ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО
BURNER DEVICE

Изобретение относится к жидкотопливным горелочным устройствам, использующим для горения перегретый водяной пар.
Известно горелочное устройство, использующее для горения перегретый водяной пар (Патент РФ №2219435), содержащее корпус в виде стакана, паровую форсунку, вмонтированную в дно корпуса, воздухоподводящие отверстия, выполненные в нижней части корпуса над топливником, топливопровод, вмонтированный в топливник, паропровод, соединенный с паровой форсункой, и камеру газогенерации.
Камерой газогенерации здесь служит внутренняя полость стакана, где встречаются продукты неполного сгорания жидкого углеводородного топлива и перегретый водяной пар. Происходит паровая газификация этих продуктов и генерируется синтезгаз: смесь газов углеводородного ряда, окиси углерода и водорода.
Полученный синтезгаз вместе с парами жидкого топлива и сажистыми частицами вылетает из камеры газогенерации и сгорает в атмосфере либо в топке котла в виде факела.
Известно, что раскаленные сажные частицы облегчают разрыв молекулы воды на кислород и водород. Кроме того, известно, что водяной пар является ускорителем реакции горения окиси углерода. Все эти эффекты, ускоряющие процесс окисления, совместно с механической турбулезацией газового потока, создаваемого высокоскоростной струей перегретого водяного пара, приводит к более качественному сгоранию топлива в объеме факела. Выгорание горючего вещества увеличивается и, как следствие, вредные выбросы уменьшаются.
Таким образом, использование перегретого водяного пара в жидкотопливных горелочных устройствах приводит к двум положительным эффектам, энергетическому и экологическому.
Недостатком данного горелочного устройства является то, что перегретый водяной пар подводится от постороннего источника, что требует специального отдельного устройства вырабатывающего перегретый водяной пар.
Известно также горелочное устройство (Международная заявка WO 9301449), содержащее камеру газогенерации в виде трубы, соединенной с выходным каналом центробежного вентилятора, жидкотопливную форсунку, расположенную в камере газогенерации и соединенную с устройством подачи топлива трубопроводом, а также встроенный парогенератор перегретого водяного пара, установленного на входе смесительной трубы, соединенной со входным каналом центробежного вентилятора.
Перегретый водяной пар здесь производится с помощью электрической энергии и смешивается со всасывающимся воздухом так, чтобы пар не сконденсировался.
Смесь воздуха и перегретого водяного пара нагнетается центробежным вентилятором в трубу, где топливной форсункой распыляется жидкое топливо.
В пространстве трубы, за форсункой, происходят также процессы газификации. Генерируется синтезгаз и вместе с парами топлива, сажными частицами, а также капельками неиспарившегося топлива сгорает в топке котла в виде факела.
Недостатком такого устройства является то, что необходимы для работы дополнительные источники энергии и устройства подачи топлива и воздуха под давлением.
Наиболее близким техническим решением является горелочное устройство (Патент США №3804579).
Данное горелочное устройство содержит цилиндрический корпус, состоящий из трех скрепленных отсеков. В первом отсеке размещены элементы, регулирующие подачу топлива, воздуха и воды под давлением. Во втором, центральном отсеке, размещены трубопроводы. В третьем отсеке размещена камера смешивания топлива, воздуха и перегретого водяного пара, спереди нее установлен распределитель с большим количеством каналов (диск с отверстиями). Далее камера газогенерации и после нее соосно размещен теплообменник змеевикового типа для получения перегретого водяного пара от тепла собственного факела.
В этом горелочном устройстве топливо, вода и воздух подаются от отдельных источников под давлением. В змеевиковом теплообменнике вода испаряется, превращается в насыщенный пар, а затем перегревается. Из камеры смешивания через распределитель продукты горения вместе с перегретым водяным паром попадают в камеру газогенерации, где происходит процесс паровой газификации. Здесь генерируется синтезгаз, который совместно с сажистыми частицами, парами жидкого топлива, под действием давления нагнетающих устройств выносится в зону змеевикового теплообменника и сгорает в виде факела.
Недостатком такого горелочного устройства является то, что для его работы требуются отдельные, дополнительные устройства подающие топливо, воздух и воду под давлением.
Кроме того, выработка перегретого водяного пара в змеевиковом теплообменнике является весьма затруднительной. Вскипание воды может осуществляться в любом месте змеевика (не там, где нужно) из-за сильного турбулентного потока раскаленных газов. Здесь зона максимальной температуры не будет стоять на одном месте, она все время перемещается. Поэтому вода может закипать то в одном месте трубки, то в другом, что может привести к тому, что пар образуется там, где впереди находится вода. Будут происходить гидравлические удары, из парового сопла может вырываться то пар, то вода. Работа такого парогенератора может быть неравномерной.
В основу изобретения положена задача создания автономного, малогабаритного горелочного устройства, вырабатывающего высокотемпературный факел без использования дополнительных устройств и источников энергии.
Поставленная задача решается тем, что в горелочном устройстве, содержащем корпус, топливопровод, воздуховоды, встроенный парогенератор водяного пара с паровой форсункой, камеру газогенерации, а кроме того, в корпусе, сбоку, установлено сопло для выхода факела, а паровая форсунка расположена в камере газогенерации соосно с соплом и трубкой соединена с пароперегревателем парогенератора, имеющим форму кольцевой камеры, внутри которого расположен паросепаратор, а водяной бачок-испаритель парогенератора расположен сверху пароперегревателя и паросепаратора, причем бачок-испаритель, паросепаратор и пароперегреватель соединены трубками и не имеют общих стенок. Расположение блоков парогенератора позволяет равномерно и надежно вырабатывать перегретый водяной пар. Пароперегреватель и паросепаратор находятся в зоне горения топлива и имеют температуру стенок выше, чем бачок-испаритель, что позволяет стабилизировать тепловой баланс устройства, где, кроме того, частично охлаждается бачок-испаритель, за счет засасываемого внутрь воздуха из-за эжекционного эффекта, получаемого от истекаемого газового потока через сопло.
