ВИХРЕВОЙ ВОДОРОД-КИСЛОРОДНЫЙ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЬ
VORTEX HYDROGEN-OXYGEN VAPOUR SUPERHEATER

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для перегрева водяного пара при организации рабочего процесса парогазовых и паротурбинных энергетических установок.
Известен мини-парогенератор RU 2300049 C1, F22B 1/26 (2006/01) от 19.12.2005, предназначенный для формирования потока перегретого пара, направляемого в паровую турбину, содержащий узел зажигания, камеру сгорания, камеру смешения, подводящие магистрали, в том числе для подвода окислителя (кислорода), горючего (водорода), балластировочной воды.
Недостатком данной конструкции является отсутствие возможности регулирования температуры горения химического топлива (водород-кислород), высокая вероятность прогара стенок камеры сгорания в результате кризиса кипения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является пароперегреватель RU 2005139564 A, F02K 9/68 (2006.01) от 27.06.2007, предназначенный для получения перегретого пара, содержащий запальное устройство, магистрали подвода горючего (водорода) и окислителя (кислорода), камеры сгорания и смешения, форсунки окислителя и горючего.
Недостатком данной конструкции является высокая неравномерность поля температуры на выходе из парогенератора; низкая полнота сгорания; низкая эффективность охлаждения стенок камер сгорания и смешения; неудовлетворительные характеристики по срыву пламени; высокая вероятность прогара конструктивных элементов зоны горения; отсутствие возможности пространственной локализации фронта пламени; отсутствие возможности регулирования температуры горения водород-кислородной смеси.
Техническим результатом изобретения является повышение качества равномерности температурного поля на выходе из пароперегревателя; увеличение полноты сгорания; повышение эффективности охлаждения камер сгорания и смешения; обеспечение условий устойчивого горения; исключение прогара конструктивных элементов зоны горения; обеспечение возможности пространственной локализации фронта пламени; обеспечение возможности регулирования температурой горения.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что вихревой водород-кислородный пароперегреватель, содержащий запальное устройство, магистрали подвода горючего (водорода) и окислителя (кислорода), камеры сгорания и смешения, форсунки окислителя и горючего, дополнительно содержит диафрагмированное выходное сопло; патрубок и кольцевой канал подачи вторичного пара; конический стабилизатор пламени; пламенную трубу; отверстия для охлаждения пламенной трубы, аксиальное закручивающее устройство; отверстия в торцевой поверхности конического стабилизатора пламени; зону смешения вторичного пара с окислителем.
В целях повышения равномерности температурного поля на выходе и увеличения полноты сгорания вихревой водород-кислородный пароперегреватель имеет диафрагмированное выходное сопло; повышение эффективности охлаждения камеры сгорания достигается тем, что вихревой водород-кислородный пароперегреватель имеет патрубок и кольцевой канал подачи вторичного пара; для обеспечения условий устойчивого горения и снижения вероятности срыва пламени в корпусе камеры сгорания установлен конический стабилизатор пламени; с целью исключения прогара конструктивных элементов зоны горения пароперегреватель имеет пламенную трубу с отверстиями для охлаждения, а в кольцевом канале подачи вторичного пара установлено аксиальное закручивающее устройство; возможность пространственной локализации фронта пламени достигается за счет наличия отверстий в торцевой поверхности конического стабилизатора пламени; в целях создания возможности регулирования температурой горения вихревой водород-кислородный пароперегреватель имеет зону смешения вторичного пара с окислителем.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1-5 показан продольный разрез вихревого водород-кислородного пароперегревателя с вынесенными сечениями.
