ТЕПЛОГЕНЕРАТОР ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ГОРЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области энергетики и может использоваться для выработки тепла во всех отраслях: промышленности, сферы обслуживания, сельского хозяйства, обороны, научных исследований.
Известен котел по патенту RU2293253, содержащий камеру сгорания, выполненную в виде цилиндрической полости с закрытым торцом и открытым торцом, емкость для нагреваемого теплоносителя, установленное в камере сгорания запальное устройство со свечой зажигания, а также смесительное устройство, дефлектор. Устройство отвода продуктов сгорания связано с открытым торцом камеры сгорания посредством, по меньшей мере, одного змеевика, расположенного в полости емкости для нагреваемого теплоносителя. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции котлов, снижение габаритов и массы на единицу теплопроизводительности, повышение КПД, снижение уровня выброса вредных веществ при работе и сокращение затрат на отвод продуктов горения. Его недостатком является низкая технологичность изготовления, низкая ремонтопригодность.
Известна система пульсирующего горения по патенту RU2175422, выбранная в качестве прототипа, содержащей камеру сгорания, емкость для нагреваемого теплоносителя, устройства подвода топлива, подвода воздуха, вывода продуктов горения, а также смесительное устройство, два ресивера, два обратных клапана, дефлектор и устройство контроля продувки и горения с двумя датчиками, а также в выполнении устройств системы. Предложенная система обеспечивает устойчивость пульсирующего горения, высокий коэффициент полезного действия и полноту сгорания топлива с низкой концентрацией оксидов азота и монооксида углерода в уходящих газах. Кроме того, эту систему отличает низкая материалоемкость и существенное уменьшение габаритов конструкции. Ее недостатками являются низкая технологичность изготовления, труднодоступность узлов и элементов осложняет эксплуатацию и ремонт оборудования.
Технической задачей является повышение технологичности изготовления, повышение удобства эксплуатации, ремонта, увеличение срока службы теплогенератора и снижение выброса вредных веществ.
Технический результат достигается в теплогенераторе пульсирующего горения, содержащем внешний корпус, смесительное устройство, соединенное с устройствами подачи топлива и воздуха, установленное на торцевой части цилиндрического внутреннего корпуса. Во внутреннем корпусе размещены: соединенные друг с другом первая и вторая емкости для теплоносителя, снабженные патрубком подвода и патрубком отвода теплоносителя соответственно, патрубок для отвода продуктов сгорания. Камера
сгорания образована внутренней стенкой второй емкости для теплоносителя, первая емкость для теплоносителя установлена поверх второй емкости для теплоносителя, в смесительном устройстве или в камере сгорания установлены запальное устройство и дефлектор. Устройство подачи воздуха содержит вентилятор и ресивер с обратным клапаном, устройство подачи топлива содержит ресивер с обратным клапаном. Первая и/или вторая емкость для теплоносителя снабжены перемычкой, выполненной в виде спирали, и соединены через общий коллектор. Вторая емкость для теплоносителя может быть выполнена в виде змеевика. Во внутреннем корпусе выполнено, с возможностью регулировки, по крайней мере, одно отверстие, сообщающееся с внутренней полостью внешнего корпуса. Теплогенератор выполнен вертикально ориентированным, с расположением смесительного устройства, устройств подачи топлива и воздуха под внутренним корпусом, при этом, патрубки подвода и отвода теплоносителя, патрубок для отвода продуктов сгорания, патрубок подвода топлива расположены в верхней торцевой части внешнего корпуса. В нижней части внешнего корпуса выполнен технологический люк. Теплогенератор содержит, по крайней мере, одну конденсатную трубку. В одном внешнем и внутреннем корпусе могут быть размещены два или более теплогенераторных блока: основной и вторичные. Основной теплогенераторный блок содержит смесительное устройство с устройствами подачи топлива и воздуха, первую и вторую емкость для теплоносителя с патрубком подвода и патрубком отвода теплоносителя соответственно, запальное устройство и дефлектор. Основной теплогенераторный блок соединен каналом розжига с вторичным теплогенераторным блоком, содержащим смесительное устройство с устройствами подачи топлива и воздуха, первую и вторую емкость для теплоносителя с патрубком подвода и патрубком отвода теплоносителя соответственно, дефлектор.
