ГОРЕЛКА НА НЕФТИ И ОТРАБОТАННОМ МАСЛЕ
OIL AND WASTE OIL BURNER

[0001] Настоящее изобретение относится к горелке для генерирования тепла при высоких температурах с использованием в качестве ее топлива различных типов нефти и тяжелого отработанного масла. Может использоваться целый ряд масел, включая различные биодизельные топлива, такие как B99, и отработанное растительное масло. Предпочтительный вариант осуществления горелки разработан специально для питания двигателя Стирлинга, но может обеспечивать тепло и для других применений, таких как, например, другие двигатели внешнего сгорания, отопление жилого помещения или нагрев воды для коммунально-бытового или иного водоснабжения.
[0002] В известном уровне техники представлено множество масляных горелок различных видов. Нефть и тяжелые отработанные масла сжигать особенно трудно из-за их низкой летучести и высокой вязкости. Их высокая вязкость затрудняет их распыление. Их низкая летучесть затрудняет их воспламенение. Кроме того, их характеристики также затрудняют их сжигание таким образом, чтобы их сгорание создавало высокую температуру, такую как температура, равная или превышающая 1150°C для двигателя Стирлинга при температуре головки порядка 500°C.
[0003] Еще одной проблемой, с которой часто сталкиваются в случае горелок, сжигающих такие тяжелые масла, является то, что они обычно требуют периодической чистки или ремонта через относительно короткие промежутки времени, что делает их непрерывную работу практически неосуществимой или по меньшей мере дорогостоящей. Особенно трудно сжигать такие масла при температурах, необходимых, чтобы сделать работу двигателя Стирлинга практически осуществимой и эффективной. Двигатели Стирлинга требуют температур горелки порядка 1100-1400°C. Экспериментальным путем оказалось невозможным заставить известные масляные горелки работать для привода двигателя Стирлинга. В форсунках, использовавшихся в известных масляных горелках, возле выпуска отверстия форсунки образовывались отложения обуглившегося вещества, которые обычно вызывали забивание форсунки, когда горелку выключали. Известные горелки на тяжелых маслах обычно требуют, чтобы масло подавалось в форсунку под высоким давлением от 30 фунтов-сил/кв. дюйм или выше и обычно 100 фунтов-сил/кв. дюйм. Для этого требуется насос, который может подавать масло под требуемым давлением. Такие насосы требуют многочисленных частей, форсунки часто требуют нагревателей масла, и они работают при высоком давлении, и все это вместе снижает надежность и приводит к более частому обслуживанию, чем для насосов, работающих при низком давлении.
[0004] Еще одна проблема, связанная с известными горелками на тяжелых маслах, это воспламенение топлива. В известных масляных горелках обычно используются электрические искровые или дуговые воспламенители. Они хорошо работают в случае более легких масел, таких как широко используемые для бытовых отопительных печей. Однако экспериментальным путем было установлено, что нефть и тяжелое отработанное масло электрические воспламенители надежно воспламенять не будут.
[0005] Поэтому целью и признаком настоящего изобретения является создание горелки на тяжелом масле, которая может достигать высоких температур, не требует форсунки для распыления и выпускания масляного топлива в горелку, не требует насоса, работающего при высоком давлении, может надежно воспламеняться и будет работать несколько месяцев без обслуживания. Эта цель настоящего изобретения достигается путем использования сочетания конструктивных элементов, взаимодействующих для создания горелки на тяжелом масле, которая надежно работает, обеспечивает необходимые высокие температуры, и все это при необычайно продолжительном среднем времени работы между операциями по техническому обслуживанию.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] Настоящее изобретение представляет собой горелку, способную сжигать нефть или иное тяжелое масло и имеющую камеру сгорания, окруженную стенкой с термоизоляцией. Трубка топливно-воздушного инжектора проходит через стенку и открыта в камеру сгорания. Трубка подачи масла проходит по внутренней части трубки топливно-воздушного инжектора до внутреннего открытого конца, расположенного рядом с внутренним концом трубки топливно-воздушного инжектора. Вставка Вентури закреплена в трубке топливно-воздушного инжектора и имеет отверстие, расположенное снаружи от открытого внутреннего конца трубки подачи масла. Система подачи воздуха для сжигания, содержащая воздуходувку и рекуператор, передает тепло выходящих газообразных продуктов сгорания поступающему воздуху, поддерживающему горение, вдуваемому через рекуператор и трубку топливно-воздушного инжектора в камеру сгорания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ НЕСКОЛЬКИХ ВИДОВ НА ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ
[0007] Фиг. 1 представляет собой вид в перспективе предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения.
[0008] Фиг. 2 представляет собой другой вид в перспективе предпочтительного варианта осуществления, но если смотреть со стороны, противоположной стороне вида на фиг. 1.
[0009] Фиг. 3 представляет собой вид в перспективе предпочтительного варианта осуществления, подобный виду на фиг. 1, но с удалением некоторых компонентов, чтобы показать внутренние компоненты.
[0010] Фиг. 4 представляет собой вид в перспективе предпочтительного варианта осуществления, если смотреть под другим углом и ближе и подробнее, с удалением некоторых компонентов, чтобы показать внутренние компоненты.
[0011] Фиг. 5 представляет собой вертикальный разрез по оси камеры сгорания по линии 5-5 на фиг. 1.
[0012] Фиг. 6 представляет собой покомпонентный вид керамических и изолирующих компонентов, окружающих камеру сгорания и закрывающих ее конец, противоположный двигателю Стирлинга.
[0013] Фиг. 7 представляет собой покомпонентный вид, подобный виду на фиг. 6, но в перспективе, на котором показан конец керамических и изолирующих компонентов, окружающих камеру сгорания и закрывающих ее конец, противоположный двигателю Стирлинга.