Вихревой водород-кислородный пароперегреватель содержит магистрали подвода окислителя (кислорода) 1 и горючего (водорода) 2. Патрубок подвода водяного пара 3 тангенциально крепится к стенке 4 камеры смешения 5, между которой и диафрагмированным выходным соплом 6 расположено закручивающее устройство 7. Магистрали подвода окислителя 1 и горючего 2 крепятся к корпусу камеры сгорания 8, в котором выполнена зона смешения вторичного пара с окислителем 9, расположены форсунки окислителя 10 и завихритель 11. На выходе из зоны смешения вторичного пара с окислителем 9 установлен конический стабилизатор пламени 12 с отверстиями 13 в торцевой поверхности, форсунки горючего 14 и пламенная труба 15, между стенкой которой и корпусом вихревой камеры сгорания образован кольцевой канал 16 подачи вторичного пара, в котором находится аксиальное закручивающее устройство 17. Отверстия 18 для охлаждения пламенной трубы 15 равномерно распределены по ее поверхности, ограничивающей объем камеры сгорания 19. Патрубок подачи вторичного пара 20 и запальное устройство 21 крепятся к корпусу камеры сгорания 8.
Вихревой водород-кислородный пароперегреватель работает следующим образом.
Водяной пар из котла или низкотемпературного пароперегревателя с температурой 100 - 250°С поступает через патрубок подачи вторичного пара 20 в зону смешения 9 вторичного пара с окислителем и кольцевой канал подачи вторичного пара 16. Через форсунки окислителя 10 в центральный поток пара подается кислород, поступающий из магистрали подвода окислителя (кислорода) 1. Образующаяся парокислородная смесь закручивается с помощью завихрителя 11 с целью интенсификации массообменных процессов и ее гомогенизации и, обтекая конический стабилизатор пламени 12, поступает в камеру сгорания 19. На выходе из зоны смешения 9 вторичного пара с окислителем в полученную смесь через форсунки горючего 14 подается водород, поступающий из магистрали подвода горючего (водорода) 2. Форсунки горючего 14 установлены таким образом, что время обтекания конического стабилизатора пламени 12, подготовленной к химическому реагированию пароводород-кислородной смеси, меньше времени периода задержки воспламенения. Это позволяет исключить проскок фронта пламени в зону смешения 9 и уменьшить лучистый и конвективный тепловые потоки на боковую поверхность конического стабилизатора пламени 12 и сопла форсунок горючего 14. Полученная пароводород-кислородная смесь воспламеняется от запального устройства 21. При обтекании закрученным потоком пароводород-кислородной смеси конического стабилизатора пламени 12 в объеме камеры сгорания 19 образуется центральная рециркуляционная зона 12, на границах которой осуществляется стабилизация фронта волны горения после воспламенения горючей смеси от запального устройства 21. Через отверстия 13 в торцевой поверхности конического стабилизатора пламени 12 выдувается водяной пар, оттесняя фронт пламени от стенки стабилизатора и локализуя его в пространственной области, ограниченной границами рециркуляционной зоны. Поток пара, проходящий по кольцевому каналу подачи вторичного пара 16 через аксиальное закручивающее устройство 17, приобретает окружную составляющую скорости, что позволяет организовать надежное конвективное охлаждение корпуса камеры сгорания 8 и пламенной трубы 15 за счет увеличения коэффициентов теплоотдачи от стенок к паровому потоку. Дополнительная интенсификация теплообмена термически нагруженной стенки пламенной трубы 15 с вторичным паром достигается за счет организации завесного охлаждения паровыми струями с использованием отверстий 18 для охлаждения пламенной трубы.
Основной пар из котла или низкотемпературного пароперегревателя через патрубок подвода основного пара 3 и закручивающее устройство 7 поступает в зону перегрева основного пара 5, где в виде интенсивно закрученного периферийного потока движется в строну пламенной трубы 15. Отмеченная газодинамика потока основного пара, организуемая за счет наличия диафрагмированного выходного сопла 6 на выходе из закручивающего устройства 7, позволяет реализовать эффект Ранка. Это обеспечивает интенсификацию процессов тепломассобмена в камерах сгорания и смешения при взаимодействии основного пара с высокотемпературным потоком продуктов сгорания водорода в кислороде (пара) в среде водяного пара и позволяет сформировать равномерное поле температуры на выходе из вихревого водород-кислородного пароперегревателя и увеличить полноту сгорания. Возможность перераспределения расходов первичного и вторичного водяного пара при постоянных расходах водорода и кислорода (в стехиометрическом соотношении) и наличие зоны смешения 9 вторичного пара с окислителем позволяет регулировать температуру горения пароводород-кислородной смеси.