МОБИЛЬНЫЙ ОТОПИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР С ГОРЕЛОЧНЫМ УСТРОЙСТВОМ С ПЛЕНОЧНЫМ ИСПАРИТЕЛЕМ
MOBILE HEATING DEVICE WITH A BURNER DEVICE WITH A FILM EVAPORATOR

Изобретение относится к мобильному отопительному прибору с горелочным устройством с пленочным испарителем.
В мобильных отопительных приборах, работающих на жидком топливе, например, применяемых в отопительных системах парковок или во вспомогательных отопительных системах транспортных средств, применяются известные горелочные устройства, в которых топливо в камере сгорания вступает в реакцию с подаваемым воздухом для горения, в результате чего выделяется теплота. Реакция обычно проходит в форме пламенного горения, однако в принципе также возможна частично или полностью каталитическая реакция.
В этом контексте "мобильный отопительный прибор" следует понимать как отопительный прибор, предназначенный для решения мобильных задач и адаптированный соответственно. В частности это значит, что он является транспортабельным (факультативно стационарно установленным в транспортном средстве или просто размещен в нем для транспортировки) и не предназначен исключительно для постоянного стационарного использования, как, например, в случае отопления зданий. Мобильный отопительный прибор в этом отношении также может быть установлен стационарно в транспортном средстве (наземном транспортном средстве, на судне и пр.), в частности, наземном транспортном средстве. В частности, он может быть предназначен для обогрева внутреннего пространства транспортного средства, такого, как например, наземного транспортного средства, судна или летательного аппарата и, частично, открытого пространства, которое можно встретить, например, на судах, в частности, на яхтах. Мобильный отопительный прибор также можно временно эксплуатировать в стационарном режиме, например, в больших палатках, контейнерах (например, в портативных бытовках на строительной площадке) и пр. В частности, мобильный отопительный прибор может быть спроектирован как система отопления паркинга или вспомогательная отопительная система наземного транспортного средства, такого, как жилой прицеп, дом на колесах, автобус, легковой автомобиль и пр. Горелочные устройства, обычно применяемые в таких мобильных отопительных приборах, можно подразделить на "распылительные горелки", в которых жидкое топливо впрыскивается через распыляющую форсунку и смешивается в воздухом для горения, и "испарительные горелки" в которых жидкое топливо испаряют, начиная от области испарителя устройства горелки. В испарительных горелках, которые типично применяются в мобильных отопительных приборах, жидкое топливо обычно подается в жидкой форме на пористый абсорбирующий испарительный элемент, в котором топливо распределяется капиллярными силами и начиная от которого жидкое топливо испаряется с поглощением теплоты испарения. Испарившееся топливо в этом случае смешивают с подаваемым воздухом для горения для получения топливовоздушной смеси, и топливовоздушная смесь вступает в реакцию в камере сгорания с выделением теплоты. В таких известных испарительных горелках возникает проблема, заключающаяся в том, что материал пористого абсорбирующего испарительного элемента подвергается воздействию тепловой нагрузки и коррозионному воздействию окружающей его среды, что может привести к разрушению этого элемента. Проблема далее заключается в том, что со временем на элементе испарителя образуются отложения, которые осложняют распределение и испарение жидкого топлива.
Целью настоящего изобретения является создание усовершенствованного горелочного устройства и усовершенствованного мобильного отопительного прибора с таким горелочным устройством.
Эта цель достигается с помощью горелки с пленочным испарителем по п. 1 формулы изобретения. Преимущественные дополнительные признаки определены в зависимых пунктах формулы.
Горелочное устройство с пленочным испарителем содержит: систему камеры сгорания, которая содержит камеру сгорания для реакции топливовоздушной смеси с выделением теплоты, и камера сгорания проходит в осевом направлении вдоль продольной оси; средство подачи воздуха для горения, которое подает воздух для горения, и выполнено так, что в устройство камеры сгорания на по меньшей мере одном впускном отверстии для воздуха для горения подавался воздух для горения с тангенциальным компонентом потока; поверхность пленочного испарителя для испарения жидкого топлива, начиная с пленки топлива, расположенной на задней стенке аксиально сзади от впускного отверстия для воздуха для горения; и средство подачи топлива для подачи жидкого топлива на поверхность пленочного испарителя.