[0014] Фиг. 8 представляет собой покомпонентный вид, подобный виду на фиг. 6, но в перспективе, на котором показан конец, противоположный концу, показанному на фиг. 7, на котором показаны керамические и изолирующие компоненты, окружающие камеру сгорания и закрывающие ее конец, противоположный двигателю Стирлинга.
[0015] Фиг. 9 представляет собой вид сбоку узла торцевой крышки в соответствии с настоящим изобретением.
[0016] Фиг. 10 представляет собой вид в перспективе узла торцевой крышки, показанного на фиг. 9.
[0017] Фиг. 11 представляет собой покомпонентный вид узла торцевой крышки с вкладышем изложницы, посаженным в кольцевой канавке узла торцевой крышки.
[0018] Фиг. 12 представляет собой вид в поперечном вертикальном разрезе перпендикулярно центральной оси камеры сгорания по линии 12-12 на фиг. 5 с удалением некоторых частей, чтобы показать нижележащие части.
Фиг. 13 представляет собой вид в перспективе камеры сгорания с удалением некоторых частей, чтобы показать нижележащие части.
[0020] Фиг. 14 представляет собой вид в перспективе с одной стороны предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения с удалением некоторых частей, чтобы показать внутренние части.
[0021] Фиг. 15 представляет собой вид в перспективе со стороны, противоположной стороне вида на фиг. 14, на котором показан предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения с удалением некоторых частей, чтобы показать внутренние части.
[0022] Фиг. 16 представляет собой поперечный разрез, выполненный перпендикулярно центральной оси камеры сгорания и в плоскости, проходящей через вторую кольцевую камеру нагрева воздуха для сжигания рекуператора по линии 16-16 на фиг. 5.
[0023] Фиг. 17 представляет собой вид в вертикальном разрезе по центральной оси камеры сгорания, иллюстрирующий поток горячих газообразных продуктов сгорания и поступающего воздуха для сжигания через рекуператор по линии 5-5 на фиг. 1.
[0024] Фиг. 18 представляет собой вид сбоку рекуператора по предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
[0025] Фиг. 19 представляет собой вид в перспективе смотровой заглушки предпочтительного варианта осуществления, на котором виден наружный конец смотровой заглушки.
[0026] Фиг. 20 представляет собой вид в перспективе смотровой заглушки предпочтительного варианта осуществления, на котором виден внутренний конец смотровой заглушки.
[0027] При описании предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения, который иллюстрируется на графических материалах, для ясности будет использоваться специальная терминология. Однако при этом не преследуется цель ограничить настоящее изобретение специальными терминами, выбранными таким образом, и следует понимать, что каждый специальный термин включает все технические эквиваленты, используемые подобным образом для достижения подобной цели.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0028] Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения имеет пять основных компонентов, каждый с несколькими подкомпонентами, и именно конструкция этих компонентов и взаимодействие между ними позволяют достичь целей настоящего изобретения. Основными компонентами являются:
[0029] (1) вихревая горелка;
[0030] (2) система подачи воздуха и топлива, содержащая трубку топливно-воздушного инжектора, трубку подачи масла, элемент Вентури и их взаимодействие с камерой сгорания горелки;
[0031] (3) рекуператор для предварительного нагрева поступающего воздуха, поддерживающего горение;
[0032] (4) газопламенный воспламенитель и его взаимодействие с конструкциями для впрыскивания и смешивания воздуха и топлива и с камерой сгорания горелки; и
[0033] (5) двигатель Стирлинга и его взаимодействие с горелкой.
[0034] Прилагаемые графические материалы и последующее описание описывают предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения. Однако настоящее изобретение может реализовываться с альтернативными конструкциями, отличающимися от конструктивных элементов предпочтительного варианта осуществления. Для лучшей иллюстрации конструктивных элементов предпочтительного варианта осуществления на некоторых фигурах графических материалов некоторые части убраны, чтобы показать внутренние части, которые иначе были бы полностью или частично скрыты убранными частями. Хотя ссылочные позиции используются для ссылки на комплектующие детали, не все ссылочные позиции показаны на всех фигурах.
[0035] ОБЗОР КОМПОНЕНТОВ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0036] Вначале будет описано взаимодействие между основными компонентами предпочтительного варианта осуществления, а затем более подробно будут описаны подкомпоненты основных компонентов. Расположение основных компонентов лучше всего проиллюстрировано на фиг. 1-4. На графических материалах несколько фигур имеют компоненты, убранные, чтобы показать компоненты, которые иначе были бы скрыты убранными компонентами.
[0037] Вихревая горелка 10 опирается на стойку 12. Масло, используемое в качестве топлива, содержится топливном баке 14. Топливный бак 14 не герметизирован от атмосферы, и поэтому содержащееся в нем масло находится под атмосферным давлением. Топливо из бака 14 передается через прозрачный шланг 16 бака в насос 18. Масло перекачивается по шлангу 20 насоса в трубку 22 топливно-воздушного инжектора, из которой топливно-воздушная смесь впрыскивается в горелку 10.
