким содержанием сероводорода без возникновения сернокислой коррозии элементов конструкции.