Поскольку горелка с пленочным испарителем имеет форму испарительной горелки, она также может выдавать относительно малую тепловую мощность, что часто требуется от мобильных отопительных приборов. Благодаря тому, что горелка имеет пленочный испаритель с поверхностью пленочного испарителя для испарения жидкого топлива, проблемы, которые обычно возникают в испарительных горелках, содержащих пористый абсорбирующий испарительный элемент, такие как, в частности, образование отложений на элементе испарителя, повышенное потребление электроэнергии при пуске горелочного устройства для разогрева испарительного элемента, увеличенная эмиссия выхлопного газа, и прекращение горения из-за остатков топлива на испарительном элементе и т.п., устраняются, поскольку испарение жидкого топлива в горелочном устройстве с пленочным испарителем происходит, начиная от пленки жидкого топлива, распределенной по поверхности пленочного испарителя. Расположение поверхности пленочного испарителя аксиально сзади от по меньшей мере одного впускного отверстия для воздуха для горения, в данном случае позволяет получить определенный подвод теплоты от процесса горения в камере сгорания к поверхности пленочного испарителя путем теплового излучения и целенаправленной конвекции. По меньшей мере одно впускное отверстие для воздуха для горения в настоящем контексте означает, что также может иметься множество отдельных впускных отверстий для воздуха для горения, и даже в случае наличия такого множества впускных отверстий для воздуха для горения, поверхность пленочного испарителя тем не менее расположена сзади от соответствующих впускных отверстий для воздуха для горения относительно осевого направления. Поверхность пленочного испарителя, таким образом, может быть образована, например, по существу гладким металлическим участком задней стенки. Однако можно также создать, например, поверхность пленочного испарителя с шероховатостью или с мелкой текстурой, чтобы улучшить смачивание и распределение топлива, а также процесс испарения. Эта задняя стенка в данном случае может быть образована, в частности, задней стенкой устройства камеры сгорания, т.е., самой камеры сгорания, или камеры предварительного испарения, расположенной перед ней, или, например, также стенкой испарительной области в устройстве камеры сгорания. Благодаря подаче воздуха для горения с тангенциальным компонентом потока, т.е., с завихрением, достигается хорошее распределение топлива на поверхности пленочного испарителя, а также стабилизация пламени в камере сгорания. Подаваемый воздух для горения, таким образом, имеет компонент направления в периферийном направлении, но может предпочтительно иметь и другие компоненты направления, например, направленные радиально внутрь и/или в осевом направлении. Воздух для горения предпочтительно подается в устройство камеры сгорания с очень сильным завихрением. Горелочное устройство с пленочным испарителем по настоящему изобретению за счет этого может работать так, что топливо по существу не оставляет отложений. Камера сгорания может, в частности, быть сконфигурирована для реакции топливовоздушной смеси в форме пламенного горения; однако также возможна конфигурация для реакции топливовоздушной смеси в форме полного или частичного каталитического горения. Средство подачи топлива в этом случае предпочтительно сконфигурировано так, чтобы жидкое топливо подавалось на поверхность пленочного испарителя без распыления или пульверизации, особенно предпочтительно, вытекая на нее под низким давлением. Средство подачи топлива в этом случае не содержит каких-либо распыляющих форсунок.
Если воздух для горения подается во впускное отверстие камеры сгорания радиально снаружи, достигается особенно хорошее распределение пленки топлива по поверхности пленочного испарителя. Таким образом, воздух для горения имеет и тангенциальный, и направленный радиально внутрь компоненты потока.
Если поверхность пленочного испарителя не имеет пор и абсорбирующих тел, можно надежно предотвратить формирование отложений на поверхности пленочного испарителя. Испарение с уменьшенным образованием отложений, в частности, достигается с помощью комбинации низких температур компонента с конфигурацией, не имеющей пористых, абсорбирующих тел.
Согласно одному дополнительному варианту, поверхность пленочного испарителя проходит в основном перпендикулярно продольной оси. В этом случае поверхность пленочного испарителя может, например, проходить по существу в плоскости или иметь изогнутую выпуклость, направленную наружу, или изогнутую выпуклость, направленную внутрь, и т.п. Поверхность пленочного испарителя предпочтительно может занимать по существу все сечение задней стенки устройства камеры сгорания, чтобы получить как можно большую площадь испарения топлива.
Согласно одному усовершенствованию средство подачи воздуха для горения сконфигурировано так, чтобы в камеру сгорания подавался воздух для горения с тангенциальным компонентом потока. В этом случае устройство камеры сгорания не имеет камеры предварительного испарения для предварительной обработки топливовоздушной смеси перед входом в камеру сгорания, но смешивание испаренного топлива с поданным воздухом для горения для получения топливовоздушной смеси происходит в самой камере сгорания. В этом случае появляется возможность создания особенно простых с точки зрения конструкции и недорогих вариантов.
Согласно одному дополнительному варианту устройство камеры сгорания содержит камеру предварительного испарения, расположенную перед камерой сгорания относительно направления потока для предварительной обработки топливовоздушной смеси перед ее входом в камеру сгорания. "Камера предварительного испарения" в настоящем контексте означает область устройства камеры сгорания, в которой происходит испарение топлива и его смешивание с подаваемым воздухом для горения, но при обычной работе горелки никакой экзотермической реакции смеси не происходит, в частности, не образуется пламя. Камера предварительного испарения, поэтому, не образует часть камеры сгорания, а расположена перед ней относительно направления потока. Предварительная обработка топливовоздушной смеси, осуществляемая таким способом, перед ее входом в камеру сгорания, позволяет добиться сгорания с особенно малым количеством загрязняющих веществ.