[0038] Воздух для поддерживания горения вдувается из внешней атмосферы и через рекуператор 26 воздуходувкой 24. Рекуператор 26 представляет собой противоточный теплообменник, передающий тепло от горячих газообразных продуктов сгорания в поступающий воздух, поддерживающий горение, по мере того как газообразные продукты сгорания выходят из горелки, протекают через рекуператор 26 и затем выбрасываются в окружающую атмосферу. Газообразные продукты сгорания и поступающий воздух протекают через отдельные камеры в теплообменник, так что эти газы не смешиваются. При работе в установившемся режиме после зажигания и нагревания горелки воздух, поддерживающий горение, обычно при температуре в диапазоне 130-200°C выдувается из рекуператора 26 по воздуховоду 28, присоединенному к трубному фитингу, который представляет собой тройник 30. Тройник 30 присоединен к концу трубки 22 топливно-воздушного инжектора. Небольшая трубка 32 подачи масла герметично подсоединена через самый наружный конец тройника 30 и проходит во внутреннюю часть трубки 22 топливно-воздушного инжектора и по ней. Предварительно нагретый воздух, поддерживающий горение, из воздуховода 28 закачивается в трубку 22 топливно-воздушного инжектора и по ней в камеру сгорания горелки 10, как будет подробнее описано ниже.
[0039] Для зажигания смеси масляного топлива и воздуха для сжигания, когда она первоначально впрыскивается в камеру 81 сгорания при пуске, предусмотрено пропановое запальное устройство 36. Камера 81 сгорания лучше всего видна на фиг. 5 и представляет собой цилиндрическое пространство или объем, являющийся внутренней частью цилиндрической сердцевины 34 горелки. Хотя запальное устройство 36 воспламенителя было описано как «пропановое» запальное устройство, в качестве источника топлива воспламенителя могут также использоваться другие горючие газы, такие как бутан или природный газ. Запальное устройство 36 воспламенителя имеет керамическую трубку 38 запального устройства с керамическим стабилизатором 40 пламени на своем внутреннем конце и узлом 42 электронного зажигания и электромагнитного клапана на своем наружном конце для инициирования и прекращения подачи газа в запальное устройство 36 и для зажигания его пламени под управлением системы управления. Газовое топливо для запального устройства 36 воспламенителя подается из топливного бака 44 воспламенителя по топливному шлангу 46 воспламенителя к электромагнитному клапану 42.
[0040] Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения является особенно преимущественным для подачи питания на двигатель Стирлинга. Двигатели Стирлинга особенно желательны, когда они приводят в действие генератор переменного тока или электрический генератор для подачи электрической энергии, хотя они могут использоваться также для приведения в действие других нагрузок, таких как водяной насос или холодильная установка. Конструкция двигателя 50 Стирлинга, используемого с предпочтительным вариантом осуществления, сама по себе не является частью настоящего изобретения. Горелка в соответствии с настоящим изобретением нагревает сплошную металлическую теплораспределительную головку 48, которая окружает внутреннюю головку 84 на горячем принимающем тепло конце двигателя 50 Стирлинга. Предпочтительная теплораспределительная головка 48 покрыта оболочкой из нержавеющей стали, которая заполнена медью. Теплораспределительная головка 48 принимает тепло из камеры 81 сгорания, защищает нижележащую металлическую внутреннюю головку 84 двигателя 50 Стирлинга и проводит тепло из камеры 81 сгорания во внутреннюю головку 84 двигателя Стирлинга. Внутренняя головка 84 является частью герметично уплотненного кожуха для двигателя Стирлинга, известного специалистам в области техники, связанной с двигателем Стирлинга. Теплораспределительная головка 48 проходит в сердцевину 56 горелки и обдается горячими газообразными продуктами сгорания, когда газообразные продукты сгорания закручиваются вихрем по спирали в камере 81 сгорания и продвигаются в продольном направлении по камере 81 сгорания от внутреннего конца трубки 22 топливно-воздушного инжектора в сторону теплораспределительной головки 48 и проходят ее. Как будет видно, горячие газообразные продукты сгорания протекают к теплораспределительной головке 48 и вокруг нее, а затем выходят из камеры сгорания в рекуператор 26 и проходят через него. Хотя значительное количество тепла передается посредством принудительной конвекции от газообразных продуктов сгорания, обдающих теплораспределительную головку 48, тепло в теплораспределительную головку 48 передается в основном излучением, в том числе излучением от внутренней стенки сердцевины 34 горелки. Поэтому теплораспределительная головка 48 проходит в камеру 81 сгорания почти всей своей длиной и расположена соосно в сердцевине 34 горелки. Из рекуператор 26 газообразные продукты сгорания вытекают по выпускной трубке 52 в окружающую атмосферу. Радиатор 54 присоединен к системе охлаждения двигателя Стирлинга и предназначен для передачи тепла, выделяемого двигателем Стирлинга в окружающую атмосферу.
[0041] ВИХРЕВАЯ КЕРАМИЧЕСКАЯ ГОРЕЛКА
[0042] Камера 81 сгорания горелки окружена тремя цилиндрическими прилегающими керамическими теплоизоляционными слоями, которые охвачены цилиндрическим корпусом 62 из нержавеющей стали. Изоляционные слои и корпус 62 предпочтительно являются соосными. Со ссылкой, в частности, на фиг. 5-11, самый внутренний керамический слой горелки представляет собой внутреннюю сердцевину 56, образующую внутреннюю стенку камеры 81 сгорания. Цилиндрическая внутренняя сердцевина 56 представляет собой трубку, желательно образованную литьем на внутреннюю стенку вкладыша 58 изложницы. Вкладыш 58 изложницы представляет собой цилиндрическую керамическую трубку, которая в проиллюстрированном предпочтительном варианте осуществления содержит два доступных на рынке вкладыша изложницы, обычно используемых в сталелитейной промышленности для образования вкладыша изложницы в форме для отливки металлических деталей. Они расположены соосно вокруг общей центральной оси и примыкают конец к концу. Предпочтительные вкладыши 58 изложницы имеют цилиндрическую стенку толщиной приблизительно 15-20 мм.
