Теплогенератор пульсирующего горения
PULSATING COMBUSTION HEAT GENERATOR

Изобретение относится к энергетике и касается теплогенераторов для подогрева теплоносителя в системах подогрева, например, технологического газа в газораспределительных станциях (ГРС).
Известна система пульсирующего горения, содержащая камеру пульсирующего горения, резонатор в виде системы труб, клапанно-смесительное устройство подготовки топливной смеси и запальное устройство (см. патент RU №2175422 от 02.02.2001 г.).
Недостатком известной системы пульсирующего горения является ограниченный диапазон устойчивого горения, определяемый «однорежимностью» ее работы, вызванной использованием в системе одноконтурного резонатора: камера сгорания - трубы-резонаторы. Однорежимность заключается в том, что данная система пульсирующего горения устойчиво работает на заданном расчетном по мощности режиме и при уменьшении нагрузки (уменьшение расхода теплоносителя) отключает подачу топливного газа, чтобы исключить рост температуры теплоносителя выше заданной. Затем при определенном падении температуры теплоносителя вновь включают подачу топливного газа. Частота циклов включения - выключения («старт-стоп») будет зависеть от инерции системы и будет увеличиваться по мере снижения нагрузки.
Известно также устройство подогрева технологического газа в ГРС, содержащее теплогенератор пульсирующего горения, в котором камера сгорания выполнена в виде диффузора с углом раскрытия 40…120°С, а выхлопная труба выполнена в виде связанного с камерой пульсирующего горения дополнительного резонирующего устройства, состоящего из цилиндрической камеры размерами L/D=1,5…2,5, установленной на выходе резонатора камеры пульсирующего горения, где L, D - соответственно диаметр и длина цилиндра, и резонатора в виде трубы длиной 10…12 диаметрам трубы, причем дополнительное резонирующее устройство снабжено рубашкой для охлаждения циркулирующим теплоносителем, при этом установленный на выходе дополнительного резонирующего устройства реактивно-активный глушитель шума является продолжением выхлопной трубы (патент РФ №2 655 426 от 30.06.2017 г.).
В этом устройстве за счет введения дополнительного резонирующего устройства расширен диапазон режимов устойчивого горения и тем самым сокращены (исключены) режимы «старт-стоп». При этом труба-резонатор снабжена рубашкой, чтобы исключить тепловое запирание за счет охлаждения выхлопных газов в трубе-резонаторе. К недостатку этого аналога, взятого за прототип, нужно отнести ограниченную возможность по дополнительному теплосъему теплоносителем и увеличению КПД теплогенератора из-за ограниченной площади поверхности теплообмена цилиндрической камеры и трубы-резонатора в пределах рубашки с теплоносителем.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение КПД теплогенератора за счет увеличения площади поверхности теплосъема с дополнительного резонирующего устройства и при этом не нарушить условий резонансного горения в теплогенераторе на разных по мощности режимах его работы без режима «старт-стоп».
Поставленная задача достигается тем, что в известном теплогенераторе пульсирующего горения, содержащем камеру сгорания с клапанно-смесительным устройством и трубами-резонаторами, причем камера сгорания с трубами-резонаторами размещена в рубашке с теплоносителем, образуя теплообменник, и выхлопную трубу, состоящую из дополнительного резонирующего устройства в составе цилиндрической камеры и резонатора в виде трубы длиной, равной 10…12 диаметрам трубы и реактивно-активного глушителя шума, согласно предложенному техническому решению цилиндрическая камера дополнительного резонирующего устройства выполнена коаксиально относительно теплообменника и сообщена снизу с трубами-резонаторами через торцевую полость, образованную фланцем теплообменника и днищем теплообменника, а сверху - с резонатором дополнительного резонирующего устройства через патрубок, при этом объем цилиндрической камеры дополнительного резонирующего устройства составляет 50…200% от суммарного объема камеры сгорания с трубами-резонаторами, причем коаксиально относительно цилиндрической камеры дополнительного резонирующего устройства выполнена рубашка для теплоносителя, образованная из обечайки, нижнего и верхнего фланцев, сообщенная посредством, например, патрубка с рубашкой теплообменника.