Согласно еще оному варианту камера предварительного испарения отделена от камеры сгорания перегородкой, проходящей радиально внутрь от боковой стенки устройства камеры сгорания. В этом случае разделение устройства камеры сгорания на камеру сгорания и камеру предварительного испарения, расположенную перед ней относительно направления потока, достигается особенно простым с точки зрения конструкции и недорогим способом. Кроме того, поверхность пленочного испарителя, расположенная на задней стенке камеры сгорания можно особенно эффективно изолировать относительно камеры сгорания в отношении теплопроводности, чтобы теплота на поверхность пленочного испарителя могла поступать в основном за счет излучения и конвекции. В этом случае подачу теплоты на поверхность пленочного испарителя можно целенаправленно регулировать за счет конструктивной конфигурации перегородки.
В одном дополнительном варианте перегородка проходит радиально внутрь и аксиально назад от боковой стенки. В этом случае достигается особенно преимущественное управление потоком, когда пленка топлива распределяется по поверхности пленочного испарителя особенно надежно.
Согласно одному другому варианту камера предварительного испарения имеет меньшее сечение, чем камера сгорания в направлении, перпендикулярном продольной оси и сечение потока резко расширяется на переходе из камеры предварительного испарения в камеру сгорания. Под резким расширением здесь понимается расширение с двойным углом раскрытия, превышающим 90°. В этом случае достигается особенно хорошая стабилизация потока.
Согласно другому варианту средство подачи воздуха для горения сконфигурировано так, что в камеру предварительного испарения подается воздух для горения с тангенциальным компонентом потока. В этом случае в камере предварительного испарения может происходить особенно эффективное смешивание испаренного топлива и подаваемого воздуха для горения для получения топливовоздушной смеси.
Согласно другому варианту, средство подачи топлива сконфигурировано так, что топливо с тангенциальным компонентом направления подается радиально снаружи на поверхность пленочного испарителя. Предпочтительно топливо в этом случае подается в систему камеры сгорания по существу в том же направлении, что и воздух для горения. Такой тип подачи топлива дает особенно хорошее распределение пленки топлива по поверхности пленочного испарителя.
Согласно еще одному варианту камера сгорания не имеет сужений или сжатий на всем своем аксиальном протяжении. Другими словами, камера сгорания в этом случае имеет максимально свободное проходное сечение. Поскольку сужения или сжатия отсутствуют, достигается особо прочный вариант с длительным сроком службы. Благодаря описанной геометрической конфигурации камеры сгорания достигается хорошая стабилизация пламени в камере сгорания.
Цель настоящего изобретения также достигается с помощью мобильного отопительного прибора с горелочным устройством с пленочным испарителем, как заявлено в п. 13.
Другие преимущества и варианты будут описаны в нижеследующем описании иллюстративных вариантов со ссылками на приложенные чертежи.
Фиг. 1 - схематическое представление первого варианта горелочного устройства с пленочным испарителем.
Фиг. 2 - схематическое представление варианта завихряющего тела для средства подачи воздуха для горения.
Фиг. 3 - схематическое представление второго варианта горелочного устройства с пленочным испарителем.
Фиг. 4 - схематическое представление третьего варианта горелочного устройства с пленочным испарителем.
Фиг. 5 - схематическое представление четвертого варианта горелочного устройства с пленочным испарителем.
Фиг 6 - схематическое представление первой модификации четвертого варианта.
Фиг. 7 - схематическое представление второй модификации четвертого варианта.
Фиг. 8 - схематическое представление третьей модификации четвертого варианта.
Первый вариант
Далее со ссылками на фиг. 1 и фиг. 2 описывается первый вариант горелочного устройства 1 с пленочным испарителем. Горелочное устройство 1 с пленочным испарителем предназначено для мобильных отопительных приборов, в частности для отопительного прибора для парковок или вспомогательного отопительного прибора для моторизованных транспортных средств, которое в частности содержит теплообменник (не показан) для переноса теплоты от исходящих газообразных продуктов горения в нагреваемый теплоноситель. Нагреваемым теплоносителем может быть, например, в случае воздушного нагревателя, воздух, подаваемый во внутреннее пространство транспортного средства, или, в случае жидкостного нагревателя, жидкость, нагреваемая в жидкостном контуре транспортного средства, в частности, охлаждающая жидкость. Теплообменник известным способом может быть сконфигурирован так, чтобы окружать камеру сгорания и/или пламенную трубу, расположенную рядом с ней, по существу в форме чаши.