2
2
2
[0043] Внутренняя сердцевина 56 горелки представляет собой очень легкое изолирующее керамическое изделие, отлитое из мелкозернистого керамического порошка, продаваемого под товарным знаком RESCOR 740 или RESCOR 750 компанией Cotronics Corp, штат Нью-Джерси, США. Порошок RESCOR 740 является более предпочтительным, поскольку имеет более низкую плотность и более низкую теплопроводность, что делает его лучшим изолятором. Могут, однако, использоваться другие подходящие изолирующие керамические материалы с низкой теплопроводностью, которые могут выдерживать указанные температуры горелки. Керамический материал для образования внутренней сердцевины 56 должен иметь теплопроводность менее 10 БТЕ дюйм/(ч⋅фут⋅°F), более предпочтительно менее 4 БТЕ дюйм/(ч⋅фут⋅°F) и наиболее предпочтительно теплопроводность 1 БТЕ дюйм/(ч⋅фут⋅°F) или менее. Хотя использование керамики, пригодной к литью, является подходящим способом изготовления, использование керамики, пригодной к литью, является необязательным. Внутренняя сердцевина должна представлять собой керамическое изделие с низкой теплопроводностью для обеспечения высоких изолирующих характеристик и низкой тепловой массы, чтобы сократить до минимума время, необходимое для нагрева горелки до ее рабочей температуры в установившемся состоянии, и быть достаточно долговечным и значительно не повреждаться при температурах горелки.
[0044] Для того чтобы отлить внутреннюю сердцевину 56, во вкладыше 58 изложницы с использованием сегмента трубки из ПВХ создают внутреннюю стенку формы. Собранная трубка из ПВХ поддерживается соосно во вкладыше 58 изложницы так, что она находится на расстоянии приблизительно 10-12 мм от внутренней стенки вкладыша 58 изложницы. Порошок RESCOR объединяют с жидким активатором и керамическую смесь заливают между трубкой из ПВХ и вкладышем 58 изложницы. После того как смесь за ночь затвердеет, внутреннюю стенку формы извлекают. Как результат этого процесса, внутренняя сердцевина 56 и вкладыш 58 изложницы скрепляются как единое тело, имеющее общую толщину стенки приблизительно 25-32 мм. Затем их помещают в печь для отверждения внутренней сердцевины 56. Как следствие этого процесса получают внутреннюю сердцевину, имеющую достаточно легкую тепловую массу, которая будет достаточно быстро нагреваться для лучшего обеспечения инициирования и поддерживания горения. Внутренняя сердцевина 56 работает при температуре 1000-1150°C.
[0045] Третий и наружный концентрический цилиндрический керамический теплоизоляционный слой 60 получают путем намотки мягкой теплоизоляционной накладки из глинозема толщиной 1 дюйм приблизительно четыре-пять раз вокруг вкладыша 58 изложницы. Теплоизоляционная накладка из глинозема выдерживает температуры свыше 2000°C. Наружный изоляционный слой 60 наматывают достаточное количество раз, чтобы наружный диаметр наружного изоляционного слоя 60 был примерно равным внутреннему диаметру корпуса 62 из нержавеющей стали, образующего твердый защитный кожух для горелки. Наружный изоляционный слой 60 могут несколько сжимать, чтобы собранные три слоя изоляции поддерживались в устойчивой коаксиально отцентрированной конфигурации.
[0046] Со ссылкой, в частности, на фиг. 9 и 10, конец горелки, противоположный двигателю 50 Стирлинга, закрыт узлом 64 торцевой крышки. Узел 64 торцевой крышки имеет керамическую торцевую плиту 66, изготовленную из мягкого высокотемпературного изоляционного картона из глинозема, называемого «пенокартоном», доступного на рынке в виде массы для картона. Торцевая плита 66 имеет кольцевую периферию и центральное отверстие 68. На токарном станке на одной поверхности торцевой плиты 66 вытачивают кольцевой коаксиальный паз 70. Кольцевой паз 70 механически обрабатывают до радиальной толщины, и его внутреннюю и наружную цилиндрические стенки располагают так, что объединенные внутренняя керамическая сердцевина 56 и вкладыш 58 изложницы точно входят в кольцевой паз 70.
[0047] Со ссылкой, в частности, на фиг. 5 и 9-11, торцевую стенку камеры 81 сгорания получают литьем элемента 72 торцевой стенки камеры сгорания шляпообразной формы из той самой вышеописанной изолирующей керамики RESCOR. Элемент 72 торцевой стенки отливают in situ (на месте) в центральном отверстии 68 торцевой плиты 66, используя литейную форму подходящей формы и обрабатывая его таким же образом, как описано выше, для образования единого тела, содержащего торцевую плиту 66 и элемент 72 торцевой стенки. Элемент 72 торцевой стенки отливают таким, что из внутренней поверхности торцевой плиты 66 в осевом направлении выступает кольцеобразная фланцевая часть. Наружная периферия кольцеобразной фланцевой части элемента 72 торцевой стенки имеет такой диаметр, что она скользит, плотно прилегая, в цилиндрическую внутреннюю стенку внутренней сердцевины 56. Концы внутренней сердцевины 56 и вкладыша 58 изложницы закреплены в кольцевом пазу 70 на дне кольцевого паза 70 в торцевой плите 66. Для того чтобы обеспечить, что конец единой конструкции сцепленных внутренней сердцевины 56 и вкладыша 58 изложницы плотно входит в кольцевой паз 70 торцевой плиты 66, внутренний диаметр и наружный диаметр единой конструкции должны соответствовать внутреннему и наружному диаметрам кольцевого паза 70.
