КАМЕРНАЯ ВИХРЕВАЯ ТОПКА Г.А. ГЛЕБОВА (ВАРИАНТЫ)
GLEBOV CHAMBER SWIRLING-TYPE FURNACE (VERSIONS)

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в различных отопительных устройствах, в том числе транспортных средств.
7
Известно горелочное устройство, содержащее топочную камеру, ограниченную цилиндрической стенкой с двумя рядами симметрично расположенных в ней по периметру щелевых отверстий, и торцовой стенкой, в которой выполнено центральное отверстие с входящим коаксиально топочной камере соплом подачи воздуха, завихритель потока воздуха, испарительная капиллярная структура, размещенная как на цилиндрической, так и на торцовой стенках топочной камеры, формирователь вихревых потоков, расположенный между соплом и испарительной капиллярной структурой, штуцер для установки свечи, жаровая труба и стабилизатор пламени. (Патент RU на изобретение №2200904 С1. Горелочное устройство. - МПК: F23D 5/06. - 20.03.2003). Недостатком известного устройства является ограничение по скорости смешения топливно-воздушной смеси, что снижает эффективность использования горелочного устройства.
7
Известно горелочное устройство, содержащее камеру сгорания, установленную в корпусе с образованием охватывающего ее кольцевого канала с закрытым выходным торцом и сообщенного с системой подвода воздуха, на входе которой установлен испарительный элемент, сообщенный с каналом подвода топлива, запальный элемент. Камера сгорания имеет, по меньшей мере, два ряда отверстий для подвода в нее воздуха, расположенных на ее боковой поверхности, первый ряд отверстий из которых расположен вблизи испарительного элемента и выполнены тангенциальными, а последний - вблизи выходного отверстия камеры сгорания, за которой установлена камера дожигания с внезапным расширением. (Патент RU на полезную модель №62211 U1. Горелочное устройство. - МПК: F23D 5/00. - 2007.03.27). Недостатком известного технического решения является неполное сгорание топлива при наличии дополнительной камеры дожигания.
7
Известно горелочное устройство, содержащее корпус, размещенные в нем камеру сжигания топливно-воздушной смеси с плоским испарителем топлива и форкамеру воспламенения с электрическим запальником, сопряженные между собой внутренней торцовой стенкой с отверстием для установки корпуса форкамеры и образующие с корпусом охватывающий их кольцевой коллектор, ограниченный передней и задней торцовыми стенками корпуса и сообщающийся, с одной стороны, с системой подвода воздуха через патрубок, а с другой, с камерой сжигания через трубки, тангенциально установленные по периметру внутренней стенки коллектора, по крайней мере, в один ряд, выступающие одним концом в камеру сжигания, и с форкамерой, по меньшей мере, через одно дозировочное отверстие в стенке форкамеры. Испаритель расположен на поверхности торцовой стенки, сопряженной с трубопроводом системы подвода жидкого топлива к испарителю, выполненному из жаропрочного пористого материала с капиллярной структурой, перекрывающему выходное отверстие трубопровода подачи жидкого топлива и отделяющему форкамеру от камеры сжигания, сообщающихся между собой через окно, выполненное в испарителе напротив запальника, закрепленного на задней торцовой стенке корпуса. Перед испарителем с воздушным зазором концентрично окну закреплен плоский экран отражения тепловой энергии, излучаемой из камеры сжигания, закрывающий поверхность испарителя на площади поперечного сечения форкамеры. (Патент RU на полезную модель №48619U1. Горелочное устройство. - МПК: F23D 5/00. - 2007.03.27). Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является сложность конструкции горелочного устройства.