Мобильный отопительный прибор далее содержит известное устройство подачи топлива для подачи жидкого топлива, которым может быть, в частности, дизельное топливо, бензин, этанол и т.п. Устройство подачи топлива, в частности может иметь форму топливного насоса-дозатора. Дополнительно мобильный отопительный прибор содержит устройство подачи воздуха для горения, которое, например, может иметь форму нагнетателя, управляющее устройство для управления работой мобильного отопительного прибора, и другие компоненты, необходимые для работы, которые подробно не описываются, например, датчики температуры и пр.
Первый вариант горелочного устройства 1 с пленочным испарителем содержит камеру 2 сгорания, которая в показанном примере является приблизительно цилиндрической и проходит вдоль продольной оси Z. Камера 2 сгорания ограничена по периферии периферийной боковой стенкой 21, которая может быть изготовлена, например, из жаропрочной стали. Основное направление Н потока, в котором газообразные продукты сгорания текут из камеры 2 сгорания в теплообменник (не показан) проходит по существу параллельно продольной оси Z.
Горелочное устройство 1 с пленочным испарителем сзади закрыто задней стенкой 3, которая в первом варианте образована задней стенкой камеры 2 сгорания. Задняя стенка 3 на стороне, обращенной к камере сгорания, сформирована как поверхность 4 пленочного испарителя, по которой распределена пленка жидкого топлива, начиная с которой происходит испарение этого жидкого топлива. Хотя на схематическом представлении на фиг. 1 показана совершенно плоская конфигурация задней стенки 3, заднюю стенку 3 также можно сделать, например, вогнутой или выпуклой в направлении камеры сгорания 2. В показанном варианте поверхность 4 пленочного испарителя имеет форму по существу гладкого металлического участка; однако можно изготовить поверхность 4 пленочного испарителя, например, шероховатой или мелко текстурированной, чтобы улучшить распределение жидкого топлива, смачивание поверхности 4 пленочного испарителя и испарение топлива.
Дополнительно подается поток 5 воздуха для горения, показанный на фиг. 1 схематически, который подает воздух для горения с существенным тангенциальным компонентом, т.е., с сильным завихрением, в камеру 2 сгорания. Поток 5 воздуха для горения, схематически представленный на фиг. 1 стрелками, в данном случае организован так, чтобы воздух для горения подавался в камеру 2 сгорания радиально снаружи от периферийной боковой стенки 21 на расстоянии от задней стенки 3 горелочного устройства 1 с пленочным испарителем и, тем самым, на расстоянии от поверхности 4 пленочного испарителя. Поэтому воздух для горения вводится в горелочное устройство 1 с пленочным испарителем с одним компонентом потока, т.е., сильным вихрем, проходящим в периферийном направлении и с одним компонентом потока, направленным радиально внутрь так, чтобы сформировать в камере 2 сгорания вихревой поток вокруг продольной оси Z. Для создания такого завихренного потока средство 5 подачи воздуха для горения содержит тело 6 завихрителя с множеством воздушных каналов или воздушных лопаток, чтобы сильно придать требуемое сильное завихрение воздуху для горения.
На фиг. 2 приведено схематическое представление возможного варианта тела 6 завихрителя. Тело 6 завихрителя показано для примера и имеет по существу кольцевую форму с множеством каналов 7 для воздуха для горения, сформированных в стенка тела 6 завихрителя, по которым воздух для горения может проходить снаружи тела 6 завихрителя внутрь тела 6 завихрителя. Воздух для горения подается в каналы 7 для воздуха для горения снаружи от тела 6 завихрителя устройством подачи воздуха для горения, как схематически показано жирными стрелками, течет по каналам 7 для воздуха для горения и поступает в камеру 2 сгорания внутри тела 6 завихрителя через впускные отверстия 8 для воздуха для горения. Хотя в показанном иллюстративном варианте схематически показаны четыре впускных отверстия 8 для воздуха для горения, можно применять меньше чем четыре, но по меньшей мере одно впускное отверстие, или больше чем четыре впускных отверстия 8 для воздуха для горения. Благодаря изогнутой форме каналов 7 для воздуха для горения, которые, кроме того, сужаются по направлению внутрь, воздух для горения сильно завихряется и, одновременно, ускоряется, как схематически показано на фиг. 2 тонкими стрелками.
Воздух для горения, проходящий из тела 6 завихрителя в камеру 2 сгорания через впускные отверстия 8 для воздуха для горения, таким образом имеет существенный тангенциальный компонент направления, т.е., сильное завихрение, а также по меньшей мере один радиально направленный компонент направления. Имеется средство 9 подачи топлива, которое открывается в боковую стенку 21 сзади от впускных отверстий 8 для воздуха для горения относительно основного направления Н потока. Средство 9 подачи топлива подает жидкое топливо, которым, в частности, может быть, например, бензин, дизельное топливо, этанол и т.п., на поверхность 4 пленочного испарителя на задней стенке 3. Хотя на фиг. 1 показана только одна топливная линия и одно отверстие для выпуска топлива на поверхность 4 пленочного испарителя, таких топливных линий и/или отверстий для выпуска топлива может быть множество. В иллюстративном варианте жидкое топливо также подается радиально внутрь с тангенциальным компонентом направления, который предпочтительно совпадает с направлением завихрения подаваемого воздуха для горения, что можно обеспечить, например, соответствующей ориентацией отверстия (или отверстий) для выпуска топлива.