[0048] Предпочтительно центральное отверстие через элемент 72 торцевой стенки сужается в виде усеченного конуса, чтобы смотровую заглушку 74 можно было вставить в центральное отверстие и легко вынуть из него. Смотровая заглушка 74 подробнее описана ниже с описанием газопламенного воспламенителя. Для обеспечения дополнительной термоизоляции может предусматриваться пенокартонный диск 67 (фиг. 11), коаксиальный с торцевой плитой 66 и наружный по отношению к ней. Он имеет центральное отверстие для обеспечения доступа к смотровой заглушке 74.
[0049] На конце со стороны двигателя 50 Стирлинга единой конструкции, образованной внутренней сердцевиной 56 и вкладышем 58 изложницы, сцепленными вместе, кольцевой зазор 98 (фиг. 5 и 17) предусмотрен вокруг теплораспределительной головки 48 между теплораспределительной головкой 48 и внутренней сердцевиной 56. В варианте осуществления настоящего изобретения кольцевой зазор может, например, составлять 8-10 мм. Кольцевой зазор должен быть симметричным, чтобы обеспечить симметричное вытекание горячих газообразных продуктов сгорания вокруг теплораспределительной головки 48 двигателя Стирлинга для поддерживания и выравнивания теплопередачи или ее равномерного распределения при вытекании газов из камеры 81 сгорания и в рекуператор 26. Для способствования поддержанию плавного симметричного потока конец сердцевины 34 горелки со стороны двигателя выполняют с симметричным концом, закругленным на его внутренней кромке.
[0050] ВПРЫСК И СМЕШИВАНИЕ ВОЗДУХА И ТОПЛИВА
[0051] Фиг. 12 и 13 лучше всего иллюстрируют деталь конструкции подачи воздуха и топлива в камеру 81 сгорания. На этих фигурах представлены виды в поперечном разрезе перпендикулярно продольной оси горелки 10. Кроме того, на фиг. 12 и 13 часть вкладыша 58 изложницы, наружного изоляционного слоя 60 и корпуса 62 удалена, чтобы показать трубку 22 топливно-воздушного инжектора. На фиг. 12 этот разрез выполнен по оси по центру трубки 22 топливно-воздушного инжектора, чтобы показать ее внутреннюю часть.
[0052] Трубка 22 топливно-воздушного инжектора проходит вдоль отверстия, просверленного через наружный корпус 62 и изоляционные слои 56, 58 и 60. Трубка 22 топливно-воздушного инжектора выставлена параллельно касательной к кольцеобразному поперечному сечению внутренней сердцевины 56, образующей камеру 81 сгорания. Трубка 22 топливно-воздушного инжектора расположена на расстоянии в радиальном направлении наружу от центра камеры 81 сгорания и предпочтительно размещена так, что воображаемое продолжение трубки топливно-воздушного инжектора в камеру сгорания по существу прилегает к внутренней поверхности внутренней сердцевины 56. Такие ориентация и расположение трубки 22 топливно-воздушного инжектора обеспечивают поступление смеси топлива и воздуха, которая будет вытекать из трубки 22 топливно-воздушного инжектора в камеру 81 сгорания, по касательной в камеру сгорания для образования закручивающегося вихревого потока. Предпочтительная трубка 22 топливно-воздушного инжектора имеет внутренний диаметр 22 мм. Внутренний конец 76 трубки 22 топливно-воздушного инжектора обрезан и по форме выполнен таким, что находится по существу заподлицо с внутренней цилиндрической поверхностью внутренней сердцевины 56. Трубка 22 топливно-воздушного инжектора может заканчиваться во внутренней сердцевине 56, так что она слегка утоплена относительно внутренней поверхности внутренней сердцевины 56, но все же находиться по существу заподлицо с ней. «По существу заподлицо» и «слегка утоплена» означают, что любое отличие от «точно заподлицо» или «без утапливания» и величина утапливания или отступления от «точно заподлицо» оказывают лишь несущественное или незначительное влияние на работу горелки.
[0053] Масляное топливо поставляется в трубку 22 топливно-воздушного инжектора по трубке 32 подачи масла, как описано выше. Трубка 32 подачи масла лучше всего видна на фиг. 12. Трубный фитинг-тройник 30 проиллюстрирован в разрезе на фиг. 12. Трубка 32 подачи масла проходит в продольном направлении по существу по всей длине трубки 22 топливно-воздушного инжектора до изогнутого вниз конца 78. Трубка 32 подачи масла не имеет на своем конце форсунок и не имеет встроенных элементов форсунки, таких как пазы или иные контуры, чтобы вызывать коническое расхождение масла на выходе или завихрение или вращение существующего потока масла, которые форсунки обычно имеют, чтобы разбивать масло на мелкие частицы. Хотя такие форсунки можно использовать, экспериментальным путем было установлено, что в них нет необходимости. Предпочтительная трубка 32 подачи масла имеет и внутренний диаметр 0,085 дюйма.
[0054] Трубка 22 топливно-воздушного инжектора имеет также вставку 80 для образования элемента Вентури на внутреннем конце 76 трубки 22 топливно-воздушного инжектора. Вставка 80 Вентури имеет цилиндрическую периферию для надежного расположения во внутреннем конце 76 трубки 22 топливно-воздушного инжектора, но раньше по потоку (снаружи) от открытого конца трубки 32 подачи масла. Вставка 80 Вентури имеет центральное отверстие 82, предпочтительно имеющее диаметр в диапазоне 9-14 мм и наиболее предпочтительно 10 мм. Изогнутый вниз конец 78 трубки 32 подачи масла предпочтительно выровнен по радиусу трубки 22 топливно-воздушного инжектора и предпочтительно заканчивается на продольной оси трубки 22 топливно-воздушного инжектора. Цель такого расположения заключается в выравнивании конца 78 трубки 32 подачи масла поперечно центральной оси отверстия 82 вставки 80 Вентури, чтобы масляное топливо выходило из трубки 32 подачи масла в направлении, поперечном и предпочтительно перпендикулярном центральной оси отверстия 82 в месте дальше по потоку в аксиальном направлении от центрального отверстия 82.