7
Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому изобретению является камерная вихревая топка, содержащая корпус топки, размещенную в нем камеру сжигания топливно-воздушной смеси с плоским испарителем жидкого топлива и форкамеру воспламенения с электрическим запальником, сопряженные между собой внутренней торцовой стенкой с отверстием для установки корпуса форкамеры, образующие с корпусом топки охватывающий их кольцевой коллектор, ограниченный передней и задней торцовыми стенками корпуса топки и сообщающийся с системой подачи воздуха через патрубок, соединенный с корпусом, и с камерой сжигания через трубки, тангенциально установленные по периметру внутренней стенки коллектора, выступающие одним концом в камеру сжигания, и с форкамерой через дозировочное отверстие в стенке. Испаритель расположен на внутренней торцовой стенке, сопряженной с трубопроводом подвода топлива к испарителю, перекрывающему выходное отверстие трубопровода и отделяющему форкамеру от камеры сжигания, последняя сообщается с форкамерой через окно в испарителе напротив запальника, закрепленного на задней торцовой стенке корпуса топки. Перед испарителем с воздушным зазором закреплен плоский экран отражения тепловой энергии, закрывающий испаритель на площади поперечного сечения форкамеры. Передняя торцовая стенка корпуса топки выполнена с бортом, образующим выпускное отверстие топки с внезапным сужением камеры сжигания. Экран отражения излучаемой тепловой энергии расположен перед испарителем коаксиально камере сжигания и выполнен с отверстием, имеющим форму сопла Лаваля. (Патент RU на изобретение №2349837 С1. Камерная вихревая топка. - МПК: F23D 5/00. - 20.03.2009. Бюл. №8). Данное устройство принято за прототип.
Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является сложность конструкции камерной вихревой топки.
Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является упрощение конструкции и снижение стоимости изготовления камерной вихревой топки без снижения технического уровня и качества сгорания топлива.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемого технического решения, является упрощение конструкции камерной вихревой топки.
Указанный технический результат в первом варианте исполнения достигается тем, что, в известной камерной вихревой топке, содержащей корпус топки, состоящий из цилиндрического кожуха, ограниченного передней и задней торцовыми стенками, камеру сгорания, образованную цилиндрической стенкой, концентрично размещенной в кожухе и закрепленной одним торцом на передней торцовой стенке корпуса, и форкамеру, сообщающуюся с камерой сгорания через отверстие в смежной стенке, образующие с кожухом воздушный кольцевой коллектор, патрубок подачи воздуха в топку, установленный у передней торцовой стенки корпуса с тангенциальным направлением к цилиндрическому кожуху, трубки, установленные в цилиндрической стенке, по меньшей мере, в один ряд и выступающие в камеру сгорания с тангенциальным направлением, адекватным тангенциальному направлению патрубка, испаритель топлива, выполненный из жаропрочного пористого материала с капиллярной структурой, и запальник воспламенения топливно-воздушной смеси, содержащий электрическую свечу, установленную перед отверстием, выполненным в испарителе, и расположенную в гильзе, в последней выполнено дозировочное отверстие, сообщающее коллектор с полостью запальника, при этом в задней торцовой стенке корпуса выполнено отверстие, концентричное камере сгорания, образующие стабилизатор горения топливно-воздушной смеси, согласно предложенному техническому решению,
форкамера образована выше упомянутой цилиндрической стенкой, ограниченной со стороны, противоположной смежной стенке, сплошной торцовой стенкой, последняя образует с задней торцовой стенкой корпуса воздушную полость, сообщающуюся с кольцевым коллектором и патрубком подачи воздуха в топку, при этом испаритель выполнен с угловым переходом его плоской составляющей, выполненной на всей площади сплошной торцовой стенки, к цилиндрической составляющей испарителя, концентрично расположенной на цилиндрической стенке форкамеры и ограниченной с торца смежной стенкой с диаметром отверстия, меньшим внутреннего диаметра цилиндрической составляющей углового испарителя, при этом в цилиндрической стенке форкамеры радиально через кожух закреплена гильза запальника, в которой размещен концентричный цилиндрический испаритель, образующий с электрической свечой воздушную полость, а к гильзе присоединен трубопровод подачи топлива к испарителю, последний торцом примыкает к угловому испарителю с возможностью передачи топлива через капиллярную структуру материала, при этом к передней торцовой стенке корпуса концентрично цилиндрической стенке камеры сгорания присоединена жаровая труба;
на внутренней стороне стенки гильзы запальника со стороны ее торца, примыкающего к цилиндрической стенке форкамеры, выполнен уступ, образующий между стенкой гильзы и испарителем круговую топливную полость, сообщающуюся с трубопроводом подачи топлива, присоединенным к гильзе с тангенциальным направлением;
цилиндрическая составляющая углового испарителя выполнена длиной, по крайней мере, не меньшей наружному диаметру гильзы запальника;
в форкамере перед плоской составляющей углового испарителя с воздушным зазором концентрично цилиндрической стенке закреплен плоский экран отражения излучаемой тепловой энергии.