Благодаря завихряющемуся потоку воздуха для горения, сформированному в камере 2 сгорания, топливо, выходящее из средства 9 подачи топлива, распределяется по поверхности 4 пленочного испарителя не задней стенке 3 так, чтобы на ней образовалась пленка 10 топлива и с которой жидкое топливо начинает испаряться или приобретать летучесть. Пленка 10 топлива схематически показана на фиг. 1 штриховой линией. В результате того что поверхность 4 пленочного испарителя расположена сзади от впускного отверстия 8 для воздуха для горения, в которое подается сильно завихренный воздух для горения, пленка 10 топлива, состоящая из жидкого топлива, растекается благодаря небольшому осевому и большому тангенциальному компонентам потока, и подвод теплоты в жидкое топливо в пленке 10 можно целенаправленно регулировать.
Кроме того, в камере 2 сгорания расположен воспламеняющий элемент 11 для запуска реакции топливовоздушной смеси, который в этом схематически показанном иллюстративном варианте имеет форму свечи накаливания. Хотя в показанном иллюстративном варианте воспламеняющий элемент 11 выступает радиально снаружи в камеру сгорания 2, возможно и другое расположение воспламеняющего элемента 11, в частности, воспламеняющий элемент 11 может выступать в осевом направлении сзади сквозь заднюю стенку 3 в камеру 2 сгорания. Когда горелочное устройство 1 с пленочным испарителем работает, топливовоздушная смесь сначала воспламеняется в камере 2 сгорания под действием воспламеняющего элемента 11, чтобы начать реакцию. После того, как в камере 2 сгорания будет сформировано стабильное пламя, воспламеняющий элемент 11 можно, например, выключить или применять известным способом, например, как детектор пламени для отслеживания наличия пламени. Хотя в показанном иллюстративном варианте камера 2 сгорания предназначена для реакции топливовоздушной смеси с пламенным горением, в принципе также возможен вариант, в котором проводится полностью или частично каталитическая реакция. Температура поверхности 4 пленочного испарителя во время работы горелочного устройства 1 с пленочным испарителем, определяется тепловой энергией, подаваемой в камеру 2 сгорания пламенем. Эта тепловая энергия передается путем конвекции, теплового излучения и теплопроводности материала боковой стенки 21. С помощью подходящей геометрии и выбора материала можно создать оптимальную температуру для надежного испарения жидкого топлива во время работы горелочного устройства 1 с пленочным испарителем. Опыт показывает, что при очень низких температурах ниже начальной точки кипения топлива или при очень высоких температурах выше конечной точки кипения топлива возможно испарение или улетучивание по существу без образования отложений. Дополнительно, тщательное перемешивание пленки 10 топлива приводит к "смыванию" начинающих появляться отложений на задней стенке 3, что позволяет горелочному устройству 1 с пленочным испарителем работать по меньшей мере по существу без образования отложений из топлива.
Как схематически показано на фиг. 1, камера 2 сгорания сформирована по меньшей мере по существу без сужений или сжатий, поэтому потоки газов в камере 2 сгорания можно регулировать в соответствии с необходимостью.
Таким образом, было описано недорогое в производстве горелочное устройство 1 с пленочным испарителем, имеющее простую конструкцию. Поскольку в устройстве нет никакого пористого испарительного элемента, не возникают проблемы, присущие такому испарительному элементу. Жесткая конфигурация дает относительно низкую чувствительность к допускам компонентов, что также позволяет сократить производственные издержки. Также достигается уменьшение образования отложений и, следовательно, длительный срок службы, небольшое количество загрязняющих выбросов и низкая чувствительность к примесям в грязном топливе. Полезная площадь испарения является переменной так, что можно получить широкий диапазон разных величин тепловой мощности и можно использовать широкий ассортимент жидкого топлива. Кроме того, потребление электроэнергии, необходимой для подачи топлива, является небольшим и формирование дыма и запаха при пуске и горении горелочного устройства 1 с пленочным испарителем значительно уменьшается по сравнению с испарительными горелками с пористыми испарительными элементами.
Второй вариант
Ниже следует описание второго варианта со ссылками на фиг. 3. Во избежание ненужных повторов в описании второго варианта для соответствующих компонентов горелочного устройства 100 с пленочным испарителем по второму варианту применяются те же ссылочные позиции, что и для вышеописанного первого варианта. Кроме того, подробно описываются только отличия от вышеописанного первого варианта.