[0055] При работе горелки в установившемся режиме насос 18 перекачивает масляное топливо по трубке 32 подачи масла в камеру сгорания во внутренней сердцевине 56, и одновременно с этим в горелку по трубке 22 топливно-воздушного инжектора вдувается нагретый воздух для сжигания. Насос 18 дозирует расход масляного топлива. При опытной эксплуатации манометр на масляном насосе 18, рассчитанный на давление насоса по меньшей мере 50 фунтов-сил/кв. дюйм, не дает показаний давления. Поэтому ясно, что давление поступающего топлива составляет 1 фунт-сила/кв. дюйм или менее. Поступающий с высокой скоростью воздух для сжигания закачивается через отверстие 82 непосредственно перед введением топлива в горелку на конце 78 трубки 32 подачи масла. Вставка 80 Вентури создает область значительно пониженного давления на открытом конце трубки 32 подачи масла. Как результат, поступающее масляное топливо распыляется посредством совокупного эффекта пониженного давления дальше по ходу потока от отверстия 82 и эффекта воздуха, проходящего с высокой скоростью через открытый конец трубки 32 подачи масла. Именно сочетание выпускного отверстия для топлива без форсунки, его расположения рядом с внутренней стенкой внутренней сердцевины 56, потока воздуха по касательной по трубке 22 топливно-воздушного инжектора и отверстия 82, расположенного непосредственно раньше по ходу потока от выпускного отверстия для топлива, обеспечивает эффективное распыление масляного топлива. Это сочетание особенно эффективно для пуска горелки. Кроме того, расширение воздуха на конце 78 выпускного отверстия для топлива также снижает температуру конца 78 трубки 32 подачи масла, что помогает предотвратить нарастание сажи на конце 78.
[0056] Выпускное отверстие для масла на конце 78 трубки 32 подачи масла и вставка 80 Вентури расположены на внутреннем конце трубки 22 топливно-воздушного инжектора. При работе в установившемся режиме такое расположение обеспечивает мгновенное инициирование горения при поступлении топливно-воздушной смеси в камеру сгорания. Такое расположение предотвращает возникновение горения в трубке 22 топливно-воздушного инжектора. Поскольку конец трубки 22 топливно-воздушного инжектора находится заподлицо или почти заподлицо с внутренней поверхностью внутренней сердцевины 56, смесь распыленных топлива и воздуха для сжигания поступает в камеру сгорания сразу же после распыления. Кроме того, поскольку трубка 22 топливно-воздушного инжектора расположена по касательной, как описано выше, эта смесь сразу же входит в контакт с горячей внутренней поверхностью внутренней сердцевины 56 и сразу же двигается в спиральном вихревом потоке, как описано выше. Представляется вполне вероятным, однако, что выпускное отверстие для топлива и отверстие вставки Вентури вряд ли бы работали по-прежнему эффективно, если бы отверстие находилось в пределах 2 см от конца трубки 22 топливно-воздушного инжектора.
[0057] Кроме того, трубка 22 топливно-воздушного инжектора расположена над центром цилиндрической камеры 81 сгорания, таким образом сужающийся конец трубки проходит под углом с наклоном, располагающим выступающий сужающийся конец трубки 22 топливно-воздушного инжектора на верхней стороне трубки 22 топливно-воздушного инжектора. Тем самым обеспечивается, что масло, выпускаемое из внутреннего конца 78 трубки 32 подачи масла, не может падать на внутреннюю стенку трубки 22 топливно-воздушного инжектора, а вместо этого протекает прямо в вихревой поток.
[0058] Отношение внутренних диаметров трубки 22 топливно-воздушного инжектора и отверстия 82 вставки Вентури определяет снижение давления, вызванное элементом Вентури. Таким образом, размеры, указанные для этих диаметров, можно изменять в большую и меньшую сторону для большей или меньшей скорости подачи топлива. Расходы воздуха и топлива для горелки в соответствии с настоящим изобретением сохраняются близкими или обычно близкими к стехиометрическому соотношению, равному приблизительно 16:1. Однако желательно работать в режиме чуть более бедной смеси во избежание отложений сажи и для поддержания низкого уровня выбросов монооксида углерода и диоксида углерода. Опытным путем расход топлива был установлен равным приблизительно 0,95 литров/час. Естественно, расход топлива можно изменять для повышения или снижения расходов топлива и воздуха. В ходе опытов поступающий воздух для сжигания предварительно нагревали в рекуператоре 26 до температуры приблизительно 145°C. Также установлено, что в наиболее часто используемых температурных условиях масляное топливо не требует предварительного нагрева и хорошо работает при температурах порядка 15-20°C. Естественно, при арктических температурах некоторый предварительный нагрев мог бы быть желательным. Тепло для этого легко доступно от газообразных продуктов сгорания, выпускаемых из рекуператора 26, а также от тепла, выделяющегося из двигателя Стирлинга.
[0059] РЕКУПЕРАТОР
[0060] Рекуператор 26 и части, связанные с ним, лучше всего проиллюстрированы на фиг. 14-18. На этих фигурах несколько компонентов предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения убраны, чтобы показать компоненты, которые будут описываться. Хотя использование рекуператора для работы горелки не является обязательным, оно является крайне предпочтительным, поскольку повышает эффективность горения горелки.
