ВИХРЕВОЕ ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО
VORTEX BURNER DEVICE

Изобретение относится к области энергетики, в частности к горелочным устройствам для сжигания жидкого топлива, и может быть использовано в различных отопительных устройствах, в том числе транспортных средств.
Известно горелочное устройство, содержащее топочную камеру с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру, с торцевой ограничительной стенкой, в которой 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, причем каждое отверстие верхнего ряда размещено на линии, равноудаленной от двух ближайших нижних отверстий, завихритель потока воздуха, формирователь вихревых потоков, расположенный между соплом подачи воздуха и испарительной капиллярной структурой, размещенной как на цилиндрической, так и на торцевой ограничительных стенках топочный камеры, с внутренней стороны цилиндрической ограничительной стенки расположена испарительная капиллярная структура, штуцер для установки свечи, жаровую трубу и стабилизатор пламени. Сопло подачи воздуха выполнено в виде цилиндра или усеченного конуса с многорядными продольными щелевыми отверстиями, у края которых на пути истечения воздушных струй размещены направляющие лопасти, причем у части рядов щелевых отверстий направляющие лопасти расположены на внешней поверхности сопла, а у остальных на внутренней (RU №2181462 С1, МПК F23D 5/06. опубл. 20.04.2002). Недостатком известного горелочного устройства является сложность конструкции из-за наличия в нем неподвижного механического завихрителя и специального формирователя вихревых потоков на испарителе камеры сгорания, снижающие эффективность работы горелочного устройства.
Известна горелка для подогревателя двигателя внутреннего сгорания, содержащая цилиндрический корпус, направляющий аппарат для воздуха, соединенный с камерой сгорания, установленной в цилиндрическом корпусе, рассекатель, свечу, установленную во втулке свечи, соединенной с камерой сгорания и с топливным штуцером. В горелке выполнен обводной канал для воздуха, соединяющий переднюю полость цилиндрического корпуса и внутреннюю полость втулки свечи через отверстие в цилиндрическом корпусе и отверстие во втулке свечи, а рассекатель расположен внутри камеры сгорания, перед выходом из нее (DE №19529994 А1, МПК F23D 5/00, опубл. 15.05.1996). Недостатком известного технического решения является низкая надежность воспламенения, приводящая к неполному сгоранию топлива.
Наиболее близким аналогом по технической сущности, принятым за прототип, является испарительная горелка для нагревателя, содержащая камеру сгорания, ограниченную периферийной цилиндрической стенкой с торцовым фланцем, коаксиальным камере сгорания, сопряженной с трубой для подачи воздуха с радиальными выходами воздуха и соплом, выполненными в трубе для аксиальной рециркуляции выхлопного газа через сопло и подачи воздуха из системы подачи воздуха в закрученный поток относительно центральной оси завихрения, и жаровую трубу, ограниченную периферийной цилиндрической стенкой, которая сопряжена с периферийной цилиндрической стенкой камеры сгорания торцами, разделенные стабилизатором горения топливно-воздушной смеси, испаритель, установленный коаксиально камере сгорания на внутренней стороне периферийной цилиндрической стенки, втулку с запальной свечой и испарителем, последний установлен коаксиально втулке на внутренней стороне и сопряжен с трубопроводом подачи топлива, в котором выполнены отверстия для подачи воздуха и для факела розжига топливно-воздушной смеси в камеру сгорания, трубой с радиальными отверстиями и соплом на торце с одной стороны, сообщающиеся с камерой сгорания, и отверстием с другого торца, сообщающимся с системой подачи воздуха (RU 2209371 С1, МПК F23D 5/06, опубл. 27.07.2003).
Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является низкая эффективность нагревателя из-за отсутствия в нем завихрителя потоков воздуха в камере сгорания, приводящее к неполному сгоранию топлива из-за повышенного гидравлического сопротивления тракта подачи воздуха в камеру сгорания и выбросу в атмосферу газов с большим содержанием токсичных веществ.
Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является повышение интенсивности сжигания топлива и расширение диапазона регулирования тепловой мощности.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемого технического решения, является повышение эффективности сжигания топлива и снижение электропотребления за счет улучшения перемешивания топливно-воздушной смеси в камере сгорания и уменьшения гидравлического сопротивления тракта подачи воздуха в камеру сгорания.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном вихревом горелочном устройстве, содержащем камеру сгорания и жаровую трубу, ограниченные периферийными цилиндрическими стенками, сопряженные торцами и разделенные между собой стабилизатором горения топливно-воздушной смеси, в камере сгорания концентрично периферийной цилиндрической стенке установлен стакан с торцовым фланцем, ограничивающим камеру сгорания, с радиальными отверстиями по периметру и отверстием в дне, сообщающими систему подачи сжатого воздуха с камерой сгорания, испаритель, установленный с внутренней стороны стенки камеры сгорания, в которых выполнено отверстие для факела розжига топливно-воздушной смеси в камере сгорания, и гильзу с запальной свечой и испарителем, установленным коаксиально с внутренней стороной стенки гильзы, сопряженной с трубопроводом подачи топлива, в которой выполнено отверстие для подачи воздуха, согласно предложенному техническому решению перед открытым торцом стакана установлен центробежный компрессор для нагнетания воздуха через стакан в камеру сгорания и в полость гильзы, причем ось вращения лопаточного колеса компрессора совмещена с продольной осью стакана; для чего корпус компрессора закреплен на цилиндрической стенке камеры сгорания, на котором за лопаточным колесом установлен фланец с радиальными отверстиями для забора воздуха с установленным на нем электродвигателем привода вращения лопаточного колеса; при этом гильза с запальной свечой установлена в корпусе компрессора напротив отверстия для факела розжига топливно-воздушной смеси, а испаритель камеры сгорания выполнен с угловым переходом на всей площади фланца со стороны камеры сгорания коаксиально с внутренней стороной цилиндрической стенки на длине стакана и сопряжен через отверстие с испарителем в гильзе с запальной свечой; радиальные отверстия стакана выполнены в два и более рядов и тангенциально направлены в камеру сгорания; на внутренней стенке гильзы со стороны ее торца, сопряженного с периферийной цилиндрической стенкой камеры сгорания, выполнен уступ, образующий с испарителем круговую полость, сообщающуюся с трубопроводом подачи топлива; на внутренней стенке гильзы со стороны ее торца, сопряженного с периферийной цилиндрической стенкой камеры сгорания, выполнен уступ, образующий с испарителем круговую полость, сообщающуюся с трубопроводом подачи топлива; в камере сгорания дополнительно установлено бортовое кольцо, контактирующее периферией с цилиндрической стенкой камеры сгорания и торцом испарителя, выступающее своим внутренним контуром за внутренний контур испарителя.
Анализ уровня техники позволил установить, что заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявляемого технического решения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
На чертеже показана схема вихревого горелочного устройства, продольный разрез.
Вихревое горелочное устройство содержит камеру сгорания 1, ограниченную периферийной цилиндрической стенкой 2, внутри которой концентрично установлен стакан 3 с торцовым фланцем 4, сопряженным своей периферией с торцом цилиндрической стенки 2, ограничивающим камеру сгорания 1, жаровую трубу 5, ограниченную периферийной цилиндрической стенкой 6, испаритель 7, выполненный с угловым переходом на всей площади фланца 4 со стороны камеры сгорания 1 и коаксиально с внутренней стороной цилиндрической стенки 2 на длине стакана 3, гильзу 8 с запальной свечой 9 и испарителем 10, установленным с внутренней стороной гильзы 8, которая сопряжена с цилиндрической стенкой 2 и трубопроводом 11 подачи топлива к испарителям 7 и 10 через канал 12, образованный кольцевым уступом в гильзе 8 и испарителем 10. Стакан 3 выполнен с тангенциально направленными радиальными отверстиями 13 в два и более рядов. Перед открытым торцом стакана 3 установлен центробежный компрессор 14 с лопаточным колесом 15 для нагнетания воздуха в камеру сгорания 1 через отверстие 16, выполненное в дне стакана 3, и в полость гильзы 8 через отверстие 17. Компрессор 14 выполнен в корпусе 18, закрепленном на цилиндрической стенке 2 снаружи камеры сгорания 1, на котором за лопаточным колесом 15 установлен фланец 19 с радиальными отверстиями 20 для забора воздуха. На торце фланца 19 установлен электродвигатель 21 привода лопаточного колеса 15, ось вращения которого совмещена с продольной осью 22 стакана 3. Цилиндрические стенки 2 и 6 сопряжены между собой торцами, а камера сгорания 1 и жаровая труба 5 разделены между собой стабилизатором 23 горения топливно-воздушной смеси. Испаритель 10 в полости гильзы 8 выполнен длиной, равной расстоянию от отверстия 17 до контактирующего с ним испарителя 7, в котором выполнено отверстие 24 для факела розжига топливно-воздушной смеси в камере сгорания 1. Гильза 8 установлена в корпусе 18 радиально к испарителю 7 камеры сгорания 1 с запальной свечой 9 напротив отверстия 24. Для исключения возможности сноса капель топлива с испарителя 7 на цилиндрическую стенку 2 камеры сгорания 1 в последней дополнительно установлено бортовое кольцо 25, контактирующее периферией с цилиндрической стенкой 2 и торцом испарителя 7, выступающее своим внутренним контуром за внутренний контур испарителя 7.