Горелочное устройство 100 с пленочным испарителем по второму варианту, схематически показанное на фиг. 3, отличается от вышеописанного первого варианта тем, что в дополнение к камере 2 сгорания система камеры сгорания также содержит камеру 12 предварительного испарения, расположенную перед ней относительно направления потока для предварительной обработки топливовоздушной смеси перед ее входом в камеру 2 сгорания, как более подробно будет описано ниже. Кроме того, задняя стенка 3 системы камеры сгорания, на которой сформирована поверхность 4 пленочного испарителя, во втором варианте является не плоской, а вогнутой на стороне, обращенной к камере 2 сгорания, в конкретном показанном примере - по существу конической. Во втором варианте задняя стенка 3 системы камеры сгорания и поверхность 4 пленочного испарителя, однако, расположены не в камере 2 сгорания, в котором происходит реакция топливовоздушной смеси с выделением теплоты, а в камере 12 предварительного испарения, расположенной перед камерой 2 сгорания относительно направления потока так, что задняя стенка 3 системы камеры сгорания образует заднюю стенку камеры 12 предварительного испарения. Кроме того, во втором варианте воспламеняющий элемент 11 расположен так, чтобы выступать аксиально сквозь заднюю стенку 3 системы камеры сгорания и входить в камеру 2 сгорания. Альтернативно, однако, можно, например, расположить воспламеняющий элемент 11 по-другому, в частности так, чтобы он выступал радиально снаружи в камеру 2 сгорания, как и в вышеописанном первом варианте.
В горелочном устройстве 100 с пленочным испарителем по второму варианту камера 12 предварительного испарения отделена от камеры 2 сгорания перегородкой 13, выступающей внутрь от периферийной боковой стенки 21. В схематически показанном иллюстративном варианте перегородка 13 проходит от боковой стенки 21 радиально внутрь и аксиально назад относительно основного направления Н потока. Однако перегородка 13 проходит не по всему сечению системы камеры сгорания, но имеет центральное отверстие 14, через которое топливовоздушная смесь, предварительно обработанная в камере 12 предварительного испарения, может проходить из камеры 12 предварительного испарения в камеру 2 сгорания. В показанном примере центральное отверстие 14 расположено по существу соосно с продольной осью Z и имеет по существу круглое сечение, но в принципе возможны и другие формы. Перегородка 13 может быть выполнена, например, из того же материала, что и боковая стенка 21, в частности, из жаропрочной стали.
В отличие от первого варианта, в горелочном устройстве 100 с пленочным испарителем по второму варианту впускные отверстия 8 для воздуха для горения, через которые воздух для горения поступает с тангенциальным компонентом направления и по меньшей мере также с радиальным компонентом направления потока от завихряющего тела 6, расположены не в области камеры 2 сгорания, а в области камеры 12 предварительного испарения. Поэтому воздух для горения с тангенциальным компонентом потока подается радиально снаружи в камеру 12 предварительного испарения. Во втором варианте поверхность 4 пленочного испарителя также расположена сзади от впускных отверстий 8 для воздуха для горения. Хотя на фиг. 3 также схематически показано множество отверстий 8 для впуска воздуха для горения, горелочное устройство 100 с пленочным испарителем также содержит по меньшей мере одно отверстие 8 для впуска воздуха для горения. Средство 9 подачи топлива подает жидкое топливо сзади от отверстий 8 для впуска воздуха для горения радиально снаружи на поверхность 4 пленочного испарителя. По меньшей мере сопло средства 9 подачи топлива предпочтительно расположено так, чтобы жидкое топливо подавалось с тангенциальным компонентом направления, который соответствует направлению завихрения подаваемого воздуха для горения.
В результате сильного завихрения воздуха для горения, подаваемого в камеру 12 предварительного испарения и действия сил поверхностного натяжения между задней стенкой 3 и жидким топливом, поданное жидкое топливо распределяется по меньшей мере частично радиально по поверхности 4 пленочного испарителя для образования пленки 10 топлива, как схематически показано штриховой линией на фиг. 3.
Во время работы горелочного устройства 100 с пленочным испарителем перегородка 13, отделяющая камеру 12 предварительного испарения от камеры 2 сгорания, нагревается так, что пленка 10 топлива, образованная на поверхности 4 пленочного испарителя, нагревается и испаряется или улетучивается за счет излучаемой теплоты. Топливовоздушная смесь, предварительно обработанная в камере 12 предварительного испарения, проходит сквозь центральное отверстие 14 в камеру 2 сгорания, в которой она вступает в реакцию с выделением теплоты, например, в форме пламенного горения. В результате сильного завихрения топливовоздушной смести, подаваемой через отверстие 14 и обратного потока, возникающего таким образом в камере 2 сгорания в центральной области вокруг продольной оси Z, пламя в камере 2 сгорания стабилизируется. Поскольку камера 2 сгорания по существу не содержит сужений и сжатий, в ней могут сформироваться преимущественные условия для потока.