[0061] В общих чертах, рекуператор представляет собой противоточный теплообменник с общей стенкой в виде плоской пластины, передающий тепло от горячих выходящих газообразных продуктов сгорания поступающему воздуху для поддерживания горения. Он расположен смежно с концом камеры 81 сгорания, противоположным концу, где смесь топлива и воздуха для сжигания поступает с высокой скоростью по трубке 22 топливно-воздушного инжектора. Рекуператор 26 имеет две расположенные в ряд кольцевые камеры 100 и 102, окружающие внутреннюю головку 84 двигателя 50 Стирлинга и отделенные друг от друга непроницаемой общей теплопроводящей стенкой 104 (фиг. 16). Первая камера 100 рекуператора (фиг. 17, 18) образует кольцевой проход, через который протекают горячие газообразные продукты сгорания, которые затем вытекают из выпускной трубки 52. Вторая камера 102 рекуператора представляет собой кольцевой проход 102, смежный в осевом направлении с первой камерой 100 и расположенный в пути подачи воздуха для сжигания между воздуходувкой 24 и воздуховодом 28.
[0062] Пулевидная теплораспределительная головка 48, окружающая внутреннюю головку 84 двигателя 50 Стирлинга, проходит большую часть пути во внутреннюю сердцевину 56, образующую камеру 81 сгорания. Как показано на фиг. 17, зазор 98 (показанный с указывающими поток стрелками) образован между периферийным ободком 97 теплораспределительной головки 48, внутренней поверхностью внутренней сердцевины 56 и внутренней концевой поверхностью 99 рекуператора 22, ограничивающей камеру 81 сгорания. Перегретые газообразные продукты сгорания выходят из камеры 81 сгорания через зазор 98 по пути, показанному указывающими поток стрелками на фиг. 17, и поступают в более близкую кольцевую камеру 100 рекуператора 26. Газообразные продукты сгорания циркулируют по более близкой кольцевой камере 100 в контакте с общей стенкой 104 и затем по выпускной трубке 52 выбрасываются в атмосферу.
[0063] Воздух из воздуходувки 24 по впускному трубопроводу 103 для воздуха поступает во вторую кольцевую камеру 102, циркулирует по кольцевой камере 102 и по воздуховоду 28 вытекает в трубку 22 топливно-воздушного инжектора. Как проиллюстрировано на фиг. 16, во втором проходе 102 предпочтительно установлено спиральное направляющее ребро 128 для направления поступающего воздуха для сжигания по спирали в проходе 102, чтобы тем самым дополнительно повысить эффективность передачи тепла.
[0064] Таким образом рекуператор 26 передает тепло от выходящих газообразных продуктов сгорания, вытекающих из горелки, поступающему воздуху для сжигания из воздуходувки 24 при протекании воздуха для сжигания в трубку 22 топливно-воздушного инжектора. Предварительное нагревание воздуха для сжигания посредством рекуператора 26 значительно повышает эффективность генерирования тепла от сгорания в камере 81 сгорания.
[0065] ГАЗОПЛАМЕННЫЙ ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬ
[0066] Газопламенный воспламенитель был частично описан ранее в обзоре настоящего изобретения. Воспламенитель был разработан, поскольку было установлено, что обычная система зажигания с искровым разрядом, используемая для масляных горелок, неэффективна для зажигания тяжелого масла. Поэтому в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения масляное топливо зажигается газовым пламенем.
[0067] Фиг. 19 и 20 более подробно иллюстрируют смотровую заглушку 74 вместе с компонентами запального устройства 36 воспламенителя, формованными в смотровую заглушку 74. Смотровая заглушка 74 формована из керамики, обладающей такими же характеристиками, что и сердцевина 34 горелки, и предпочтительно из того же материала. Трубка 38 запального устройства вместе со своим стабилизатором 40 пламени формована по центру в смотровой заглушке 74 и проходит через нее. Предпочтительно стабилизатор 40 пламени формован в смотровой заглушке 74 и его внутренний конец оканчивается на внутренней поверхности (находится заподлицо с ней) смотровой заглушки 74. Трубка 38 запального устройства проходит в осевом направлении наружу из смотровой заглушки 74 в соединение с узлом 42 электронного зажигания и электромагнитного клапана для соединения с топливным шлангом 46 воспламенителя и топливным баком 44 воспламенителя (на фиг. 19 и 20 не показаны). В смотровую заглушку 74 сформованы также две керамические трубки 132 и 134, содержащие оптические датчики 130, контролирующие наличие горения в камере сгорания. Поскольку оптические датчики доступны на рынке, оптические датчики 130 и связанная с ними печатная плата не показаны. Однако желательно, чтобы сами оптические датчики были вставлены в наружный конец каждой из керамических трубок 132 и 134 и установлены в нем так, чтобы они находились на линии прямой видимости внутренней части камеры 81 сгорания. Связанные с ними печатные платы установлены на концах керамических трубок 132 и 134 и предпочтительно имеют термоизоляцию. Керамические трубки 132 и 134 проходят наружу из смотровой заглушки 74 и в воздух на расстояние, достаточное для поддерживания оптических датчиков 130 и связанной с ними печатной платы при температуре, которая при работе горелки не повредит их.