Таким образом, предлагаемое изобретение за счет наличия корпуса, в котором сбоку установлено сопло для выхода факела, а также за счет наличия парогенератора, имеющего три раздельных блока, имеющих оригинальную, компактную форму и взаимное расположение, в которых надежно вырабатывается перегретый пар и подается в паровую форсунку, расположенную соосно с соплом над горящим топливом в камере газогенерации, где из форсунки струя перегретого водяного пара, отреагировав с продуктами неполного сгорания топлива и образовав синтезгаз, выносится через сопло в атмосферу в виде высокотемпературного факела, позволяет создать простое, автономное горелочное устройство, которое может быть миниатюрным.
Сущность технического решения поясняется чертежом общего вида устройства.
Устройство состоит из двух отдельных блоков: парогенератор 1 и корпус 2.
Парогенератор 1 состоит из водяного бачка-испарителя 5, паросепаратора 6, пароперегревателя 7, имеющего форму кольцевой камеры.
Бачок-испаритель 5 соединен с паросепаратором 6 трубкой 8, а паросепаратор 6 соединен с пароперегревателем 7 трубкой 9.
Пароперегреватель 7 соединен трубкой 10 с держателем паровой форсунки 11, в который ввинчена паровая форсунка 12. В водяной бачок-испаритель 5 вварена заливная горловина 13, закрытая пробкой 14. Внутри бачка-испарителя 5 установлена брызгоотбойная пластина 15. На водяной бачок-испаритель 5 установлена крышка-утеплитель 16.
Вся конструкция парогенератора 1 держится в корпусе 2 посредством трех лапок 17, приваренных к бачку 5.
Корпус 2 состоит из цилиндрического стакана 20, антипроливателя 21, предназначенного для предохранения от пролива топлива, сопла 22, вваренного в антипроливатель 21. В корпусе 20 над топливником 23 выполнены воздухоподводящие отверстия 24. Пространство, ограниченное топливником 23, парогенератором 1, форсункой 12 и соплом 22, является камерой газогенерации 25. К антипроливателю 21 с противоположной стороны от сопла 22 прикреплена ручка 26.
Устройство работает следующим образом.
В бачок-испаритель 5 заливается дистиллированная вода, а в топливник 23 - жидкое топливо. Топливо поджигается, горит, дымовые газы выходят вверх через зазор между корпусом 2 и бачком 5. Парогенератор прогревается, причем паросепаратор 6 и пароперегреватель 7, находящиеся в зоне огня, нагреваются до большей температуры, чем бачок 5, поскольку он расположен выше, в зоне более низкой температуры. Через 3-5 минут вода в бачке 5 закипает и насыщенный пар попадает сначала в паросепаратор 6, где капли воды оседают на его дне, имеющем достаточно высокую температуру, и быстро вскипают. Пар, лишенный влаги, через трубку 9 попадает в пароперегреватель 7, где его температура повышается, и далее перегретый пар истекает из паровой форсунки 12.
2
Давление пара в парогенераторе поднимается до 5-6 кг/см, далее тепловой процесс стабилизируется. Струя пара истекает из паровой форсунки, имеющей отверстие в десятые доли миллиметра (0,6 мм), очень интенсивно, с достаточно большой скоростью.
Паровая струя затягивает на себя языки сажного пламени горящего топлива. Перегретый водяной пар, встречаясь с продуктами неполного сгорания углеводородного топлива, производит генерацию синтезгаза.
Полученный синтезгаз совместно с парами жидкого топлива, сажистыми частицами и другими горючими газами выносится через сопло наружу, где сгорает в среде атмосферного кислорода.
Поток раскаленных газов производит инжекторный эффект, за счет которого в камеру газогенерации засасывается воздух, необходимый для горения топлива через отверстия 24, а также через зазор между корпусом 2 и бачком-испарителем 5. Воздух, проходя по этому зазору, отнимает часть тепла от бачка-испарителя и не позволяет чрезмерно поднимать давление пара а парогенераторе. Таким образом происходит стабилизация теплового баланса горелочного устройства.
Авторами изготовлен экспериментальный образец такого горелочного устройства и проведены испытания.
Технические параметры устройства и данные испытаний.
Назначение горелочного устройства
розжиг угля в топках бытовых и промышленных печей
1.
Вид топлива
дизельное
2.
Используемая вода
дистиллят
3.
Количество заливаемой в парогенератор воды (см<sup>3</sup>)
50
4.
Количество заливаемого в топливник топлива (см<sup>3</sup>)
100
5.
Габаритные размеры горелочного устройства (мм)
⌀100×120
6.
Масса (г)
900
7.
Время запуска (мин)
3-5
8.
Время работы (мин)
20
9.
Размер факела (мм)
⌀30×200
10.
Температура факела (°С)
1300
11.
Вид испытуемой печи
водогрейный котел
12.
Размеры топки печи (мм)
300×400×600
13.
Температура закладываемого угля (°С)
-20
14.
Вид угля
каменный уголь комковой
15.
Время розжига (мин)
10
Испытания показали очень хорошие результаты. Экспериментальный образец розжиговой горелки справился со своей функцией.
Авторы назвали это созданное горелочное устройство - автономная розжиговая горелка «Вигриянка» (АРГВ).