В результате того, что задняя стенка 3 вогнута назад с сужением или конически вместе с перегородкой 13, проходящей радиально внутрь и аксиально назад, центробежные силы, действующие на пленку 10 топлива, можно просто регулировать, подбирая точную форму задней стенки 3 так, чтобы жидкое топливо не распределялось слишком быстро радиально внутрь по поверхности 4 пленочного испарителя и не оставалось слишком долго в радиально внешней области.
Предпочтительно, теплообмен за счет теплопроводности между камерой 2 сгорания и камерой 12 предварительного испарения можно минимизировать, что является технически простой задачей, решаемой, например, выбором материалов с низким коэффициентом теплопроводности, уменьшением площади контакта и конструктивными барьерами. Это позволяет поддерживать низкие температуры задней стенки 3 во время работы горелочного устройства 100 с пленочным испарителем и нагревать и улетучивать или испарять пленку 10 топлива преимущественно за счет излучаемой теплоты.
При аксиальном расположении воспламеняющего элемента 11, схематически показанного на фиг. 3, далее становится возможным, в частности, если воспламеняющий элемент 11 имеет форму керамической свечи накаливания, нагревать пленку 10 топлива равномерно в начале работы горелочного устройства 100 с пленочным испарителем.
В дополнение к преимуществам, уже описанным в отношении первого варианта, усовершенствования, внесенные во второй вариант, позволяют работать с особенно низким уровнем выброса загрязняющих веществ благодаря предварительной обработке топливовоздушной смеси в камере 12 предварительного испарения перед камерой 2 сгорания.
Третий вариант
Далее следует описание третьего варианта со ссылками на фиг. 4. Во избежание ненужных повторов в описании третьего варианта для соответствующих компонентов горелочного устройства 200 с пленочным испарителем по третьему варианту применяются те же ссылочные позиции, что и для вышеописанного первого варианта. Кроме того, подробно описываются только отличия от вышеописанного первого варианта.
Горелочное устройство 200 с пленочным испарителем согласно третьему варианту, схематически показанное на фиг. 4, отличается от вышеописанного первого варианта тем, что воздух для горения не подается радиально снаружи от боковой стенки 21 в систему камеры сгорания, а воздух для горения с тангенциальным компонентом потока подается в систему камеры сгорания по существу в осевом направлении. Поверхность 4 пленочного испарителя расположена на отнесенной назад задней стенке 3 системы камеры сгорания.
Хотя в отношении каждого варианта было указано, что весь воздух для горения подается через тело 6 завихрителя, возможны также модификации, в которых лишь часть воздуха для горения подается через тело завихрителя, а остальной воздух для горения подается в систему камеры сгорания, например, в другой точке.
Четвертый вариант
Ниже следует описание четвертого варианта со ссылками на фиг. 5. Во избежание ненужных повторов в описании четвертого варианта для соответствующих компонентов горелочного устройства 300 с пленочным испарителем по четвертому варианту применяются те же ссылочные позиции, что и для вышеописанных вариантов. Кроме того, подробно описываются только отличия от вышеописанных вариантов.
В четвертом варианте, схематически показанном на фиг. 5, система камеры сгорания также содержит не только камеру 2 сгорания, но и камеру 12 предварительного испарения, расположенную перед ней относительно направления потока для предварительно обработки топливовоздушной смеси перед ее входом в камеру 2 сгорания. В четвертом варианте задняя стенка 3 системы камеры сгорания и поверхность 4 пленочного испарителя также расположены не в камере 2 сгорания, а в камере 12 предварительного испарения, расположенной перед ней относительно направления потока так, что задняя стенка 3 системы камеры сгорания образует заднюю стенку камеры 12 предварительного испарения. Также в четвертом варианте расположен воспламеняющий элемент 11, как и во втором варианте, выступая аксиально сзади в камеру 12 предварительного испарения.
В четвертом варианте жидкое топливо подается по средству 9 подачи топлива радиально снаружи на заднюю стенку 3, содержащую поверхность 4 пленочного испарителя. Также в четвертом варианте средство подачи топлива открыто в систему камеры сгорания аксиально сзади от впускных отверстий 8 для воздуха для горения. Впускные отверстия 8 для воздуха для горения здесь расположены так, чтобы воздух для горения подавался с сильным завихрением радиально снаружи в камеру 12 предварительного испарения.