Указанный технический результат во втором варианте исполнения достигается тем, что, в известной камерной вихревой топке, содержащей корпус топки, состоящий из цилиндрического кожуха, ограниченного передней и задней торцовыми стенками, камеру сгорания, образованную цилиндрической стенкой, концентрично размещенной в кожухе и закрепленной одним торцом на передней торцовой стенке корпуса, и форкамеру, сообщающуюся с камерой сгорания через отверстие в смежной стенке, образующие с кожухом воздушный кольцевой коллектор, трубки, установленные в цилиндрической стенке, по меньшей мере, в один ряд и выступающие в камеру сгорания с тангенциальным направлением, испаритель топлива, выполненный из жаропрочного пористого материала с капиллярной структурой, и запальник воспламенения топливно-воздушной смеси, содержащий электрическую свечу, установленную перед отверстием, выполненным в испарителе, и расположенную в гильзе, в последней выполнено дозировочное отверстие, сообщающее коллектор с полостью запальника, при этом в задней торцовой стенке корпуса выполнено отверстие, концентричное камере сгорания, образующее стабилизатор горения топливно-воздушной смеси, согласно предложенному техническому решению,
форкамера образована вышеупомянутой цилиндрической стенкой, ограниченной со стороны, противоположной смежной стенке, сплошной торцовой стенкой, последняя образует с задней торцовой стенкой корпуса воздушную полость, сообщающуюся с кольцевым коллектором, при этом испаритель выполнен с угловым переходом его плоской составляющей, выполненной на всей площади сплошной торцовой стенки, к цилиндрической составляющей испарителя, концентрично расположенной на цилиндрической стенке форкамеры и ограниченной с торца смежной стенкой с диаметром отверстия, меньшим внутреннего диаметра цилиндрической составляющей углового испарителя, при этом в цилиндрической стенке форкамеры радиально через кожух закреплена гильза запальника, в которой размещен концентричный цилиндрический испаритель, образующий с электрической свечой воздушную полость, а к гильзе присоединен трубопровод подачи топлива к испарителю, последний торцом примыкает к угловому испарителю с возможностью передачи топлива через капиллярную структуру материала, при этом к передней торцовой стенке корпуса концентрично цилиндрической стенке камеры сгорания присоединена жаровая труба, а в задней торцовой стенке корпуса на фланце установлен центробежный компрессор с лопаточным колесом, расположенным в образованной полости корпуса для нагнетания воздуха в камеру сгорания через коллектор и в полость запальника через дозировочное отверстие, для чего во фланце выполнены радиальные отверстия для забора воздуха, при этом ось вращения лопаточного колеса расположена на центральной оси камеры сгорания, а трубки, выступающие в камеру сгорания, установлены с тангенциальным направлением, адекватным направлению завихрения воздуха в коллекторе, создаваемого вращением лопаточного колеса компрессора;
на внутренней стороне стенки гильзы запальника со стороны ее торца, примыкающего к цилиндрической стенке форкамеры, выполнен уступ, образующий между стенкой гильзы и испарителем круговую топливную полость, сообщающуюся с трубопроводом подачи топлива, присоединенным к гильзе с тангенциальным направлением;
цилиндрическая составляющая углового испарителя выполнена длиной, по крайней мере, не меньшей наружного диаметра гильзы запальника;
в форкамере перед плоской составляющей углового испарителя с воздушным зазором концентрично цилиндрической стенке закреплен плоский экран отражения излучаемой тепловой энергии.
Приведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленных вариантов исполнения камерной вихревой топки, отсутствуют. Следовательно, каждое из заявляемых технических решений соответствует условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками каждого заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками каждого из заявляемых технических решений преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, каждое из заявляемых технических решений соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
В настоящей заявке на выдачу патента соблюдено требование единства изобретения, поскольку варианты исполнения камерной вихревой топки предназначены для сжигания жидкого топлива в различных отопительных устройствах. Заявленные технические решения решают одну и ту же задачу - упрощение конструкции и снижение стоимости изготовления камерной вихревой топки.
На фиг.1 показана схема первого варианта исполнения камерной вихревой топки, продольный разрез; на фиг.2 - то же, разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - схема второго варианта исполнения камерной вихревой топки, продольный разрез; на фиг.4 - то же, разрез Б-Б на фиг.3.