В другом варианте теплогенератора пульсирующего горения, смесительное устройство сообщается с камерой сгорания, расположенной во внутреннем корпусе, образованной обечайкой или периферийным каналом и каналами для теплоносителя. Открытый торец камеры сгорания соединен периферийным каналом с внутренним корпусом. Во внутреннем корпусе размещены каналы для теплоносителя, снабженные патрубком подвода и патрубком отвода теплоносителя, граничащие с камерой сгорания и/или с периферийным каналом. В одном внешнем и внутреннем корпусе могут быть размещены два или более теплогенераторных блока: основной и вторичные. Основной теплогенераторный блок содержит смесительное устройство, снабженное устройствами подачи топлива и воздуха, сообщающееся с камерой сгорания, периферийный канал, каналы для теплоносителя, снабженные патрубком подвода и патрубком отвода теплоносителя, запальное устройство и дефлектор. Основной теплогенераторный блок
соединен каналом розжига с вторичным теплогенераторным блоком, включающим смесительное устройство, снабженное устройствами подачи топлива и воздуха, сообщающееся с камерой сгорания, периферийный канал, каналы для теплоносителя, снабженные патрубком подвода и патрубком отвода теплоносителя, дефлектор.
Полезная модель поясняется рисунками: фиг.1 - схема теплогенератора; фиг.2 - теплогенератор со змеевиком; фиг.3 - теплогенератор, вид сверху; фиг.4 - основной и вторичный теплогенераторные блоки в одном внешнем и внутреннем корпусе; фиг.5-7 - варианты теплогенератора с периферийным каналом и каналами для теплоносителя.
Теплогенератор пульсирующего горения (фиг.1) содержит внешний корпус 1, снабженный патрубком 32 для забора воздуха на горение, смесительное устройство 2, установленное на внутреннем корпусе 3, имеющем цилиндрическую форму. Во внутреннем корпусе 3 размещены: соединенные друг с другом первая емкость 8 и вторая емкость 9 для теплоносителя, снабженные патрубком 10 подвода и патрубком 11 отвода теплоносителя соответственно, патрубок 12 для отвода продуктов сгорания.
Камера сгорания 4 образована внутренней стенкой 13 второй емкости 9 для теплоносителя. Первая емкость 8 для теплоносителя, выполненная в виде цилиндрического стакана с двойными стенками (или змеевика), установлена поверх второй емкости 9 коаксиально. Внутренняя стенка 33 первой емкости 8 и наружная стенка 34 второй емкости 9 образуют кольцевой канал с открытым торцом 5 для удаления продуктов сгорания из камеры сгорания 4.
Смесительное устройство 2 (карбюратор) установлено на торцевой части 22 внутреннего корпуса 3 и состоит из индуктивной (воздушной) трубы 14, через которую поступает воздух на горение с отверстиями для подачи газа, соединенной с устройством подачи воздуха, состоящим из вентилятора 29, ресивера 15 с мембранным обратным клапаном 16 (плоской или цилиндрической формы) и с устройством подачи топлива, состоящим из ресивера 17 с мембранным обратным клапаном 18. Устройство подачи топлива соединено с патрубком 19 подвода топлива. Индуктивная труба 14 сообщается с камерой сгорания 4. В индуктивной трубе 14 или на ее выходе, в камере сгорания 4, установлены запальное устройство 6 (например, свеча зажигания или электрод розжига) и дефлектор 7, установленный с зазором для эффективного смешивания газо-воздушной смеси, поступающей в камеру сгорания 4.
На фиг.2 вторая емкость 9 для теплоносителя выполнена в виде змеевика 20 (вторая емкость 9 может быть выполнена в виде цилиндрического стакана с двойными стенками). Змеевик 20 для повышения удобства сборки и эксплуатации устанавливается на коллекторе 30, соединенном патрубками 27 с первой емкостью 8 для теплоносителя.
Коллектор 30 снабжен сливным патрубком 31 (фиг.1) для слива теплоносителя. Первая емкость 8 для теплоносителя снабжена перемычкой 21, выполненной в виде спирали, установленной между двойными стенками.
Во внутреннем корпусе 3 выполнено, по крайней мере, одно отверстие 23, сообщающееся с внутренней полостью внешнего корпуса 1. На фиг.2 отверстие 23 снабжено колпаком 28 для регулировки рециркуляции продуктов сгорания.