Как показано на фиг. 5, камера 12 предварительного испарения имеет существенно меньшее сечение в направлении, перпендикулярном продольной оси Z, чем камера 2 сгорания. В случае по существу цилиндрической конфигурации с приблизительно круглым сечением камеры 12 предварительного испарения и камеры 2 сгорания, отношение D/d диаметра D камеры 2 сгорания к диаметру d камеры предварительного испарения лежит в диапазоне 1,2 < D/d < 3,0 предпочтительно 1,4 < D/d < 2,6. Переход от камеры 12 предварительного испарения к камере 2 сгорания имеет форму участка шейки, в котором сечение резко увеличивается в основном направлении Н потока. На осевой длине этого участка шейки созданные условия потока можно дополнительно целенаправленно регулировать, при этом осевая длина участка шейки также может быть выбрана, в частности, очень короткой или участок шейки также может не иметь абсолютно никакой осевой длины.
Во время работы воздух для горения подается с сильным завихрением в камеру 12 предварительного испарения, которая содержит поверхность 4 пленочного испарителя, расположенную сзади от впускных отверстий 8 для воздуха для горения. Таким образом, в камере 12 предварительного испарения происходит хорошее перемешивание поданного воздуха для горения с испаряющимся топливом для получения топливовоздушной смеси, которая подается в камеру 12 предварительного испарения с большим тангенциальным компонентом потока. Благодаря существенному расширению сечения потока в точке перехода от камеры 12 предварительного испарения к камере 2 сгорания, происходит существенное радиальное расширения сформированного вихря, которое сопровождается существенным снижением скорости в осевом направлении так, чтобы в центральной части камеры 2 сгорания рядом с осью сформировалась область рециркуляции, в которой газы текут в направлении, противоположном основному направлению Н потока. Кроме того, в радиально внешней области камеры 2 сгорания непосредственно после точки перехода формируется осесимметричная внешняя зона рециркуляции. Для получения требуемого состояния потока воздух для горения предпочтительно подается с завихрением такой силы, чтобы на переходе от камеры 12 предварительного испарения к камере 2 сгорания возникало число S закрутки в диапазоне 0,4 < S < 1,4; предпочтительно 0,5 < S < 1,1. Таким образом достигается очень хорошая стабилизация потока, что во время работы дает, в частности надежную стабилизацию пламени в камере 2 сгорания.
Благодаря описанному усовершенствованию устройства камеры сгорания в четвертом варианте, осуществляется предварительная обработка испаренного топлива с воздухом для горения для получения простым способом по меньшей мере в значительной степени предварительно смешанной топливовоздушной смеси, требующей лишь небольшого структурного пространства в осевом направлении, что дает хорошую стабилизацию потока в устройстве камеры сгорания. Таким образом, в камере 2 сгорания достигается сгорание с особо малым количеством выбросов загрязняющих веществ.
Модификации
Первая модификация четвертого варианта, показанная на фиг. 6, отличается от четвертого варианта, показанного на фиг. 5 тем, что жидкое топливо подается не радиально снаружи на поверхность 4 пленочного испарителя, а подается в центре задней стенки 3 в осевом направлении. Благодаря расположению поверхности 4 пленочного испарителя сзади в осевом направлении от впускного отверстия 8 для воздуха для горения и сильному завихрению подаваемого воздуха для горения, также в этом случае можно добиться надежного испарения и перемешивания топлива для получения топливовоздушной смеси.
Усовершенствование согласно первой модификации далее отличается от четвертого варианта тем, что воспламеняющий элемент 11 выступает не в осевом направлении в камеру 12 предварительного испарения, а проходит наклонно сзади и радиально снаружи в камеру 12 предварительного испарения.
Поскольку другие признаки соответствуют с ранее описанным четвертым вариантом, и первая модификация дает те же преимущества, что описаны выше, их повторное описание опускается.
Вторая модификация четвертого варианта, показанная на фиг. 7, отличается от четвертого варианта, показанного на фиг. 5 только тем, что средство 9 подачи топлива открывается в осевом направлении на задней стенке 5 камеры 12 предварительного испарения, образующей поверхность 4 пленочного испарителя. Во второй модификации средство 9 подачи топлива открывается несколько сбоку от продольной оси Z в радиальном направлении.
Третья модификация четвертого варианта, показанная на фиг. 8, отличается от второй модификации просто конфигурацией перехода от камеры 12 предварительного испарения к камере 2 сгорания.
Как показано на фиг. 8, хотя сечение потока на переходе от камеры 12 предварительного испарения к камере 2 сгорания в этом случае также расширяется очень существенно, это расширение происходит не так резко, как в четвертом варианте и в вышеописанных модификациях этого четвертого варианта. В третьей модификации специально показано приблизительно коническое расширение с большим углом раскрытия. Предпочтительно, в данном случае имеется двойной тупой угол раскрытия >90°.
В четвертом варианте и в его модификациях отдельные конструктивные признаки могут комбинироваться друг с другом разными способами. Например, в четвертом варианте иди в первой модификации четвертого варианта можно создать структурную конфигурацию перехода от камеры 12 предварительного испарения к камере 2 сгорания, показанную в третьей модификации.