[0068] Для того чтобы инициировать газовое пламя, предлагается известная электронная система зажигания, которая является очень эффективной. Для того чтобы подготовить горелку к сжиганию масла, запускают в работу воздуходувку и открывают клапан в верхней части бака 44 с пропаном. Затем для инициирования потока газа по трубке 38 запального устройства и из стабилизатора 40 пламени запального устройства 36 воспламенителя открывают клапанную часть узла 42 электронного зажигания и электромагнитного клапана. Затем приводят в действие электронный воспламенитель для создания искры, поджигающей газообразный пропан. После того как оптические датчики 130 подтверждают наличие газового пламени, приводится в действие масляный насос 18 и начинает впрыскивание и распыление масляного топлива из трубки 22 топливно-воздушного инжектора. Для достижения лучшего сгорания желательно вначале впрыскивать масло с расходом топлива, превышающим используемый для работы в установившемся режиме, а затем, после того как сердцевина 34 горелки нагрелась, уменьшить расход топлива для работы в установившемся режиме. Опытным путем установлено, что масляное топливо начинает гореть в течение 30 секунд или менее после момента его первоначального впрыскивания, и внутренняя поверхность внутренней сердцевины 56 может нагреваться до приблизительно 800°C. Работа в установившемся режиме обычно происходит при температуре 800-1100°C в зависимости от требований к эксплуатации.
[0069] Пара оптических датчиков 130 следит за камерой 81 сгорания по керамическим трубкам 132 и 134 и распознает, горит ли пропановое запальное устройство 36 воспламенителя. После того как пропановое запальное устройство 36 воспламенителя зажглось и прошло достаточное количество времени, чтобы масляное топливо загорелось, например 30 секунд, запальное устройство 36 воспламенителя выключается. После того как пропановое запальное устройство 36 воспламенителя выключилось, оптические датчики 130 распознают, горит ли горелка так, что сжигает масло. Если оптические датчики 130 распознают, что пламя по-прежнему присутствует, пусковая последовательность заканчивается. Если оптические датчики 130 распознают, что пламя погасло, система останавливается и пусковую последовательность можно повторить.
[0070] Единственными задействованными устройствами являются масляный насос 18, воздуходувка 24 и узел 42 электронного зажигания и электромагнитного клапана. Затем может использоваться электронная система программируемого управления, управляющая всеми ими. Единственной необходимой входной информацией для электронной системы программируемого управления является сигнал от оптических датчиков 130. Система управления может автоматически повторно запустить пусковую последовательность, если оптические датчики 130 распознают, что горение масла не началось. Конечно, в качестве источников входной информации для системы управления могут использоваться дополнительные датчики, такие как, например, датчик уровня топлива, для обнаружения низкого уровня масла в топливном баке 14. В качестве источников входной информации для системы управления могут подключаться датчики температуры для определения температуры горелки с целью регулирования расхода масла или остановки в случае аномально высокой температуры.
[0071] Ожидается, что вышеописанная горелка в соответствии с настоящим изобретением часто будет непрерывно работать неделями, а в некоторых случаях применения - годами. Альтернативно, например, если двигатель Стирлинга генерирует электрическую энергию, не требующуюся непрерывно, горелка может эксплуатироваться периодически, в том числе под автоматическим управлением электронного контроллера или, конечно, под ручным управлением. По расчетам, учитывая относительно короткую продолжительность работы газового воспламенителя, горелка, как ожидается, может работать год или более, пока имеет подачу масла, даже при частых периодических включениях и выключениях.
[0072] ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ
[0073] 10 - Горелка
[0074] 12 - Поддерживающая стойка
[0075] 14 - Топливный бак
[0076] 16 - Шланг бака
[0077] 18 - Масляный насос
[0078] 20 - Шланг насоса
[0079] 22 - Трубка топливно-воздушного инжектора
[0080] 24 - Воздуходувка
[0081] 26 - Рекуператор
[0082] 28 - Воздуховод (от рекуператора)
[0083] 30 - Трубный фитинг-тройник
[0084] 32 - Впускная масляная трубка
[0085] 34 - Сердцевина горелки
[0086] 36 - Запальное устройство воспламенителя
[0087] 38 - Трубка запального устройства
[0088] 40 - Стабилизатор пламени (для запального устройства воспламенителя)
[0089] 42 - Узел электронного зажигания и электромагнитного клапана
[0090] 44 - Топливный бак воспламенителя
[0091] 46 - Топливный шланг воспламенителя
[0092] 48 - Теплораспределительная головка (двигателя Стирлинга)
[0093] 50 - Двигатель Стирлинга
[0094] 52 - Выпускная трубка (для газообразных продуктов сгорания)
[0095] 54 - Радиатор
[0096] 56 - Внутренняя сердцевина горелки
[0097] 58 - Вкладыш изложницы
[0098] 60 - Наружный изоляционный слой
[0099] 62 - Корпус
[00100] 64 - Узел торцевой крышки
[00101] 66 - Торцевая плита
[00102] 67 - Изолирующий пенокартонный диск
[00103] 68 - Центральное отверстие торцевой плиты
[00104] 70 - Кольцевой паз торцевой плиты
[00105] 72 - Элемент торцевой стенки камеры сгорания
[00106] 74 - Смотровая заглушка
[00107] 76 - Внутренний конец трубки топливно-воздушного инжектора
[00108] 78 - Изогнутый вниз конец трубки подачи масла
[00109] 80 - Вставка для образования элемента Вентури
[00110] 81 - Камера сгорания
[00111] 82 - Отверстие вставки Вентури
[00112] 84 - Внутренняя головка двигателя Стирлинга
[00113] 97 - Ободок теплораспределительной головки (двигателя Стирлинга)
[00114] 98 - Зазор
[00115] 99 - Внутренняя концевая поверхность рекуператора
[00116] 100 и 102 - Расположенные в ряд коаксиальные кольцевые камеры рекуператора
[00117] 103 - Впускной трубопровод для воздуха, поддерживающего горение
[00118] 104 - Непроницаемая общая стенка коаксиальных камер рекуператора
[00119] 128 - Спиральное направляющее ребро в рекуператоре
[00120] 130 - Оптические датчики
[00121] 132 и 134 - Керамические трубки для оптических датчиков.