Теплогенератор выполнен вертикально ориентированным (фиг.2) с расположением съемных смесительного устройства 2 и устройств подачи топлива и воздуха под внутренним корпусом 3, при этом, патрубки подвода и отвода теплоносителя 10, 11, патрубок 12 для отвода продуктов сгорания, патрубок 19 подвода топлива расположены в верхней торцевой части 24 внешнего корпуса 1 (фиг.3). В нижней части внешнего корпуса 1 выполнен технологический (сервисный) люк 25. Теплогенератор снабжен конденсатной трубкой 26, по которой конденсат, образующийся на стенках емкостей для теплоносителя, выводится за пределы внешнего корпуса 1. Через сливной патрубок 31 производится освобождение коллектора 30 от теплоносителя с выводом его за пределы внешнего корпуса 1.
На фиг.4 в одном внешнем корпусе 1 и внутреннем корпусе 3 размещены основной 39 и вторичный 40 теплогенераторные блоки. Основной теплогенераторный блок 39 содержит: смесительное устройство 2 с устройствами подачи топлива и воздуха, первую и вторую емкость 8, 9 для теплоносителя с патрубком 10 подвода и патрубком 11 отвода теплоносителя соответственно, запальное устройство 6 и дефлектор 7. Камера сгорания основного теплогенераторного блока 39 соединена с камерой сгорания вторичного теплогенераторного блока 40 каналом 38 розжига. Вторичный теплогенераторный блок 40 отличается от основного теплогенераторного блока 39 отсутствием запального устройства 6, кроме того, в нем может отсутствовать вентилятор 29.
На фиг.5-7 показаны варианты теплогенератора пульсирующего горения, в которых камера сгорания образована обечайкой 35 (фиг.5, 6) или периферийным каналом 36 и каналами 37 для теплоносителя (на фиг.7 периферийный канал состоит из нескольких отдельных каналов). Открытый торец камеры сгорания 4 соединен периферийным каналом 36 с полостью внутреннего корпуса 3, сообщающейся с патрубком 12 для отвода продуктов сгорания. Во внутреннем корпусе 3 размещены каналы 37 для теплоносителя, снабженные патрубком 10 подвода и патрубком 11 отвода теплоносителя, граничащие с камерой сгорания 4 и/или с периферийным каналом 36.
В одном внешнем 1 и внутреннем 3 корпусе могут быть размещены два или более теплогенераторных блока: основной и вторичные (на рисунках не показано, аналогично первому варианту полезной модели, показанному на фиг.4). Основной теплогенераторный блок содержит смесительное устройство, снабженное устройствами подачи топлива и воздуха, сообщающееся с камерой сгорания 4, периферийный канал 36, каналы 37 для теплоносителя, снабженные патрубком подвода и патрубком отвода теплоносителя, запальное устройство и дефлектор. Основной теплогенераторный блок соединен каналом розжига с вторичным теплогенераторным блоком. Вторичный теплогенераторный блок отличается от основного теплогенераторного блока отсутствием запального устройства, кроме того, в нем может отсутствовать вентилятор.
Теплогенератор работает следующим образом.
Для первичного воспламенения используется запальное устройство 6. Индуктивная труба 14, камера сгорания 4 совместно с полостью между внешней стенкой 34 второй емкости 9 и внутренней стенкой 33 первой емкости 8 для теплоносителя образуют акустический резонатор. Топливо и воздух поступают в камеру сгорания 4. При воспламенении топливно-воздушной смеси давление в камере сгорания 4 превышает давление в ресиверах 15 и 17. При этом, дальнейшее поступление топлива и воздуха в камеру сгорания 4 приостанавливается из-за закрытия обратных клапанов 16 и 18.
Дымовые газы из центральной части камеры сгорания 4 проходят вдоль цилиндрической полости, образованной внешней стенкой 34 второй емкости 9 и внутренней стенкой 33 первой емкости 8 для теплоносителя, поступают в полость между первой емкостью 8 для теплоносителя и внутренним корпусом 3 и далее через дымовой канал в патрубок 12 для отвода продуктов сгорания. Для продувки камеры сгорания 4 служит вентилятор 29. Периодически (например, с периодом около 25 м/сек) давление в камере сгорания 4 снижается и обратные клапаны 16, 18 открываются, впуская очередную порцию газа и воздуха. Цикл повторяется. Устанавливается периодический (колебательный) процесс с частотой более 45 Гц.
