СМЕСИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНОГО ПАРОГЕНЕРАТОРА
MIXING SYSTEM OF HYDROGEN-OXYGEN STEAM GENERATOR

Использование: водородо-кислородные и водородо-воздушные парогенераторы и парогазогенераторы, паротурбинные и парогазовые энергоустановки, источники высокотемпературного водяного пара и парогазовых смесей.
Сущность изобретения: смесительная головка водородно-кислородного парогенератора со струйными форсунками и соотношением числа форсунок топлива и окислителя от 2,2 до 12, обеспечивающих встречу струй топлива и окислителя на оптимальном расстоянии от огневого дна и его защиту от контакта с обогащенными кислородом высокотемпературными газами.
Изобретение относится к энергетике, в частности к энергетическим установкам, производящим водяной пар высоких параметров, получаемый за счет энергии, выделяемой при сгорании водорода в кислороде.
2
2
Известен парогенератор для производства водяного пара за счет тепла водорода, сжигаемого в атмосфере кислорода, который содержит смесительную головку с 58 соосно-струйными форсунками топлива и окислителя (соотношение числа форсунок водорода и кислорода n=1) и форкамеру с запальным устройством. Недостатками его являются сложность конструкции смесительной головки, большая длина камеры сгорания, большой вес и габариты и сложность регулирования соотношения компонентов топлива и окислителя при их подаче в камеру сгорания через большое количество соосно-струйных форсунок [O.J.Haidn, K.Frolke, J.Carl, S.Weingartner. Improved combustion efficiency of а Н/О Steam generator for spinning reserve application. Hydrogen Energy Progress XI. Stuttgart. 1996. P.1418, Patent specification DE 3936806 С2, Dampferzeuger, Deutsches Patentant].
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является конструкция водородно-кислородного парогенератора (патент RU 2309325, F22B 1/26, 2005, прототип), в состав которого входит смесительная головка с триплетными смесительными элементами (соотношение числа форсунок водорода и кислорода n=2), представляющими собой комбинацию из трех струйных форсунок - одной форсунки окислителя (кислорода) и двух форсунок горючего (водорода), оси которых пересекаются в одной точке. Кроме того, на огневом дне смесительной головки расположены форсунки воды, подаваемой для создания дополнительного пленочного охлаждения камеры сгорания. Эта конструкция обеспечивает более эффективное смешение компонентов и меньшие габариты и вес парогенератора.
Недостатком данной конструкции является возможность контакта высокотемпературных обогащенных кислородом газов и огневого дна смесительной головки за счет образования обратных вихрей, которая может приводить к окислению металла в процессе работы и оплавлению самых тепло-напряженных участков. В этой связи не могут быть гарантированы необходимая длительность безотказной работы такой смесительной головки на номинальном режиме работы (ресурс) и надежность, что затрудняет возможность ее применения в энергетических установках, требующих непрерывной работы в соответствии с требуемым потребителями энергии графиком нагрузки.
Данное изобретение решает техническую задачу повышения надежности и ресурса работы смесительной головки и парогенератора в целом и устранения указанных недостатков прототипа и аналога. Поставленная техническая задача решается тем, что в смесительной головке водородно-кислородного парогенератора со струйными форсунками, содержащей запальное устройство, корпус и огневое дно, смесительные элементы выполнены с соотношением числа форсунок и окислителя от 2,2 до 12, при этом основные, находящиеся на одном радиальном направлении форсунки топлива и окислителя установлены таким образом, что пересечение их осей находится в одной точке на расстоянии от огневого дна не менее 8 калибров форсунок окислителя, а дополнительные форсунки топлива установлены на промежуточных радиальных направлениях.
Такое выполнение смесительной головки позволяет реализовывать следующие процессы:
1. Основные форсунки кислорода и водорода обеспечивают наиболее интенсивное смешение компонентов и максимальную интенсивность тепловыделения на удалении более 8 калибров форсунок окислителя от огневого дна камеры сгорания, что приводит к снижению на него тепловых нагрузок.
2. Дополнительные форсунки водорода обеспечивают увеличение интенсивности охлаждения огневого дна на наиболее теплонапряженных участках, оттеснение от него вихревых образований продуктов сгорания, обогащенных кислородом, и растягивание в осевом направлении зоны наиболее интенсивного горения, что в итоге приводит к уменьшению тепловых нагрузок и повышению надежности и ресурса работы смесительной головки и камеры сгорания водородно-кислородного парогенератора.
3. Оптимизации диаметров и углов наклона осей основных и дополнительных форсунок водорода из условий обеспечения равенства нулю или малых отрицательных значений суммарной радиальной составляющей импульса струй в точках их встречи приводит к повышению эффективности процессов смешения компонентов и минимизирует возможность образования обратных вихрей высокотемпературных продуктов сгорания, обогащенных кислородом, и их контактов с огневым дном, что приводит к повышению эффективности, надежности и ресурса работы смесительной головки.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемами, показанными на фиг.1 и 2.
Смесительная головка водородно-кислородного парогенератора со струйными форсунками (фиг.1) включает в себя запальное устройство 1 с электросвечой 2, корпус 3 с магистралями подвода горючего (водорода) 4, окислителя (кислорода) 5 и воды на пленочное охлаждение 6 и коллекторами окислителя 7, горючего 8 и воды 9, огневое дно (фиг.2.) 10 с форсунками водорода 11 и 12, кислорода 13, воды 14 и дополнительными форсунками водорода 15.
Смесительная головка водородно-кислородного парогенератора со струйными форсунками работает следующим образом.
В запальном устройстве 1 при помощи электросвечи происходит предварительное сжигание небольшого количества водорода в кислороде. После этого основные компоненты водорода и кислорода через магистрали 4 и 5 соответственно поступают в коллекторы 8 и 7. Далее продукты реакции запального устройства с температурой 1100-1150 K поджигают основные компоненты водорода и кислорода, поступающие через форсунки 11, 12, 15 и 13. Струи водорода, подаваемые через основные форсунки 11 и 12, разбивают струи кислорода и обеспечивают смешение компонентов. Водород, подаваемый через дополнительные форсунки 15, охлаждает огневое дно смесительной головки и защищает его периферию от воздействия обратных вихрей высокотемпературных продуктов сгорания, обогащенных кислородом. Через магистраль 6 в коллектор 9 поступает холодная вода, которая, истекая из форсунок 14, создает дополнительное пленочное охлаждение камеры сгорания.
Таким образом, использование смесительных головок с дополнительными, оптимизированными по углам наклона и диаметрам форсунками водорода на внешнем диаметре относительно форсунок кислорода и оптимизация диаметров и углов осей основных и дополнительных форсунок водорода позволит повысить эффективность, надежность и ресурс работы смесительных головок и водородно-кислородных парогенераторов.