Камерная вихревая топка по первому варианту исполнения содержит корпус, состоящий из цилиндрического кожуха 1, ограниченного передней 2 и задней 3 торцовыми стенками. В корпусе топки размещены форкамера 4 испарения топлива и камера 5 сгорания топливно-воздушной смеси, образованные в концентричной с кожухом 1 цилиндрической стенке 6, разделенной смежной стенкой 7, закрепленной одним концом на передней торцовой стенке 2 и закрытой с противоположного конца сплошной торцовой стенкой 8, образуя с корпусом сообщающиеся воздушные кольцевой коллектор 9 и полость 10. В передней торцовой стенке 2 выполнено отверстие 11, концентричное цилиндрической стенке 6, диаметром, меньшим диаметра камеры 5, к которой концентрично присоединена жаровая труба 12. В форкамере 4 размещен испаритель 13, выполненной из жаропрочного пористого материала с капиллярной структурой с угловым переходом плоской составляющей на всей площади сплошной торцовой стенки 8 и цилиндрической составляющей на цилиндрической стенке 6, ограниченной со стороны открытого торца смежной стенкой 7 с диаметром концентричного отверстия 14, меньшим внутреннего диаметра цилиндрической составляющей углового испарителя 13. Над форкамерой 4 радиально к цилиндрической стенке 6 в кожухе 1 установлен запальник 15 воспламенения топливно-воздушной смеси, содержащий электрическую свечу 16, расположенную в гильзе 17, в последней концентрично установлен цилиндрический испаритель 18, выполненный из жаропрочного пористого материала с капиллярной структурой, образующий с электрической свечой 16 воздушную полость 19. В форкамере 4 с воздушным зазором 20 на плоской составляющей испарителя 13 в ее центре закреплен плоский экран 21 отражения излучаемой тепловой энергии. (Фиг.1). Корпус снабжен патрубком 22 подачи воздуха в топку, расположенным с тангенциальным направлением к цилиндрическому кожуху 1. На внутренней стороне гильзы 17 со стороны ее торца, соединенного с цилиндрической стенкой 6, выполнен цилиндрический уступ, образующий между гильзой 17 и испарителями 13 и 18 круговую топливную полость 23, сообщающуюся с трубопроводом 24 подачи топлива, присоединенным с тангенциальным направлением к гильзе 17. Воздушный кольцевой коллектор 9 сообщается с камерой 5 через трубки 25, установленные в цилиндрической стенке 6, по меньшей мере, в один ряд и выступающие в камеру 5 с тангенциальным направлением, адекватным тангенциальному направлению патрубка 22. (Фиг.2). Испаритель 18 в запальнике 15 примыкает к испарителю 13 в форкамере 4 с возможностью передачи топлива через капиллярную структуру материала, а в цилиндрической составляющей углового испарителя 13 перед электрической свечой 16 выполнено отверстие 26 для факела из запальника 15 в форкамеру 4. В гильзе 17 над испарителем 18 выполнено дозировочное отверстие 27 для подачи воздуха из полости 10 корпуса в полость 19 запальника 15. Цилиндрическая составляющая углового испарителя 13 выполнена длиной, по крайней мере, не меньшей наружного диаметра гильзы 17.
Камерная вихревая топка во втором варианте исполнения содержит центробежный компрессор 28, установленный на задней торцовой стенке 3 корпуса с помощью фланца 29, с лопаточным колесом 30 в образованной полости 10 для подачи закрученного потока воздуха в камеру 5 сгорания топливно-воздушной смеси через коллектор 9 и в полость 19 запальника 15 через дозировочное отверстие 27 в гильзе 17. Ось вращения лопаточного колеса 30 расположена на центральной оси камеры 5. (Фиг.3). Во фланце 29 выполнены радиальные отверстия 31 для забора воздуха, при этом трубки 25, выступающие в камеру 5, установлены с тангенциальным направлением, адекватным направлению завихрения воздуха в коллекторе 9, создаваемого вращением лопаточного колеса 30. (Фиг.4).
Предложенная камерная вихревая топка по первому варианту исполнения работает следующим образом.