Вихревое горелочное устройство работает следующим образом.
В момент запуска вихревого горелочного устройства включают электрический запальник 9 и электродвигатель 21 компрессора 14, последний лопаточным колесом 15 втягивает воздух через отверстия 20 во фланце 19 и нагнетает воздух, с одной стороны, через отверстие 17 в полость гильзы 8, обдувая запальную свечу 9, выходит через отверстие 24 в камеру сгорания 1, и, с другой стороны, воздух от компрессора 14, в котором лопаточное колесо 15 задает первоначальное закручивание потока воздуха, нагнетается в стакан 3, из которого через отверстие 16 и тангенциально направленные радиальные отверстия 13 также поступает в камеру сгорания 1, усиливая тангенциальной направленностью вихревые потоки по внутреннему периметру цилиндрической стенки 2. Затем в вихревое горелочное устройство подают жидкое топливо по трубопроводу 11 через канал 12 к испарителям 7 и 10, наполняя их поры жидким топливом, через которые происходит смачивание внутренних поверхностей испарителей. Под действием радиационного и конвективного теплового потока от запальной свечи 9 топливо испаряется в полость гильзы 8, смешивается с воздушным потоком от компрессора 14, образуя газообразную топливно-воздушную смесь, которая воспламеняется от нагретой запальной свечи 9 и под давлением нагнетаемого воздуха горит в виде факела розжига, выходящего через отверстие 24 испарителя 7 в камеру сгорания 1, воспламеняя топливо, выходящее из испарителя 7. В дальнейшем топливо испаряется с поверхности испарителя 7 за счет радиационного и конвективного теплообмена непосредственно от горения топливно-воздушной смеси, которая сгорает в камере сгорания 1. Стабилизатор 23 горения топливно-воздушной смеси служит для предотвращения попадания в жаровую трубу 5 несгоревших капелек топлива, которые за счет центробежных сил в закрученном потоке удерживаются вблизи стенки 2 камеры сгорания 1, а также обеспечивает дожигание топливно-воздушной смеси в зоне обратных токов за стабилизатором 23. Бортовое кольцо 25 за испарителем 7 способствует улучшению испарения топлива и образованию топливно-воздушной смеси и уменьшает возможность срыва капель жидкого топлива с испарителя 7 за пределы стакана 3. Тангенциально направленные радиальные отверстия 13 создают в камере сгорания 1 более интенсивный вихревой поток воздуха, обеспечивающий более эффективное сгорание топлива в широком диапазоне регулирования тепловой мощности горелочного устройства. После установления устойчивого режима горения в камере сгорания 1 запальная свеча 9 отключается от сети электропитания, и работа горелочного устройства переходит в автономный режим. Выключение вихревого горелочного устройства осуществляется прекращением подачи топлива и отключением электродвигателя 21 компрессора 14 после продувки камеры сгорания 1.
Предложенное вихревое горелочное устройство позволяет регулировать тепловую мощность изменением расхода воздуха для обеспечения стехиометрического соотношения в топливно-воздушной смеси путем изменения числа оборотов электродвигателя компрессора, тем самым повысить эффективность отопительных устройств с использованием жидкого топлива, например, на транспортных средствах.