На рисунке показан теплогенератор пульсирующего горения. В теплогенераторе камера сгорания 1 и трубы-резонаторы 2 образуют камеру пульсирующего горения 3, которая размещена в рубашке 4 образуя теплообменник 5, камера пульсирующего горения 3 снабжена выхлопной трубой 6, состоящей из дополнительного резонирующего устройства 7 и реактивно-активного глушителя шума 8. Дополнительное резонирующее устройство 7 состоит из резонатора 9 и цилиндрической камеры 10, выполненной коаксиально относительно рубашки 4 камеры пульсирующего горения 3 и сообщена снизу с трубами-резонаторами 2 через торцевую полость 11, образованную фланцем 12 теплообменника 5 и днищем 13. Сверху цилиндрическая камера 10 через патрубок 14 сообщена с резонатором 9 дополнительного резонирующего устройства 7.
Для устойчивой многорежимной работы теплогенератора объем цилиндрической камеры 10 составляет 50...200% от суммарного объема камеры пульсирующего горения 3. Для теплосъема с поверхности цилиндрической камеры 10 коаксиально с ней выполнена рубашка 15 для теплоносителя, образованная из обечайки 16, нижнего фланца 17 и верхнего фланца 18. Эта рубашка 15 сообщена посредством патрубка 19 с рубашкой 4 камеры пульсирующего горения 3.
Размещение цилиндрической камеры 10 вокруг рубашки 4, а рубашки 15 вокруг цилиндрической камеры 10 существенно увеличивает суммарный теплосъем и соответственно КПД теплогенератора. При этом, как отмечено выше, необходимо обеспечить условия многорежимной устойчивой работы теплогенератора, что достигнуто выбором параметров цилиндрической камеры 10 при заданных параметрах резонатора 9, выполненного в виде трубы длиной, равной 10…12 диаметрам трубы.
Клапанно-смесительное устройство 20 теплогенератора с воздушным клапаном 21 и со свечой зажигания 22 размещено в верхней части камеры сгорания 1 в зоне 23 забора атмосферного воздуха через трубу 24. Подвод 25 теплоносителя осуществлен в рубашку 15 и далее через патрубок 19 и рубашку 4 через отвод 26 потребителю. Подача газа в клапанно-смесительное устройство 20 осуществлена по каналу 27 из системы дозирования (условно не показано).
Теплогенератор работает следующим образом. При подаче газа по каналу 27 и воздуха из трубы 24 через зону 23 забора воздуха в клапанно-смесительное устройство 20 топливо-воздушная смесь воспламеняется свечей зажигания 22. Происходит запуск теплогенератора с выходом на режим минимальной мощности, определяемый системой регулирования. Устойчивое пульсирующее горение обеспечивается системой резонаторов камеры пульсирующего горения 3 и связанного с ней дополнительного резонирующего устройства 7 с реактивно-активным глушителем шума 7.
На больших расходах технологического газа (потребителем) система регулирования увеличивает подачу топливного газа на режим 100% мощности. Устойчивость пульсирующего горения на этом режиме также обеспечивается системой резонаторов теплогенератора, а именно изготовлением резонатора 9 в виде трубы длиной, равной 10…12 диаметрам трубы, а цилиндрической камеры 7 с объемом от 50 до 200% от суммарного объема камеры пульсирующего горения 3. В диапазоне указанных соотношений экспериментально, путем изменения наружного диаметра цилиндрической камеры 10 при ее заданной длине получено устойчивое пульсирующее горение на режимах от 30% до 100% мощности теплогенератора. При этом общий теплосъем в рубашках 15 и 4 при движении теплоносителя из подвода 25 в рубашку 15 и через патрубок 19 в рубашку 4 на отвод 26 обеспечивает максимальный подогрев теплоносителя в обеспечение КПД теплогенератора не менее 95%, и достаточен для нормальной работы резонатора 9 без теплового запирания.