Для более эффективной работы теплогенератора во внутреннем корпусе 3 выполнены регулируемое(ые) отверстие(я) 23 (на фиг.2 показано одно такое отверстие). Часть горячих дымовых газов, с пониженным содержанием кислорода, проходя через отверстия 23, смешивается с новыми порциями воздуха, поступающими в ресивер 15. Таким образом, появляется возможность регулировать процесс горения, изменяя содержание кислорода в топливно-воздушной смеси. Кроме того, регулировкой отверстия 23 возможно снизить содержание окислов азота в выхлопных газах с понижением коэффициента избытка воздуха.
После установления процесса пульсирующего горения вентилятор 29 и запальное устройство 6 отключаются. Всасывание воздуха происходит благодаря периодическим полуволнам разрежения, а повторное воспламенение свежих порций газовоздушной смеси осуществляется остаточным пламенем, которое постоянно присутствует в зоне завихрения (на конце дефлектора 7). Пульсирующее горение может происходить неограниченное время, пока не будет прекращена подача топливного газа.
Движение теплоносителя с высокой скоростью по змеевику 20, а также, по спиральному, узкому каналу первой емкости 8 (ограниченному витками перемычки 21), предотвращает осаждение и накопление в них взвесей, механических примесей, содержащихся в теплоносителе.
Выполнение теплогенератора вертикально ориентированным, с расположением съемных смесительного устройства 2 и устройств подачи топлива и воздуха под внутренним корпусом 3, а патрубков 10, 11, патрубка 12 для отвода продуктов сгорания, патрубка 32 для забора воздуха, патрубка 19 подвода топлива в верхней торцевой части 24 внешнего корпуса 1, уменьшает габаритные размеры теплогенератора и требуемого для его установки места. Доступ к узлам осуществляется через технологический люк 25. Слив теплоносителя из емкостей, удаление осадка, механических примесей, скопившихся в коллекторе 30, может осуществляться через сливной патрубок 31.
Выполнение первой и второй емкостей 8, 9 для теплоносителя в виде: стакана с двойными стенками и вставленного в него змеевика 20, образующего камеру сгорания 4, размещение съемного смесительного устройства 2 на внешней поверхности внутреннего корпуса 3 позволяет достичь модульности конструкции, что упрощает эксплуатацию и ремонт теплогенератора.
Компоновка элементов вертикально ориентированного теплогенератора позволяет разместить их в пределах компактного внешнего корпуса 1, что в свою очередь, позволяет устанавливать теплогенератор как на открытой площадке (уличное размещение без газоопасного помещения) так и в помещении котельной установки (с газоопасным помещением).
Данная компоновка позволяет собирать в единый модуль два или несколько менее мощных теплогенераторных блока в один более мощный теплогенератор с одним внешним корпусом 1 (фиг.4) и включение их в единую систему подачи теплоносителя, топлива и отработанных газов. При этом, в начале работы, подается смесь топливного газа и воздуха в камеру сгорания 4 основного теплогенераторного блока 39 и производится розжиг при помощи запального устройства 6. При подаче топливного газа на вторичные теплогенераторные блоки их розжиг происходит через канал 38 розжига. Включение в
работу вторичных теплогенераторных блоков и их выключение производится последовательно или параллельно.
В варианте теплогенератора (фиг.5-7), отличающемся от описанного выше конструкцией камеры сгорания, формой и расположением каналов для дымовых газов и для теплоносителя, дымовые газы через открытый торец камеры сгорания 4 попадают в периферийный канал 36, по которому проходят вдоль камеры сгорания 4 в обратном направлении, и через отверстия поступают в полость внутреннего корпуса 3 и далее в патрубок 12 для отвода продуктов сгорания. Теплоноситель движется по каналам 37 для теплоносителя, выполненным в виде трубок (фиг.5-6) или в виде емкостей, стенки которых образуют камеру сгорания 4 (фиг.7). В этом варианте розжиг основного и вторичных теплогенераторных блоков осуществляется аналогично первому варианту полезной модели.
Теплогенераторы описанной конструкции представляют собой котельные агрегаты тепловой мощностью от 0,03 до 1,20 МВт и более с рабочим давлением теплоносителя до 1,0 МПа и максимальной температурой теплоносителя на выходе до 115 С и выше, работающие на природном газе низкого давления, на попутном нефтяном или сжиженном газах, на биогазе.