Работа камерной вихревой топки начинается с подачи воздуха в топку через патрубок 22, который тангенциальным направлением к кожуху 1 задает первоначальное закручивание потока воздуха в полости 10, из последней воздух одновременно поступает через дозировочное отверстие 27 в полость 19 запальника 15, из которой через отверстие 26 в угловом испарителе 13 в форкамеру 4, затем через отверстие 14 в камеру 5 и закрученным потоком в коллектор 9, из последнего воздух поступает через трубки 25 в камеру 5, усиливая тангенциальной направленностью завихрение воздуха в форкамере 4 и камере 5, из которой потоки воздуха вихрем перемещаются через отверстие 11 в жаровую трубу 12, а из нее в атмосферу. После продувки топки включают электропитание электрической свечи 16 и подачу топлива по трубопроводу 24 в круговую топливную полость 23 запальника 15. За счет тангенциального направления трубопровода 24 к гильзе 17 топливо омывает внутреннюю поверхность испарителя 18, наполняя топливом капиллярную структуру материала испарителей 18 и 13. Под действием радиационного и конвективного теплового потока от электрической свечи 16 топливо испаряется из цилиндрического испарителя 18 в полость 19 запальника 15, пары которого срываются проходящим через полость 23 потоком воздуха, образуя в полости 19 топливно-воздушную смесь, которая, обтекая нагретую электрическую свечу 13, воспламеняется и факелом выбрасывается через отверстие 26 в угловом испарителе 13 в форкамеру 4. В то же время в форкамере 4 топливо испаряется с поверхностей углового испарителя 13 и закрученным потоком воздуха по периметру цилиндрической стенки 6 и в воздушном зазоре 20 между испарителем 13 и плоским экраном 21, усиленным тангенциальной направленностью выступающих в камеру 5 трубок 25, пары топлива срываются с поверхностей испарителя 13, образуя в форкамере 4 концентрированную топливно-воздушную смесь. При встрече с факелом, выходящим из отверстия 26, топливно-воздушная смесь в форкамере 4 воспламеняется и вихрем устремляется через отверстие 14 в смежной стенке 7 в камеру 5 сгорания топливно-воздушной смеси, в которой концентрированные пары топлива обогащаются воздухом, интенсивно перемешиваются и сгорают. Под давлением воздуха пламя вихрем выбрасывается через отверстие 11 в передней торцовой стенке 2 корпуса в жаровую трубу 12, в которой догорают остатки несгоревшей топливно-воздушной смеси. Стабилизатор, образованный отверстием 11 в передней торцовой стенке 2 корпуса, усиливает завихрение топливно-воздушной смеси в камере 5 и обеспечивает устойчивое горение. После установления устойчивого режима горения в камере 5, топливо испаряется с поверхности углового испарителя 13 за счет радиационного и конвективного теплообмена непосредственно от горения топливно-воздушной смеси в камере 5, электрическая свеча 16 запальника 15 отключается от сети электропитания, и работа камерной вихревой топки переходит в автономный режим, при этом плоский экран 21 отражает излучаемую тепловую энергию от сжигания топливно-воздушной смеси в камере 5, предохраняя испаритель 13 от перегрева, а первоначальное закручивание потока воздуха в полости 10 корпуса тангенциальным направлением патрубка 22 дополнительно охлаждает торцовую стенку 8 форкамеры 4 со стороны полости 10. Выключение камерной вихревой топки осуществляется прекращением подачи топлива с последующей продувкой камеры 4 и жаровой трубы 12 и отключением электропитания.
Предложенная камерная вихревая топка по второму варианту исполнения работает следующим образом.
Для запуска камерной вихревой топки включают центробежный компрессор 28, последний лопаточным колесом 30 втягивает воздух через отверстия 31 во фланце 29 и нагнетает воздух в полость 10 корпуса, создавая лопаточным колесом 30 первоначальное закручивание потока воздуха в полости 10 корпуса, из которой воздух одновременно поступает через дозировочное отверстие 27 в полость 19 запальника 15, из которой через отверстие 26 в угловом испарителе 13 в форкамеру 4, затем в камеру 5, а также закрученным потоком вокруг внутреннего периметра цилиндрического кожуха 1 в коллектор 9, из последнего воздух поступает через трубки 25 также в камеру 5. Далее процесс выполняется аналогично работе камерной вихревой топки по первому варианту исполнения.
Применение предложенных вариантов исполнения камерной вихревой топки позволит повысить эффективность применения отопительных устройств с использованием жидкого топлива.