ГЕНЕРАТОР ТОПЛИВНОЙ СМЕСИ

Полезная модель относится к технике распыливания газообразного или жидкого топлива сжатым воздухом или наром. Генератор топливной смеси может быть использован в теплоэнергетике при сжигании газообразного или жидкого топлива в топках котельных установок.
Известна форсунка, содержащая корпус, центральную топливную трубку, диффузорную насадку с тангенциальными каналами, установленную в выходном участке тонливной трубки с образованием с корпусом кольцевого сопла, цилиндрический наконечник с радиальными раздающими отверстиями тонливной трубки, размещенными в полости диффузорной насадки перед цилиндрическим наконечником, причем тангенциальные каналы диффузорной насадки выполнены с суммарной площадью проходных сечений, составляющих 0,45...0,7 от площади проходного сечения кольцевого сопла, и размещены на расстоянии от выходной кромки диффузорной насадки, составляющим 0,4... 1,2 от ее максимального диаметра, (см. Авторское свидетельство СССР № 1767288, М. Кл. F 23 D 11/10, 1989 г.)
Констрз сция данной форсунки осуществляет распыливание и смесеобразование топлива с воздухом, однако, не позволяет обеспечить высокоэффективное сжигание вязких топлив из-за неравномерности образования пленки на кромке диффузорной насадки. Подогретое топливо через радиальные раздающие отверстия поступает в полость диффузорной насадки неорганизовано, образование конусообразной топливной пленки на внутренней поверхности диффузорной насадки проблематично. Для
Генератор топливной смесн
образования стабильной топливной пленки необходимо обеспечить закрутку топлива, равномерное разбрызгивание его но конусной поверхности диффузорной насадки и дальнейшее смешивание с воздухом, постзшающим через тангенпиальные каналы диффузорной насадки, что невозможно из-за толш;ины стенок топливной трубки для выполнения радиальных отверстий тангенциальными. Образовавшаяся топяивновоздушная эмульсионная пленка на срезе диффузорной насадки вторичным воздухом неэффективно расныливается.
Кроме того, существенным недостатком данной форсунки является отсутствие элементов конструкции обеспечивающих регулировку формы факела - его диаметра и длины.
Наиболее близкой по технической сущности и по.пучаемому результату по отношению к предлагаемому генератору тонливной смеси является форсунка, содержащая корпус и втулки, коаксиально установленные в нем с образованием внутреннего и периферийного каналов для подачи распылителя и промежуточного канала для подачи жидкости, нодключенных к сопловому аппарату, выполненному в виде кольцевых рядов щелевых прорезей, смещенных в окружном направлении в смежных рядах, прорези наружного ряда выполнены с продольными осями, перекрещивающимися с осью форсунки перед ее выходным срезом внутри корнуса, причем продольные оси прорезей наружного и внутреннего рядов наклонены одна к другому под углом, не превышающем 90 , а боковые стенки большей площади этих прорезей расположены в плоскостях, пересекающих ось форсунки в одной точке, расноложенной на уровне ее выходного среза или за ним. (см. Патент РФ .№ 2052719, М. Кл1 F23D 11/12, 1992г.).
Существенным недостатком данной форсунки является то, что не происходит оптимального смесеобразования, равномерного распределения топлива из-за
недостаточной турбулентности, т.к. процесс распыливания происходит в один этап, т.е. измельчение топлива распылителем (паром или воздухом) и закрутка измельченного топлива происходит на срезе топливовыделяющего сопла.
Процесс смесеобразования должен происходить в три этапа: на первом этапе размельчение струи топлива , вылетающего из сопла; на втором этапе - создание равномерной, однородной смеси топлива с распылителем, на третьем - ориентация смеси в пространстве после форсунки, т.е. осуществляться формирование угла факела топлива для получения необходимой дальнобойности и расходонапряженности.
Прорези наружного и внутреннего рядов, но которым подается распылитель (пар или воздух), при распыливании жидкого топлива, особенно котельного мазута типа ТКМ, коксуются из-за излучения от пламени факела. Пеобходимы дополнительные меры по предотвращению данного недостатка.
Поэтому обеснечить качественное распыливание жидкого топлива, в частности тяжелого углеводородного, имеющего плотность около 0,95 кг/м, температуру вспьппки около 250 С, динамическую вязкость порядка 10 кг сек/м при температуре +120°С, на данной форсунке сложно.
Распыливание топлива - важнейшая составная часть рабочего процесса горения топливпой смеси в топке котельной установки. От качества распыливания топлива зависят и последующие этапы работы - смешение расныленного топлива с окислителем (воздухом), иснарение распыленного топлива и сгорание топливной смеси .
Тонкость распыливания характеризуется диаметром капель топлива: чем меньше диаметр капель, тем тоньше распыливание топлива. Однородность распыливания характеризуется диапазоном изменения диаметра капель в факеле распыленного тонлива: чем меньше разница в диаметрах образовавшргхся капель, тем однороднее распыливание топлива.
в гомогенной системе (топливо и окислитель находятся в газообразном состоянии) взаимный контакт топлива и окислителя (реагентов) осуществляется смешением, после чего процесс горения может развиваться в любом направлепии обьема смеси. В гетерогенной системе (топливо и окислитель - в разпых агрегатных состояниях) взаимодействие между реагентами может осуществляться только на поверхности соприкосновения химически активных фаз системы, т.е. на поверхности раздела топлива и окислителя. Величина размеров поверхности взаимпого коптакта реагентов в огромной степени влияет на скорость протекания гетерогенного процесса горения. Стремление раздробить жидкое топливо на мельчайшие частицы перед введением его в зону горения является основным нанравлением интенсификации (увеличения скорости) процесса горения.
Тщательное распыливание жидкого топлива распылителем (паром или сжатым воздухом) и дальнейшее смешивание с окислителем (воздухом) является направлением по уменьшению оксидов в продуктах сгорания топлива и окислителя , например, оксидов азота (NOx).
Настоящая полезная модель направлена на решение задачи оптимального распыливания топлива, с целью обеспечения равномерной расходонапряженности топлива, необходимой формы факела, требуемой дальнобойности, устранения нагарообразования и коксования тонливовыделяющего сопла и минимального выхода с продуктами сгорания оксидов, в частности, оксидов азота (NOx).
Поставленная задача решается тем, что в генераторе топливной смеси, содержащем корпус, втулки, коаксиально установленные в нем с образованием внутреннего и нериферийного каналов для подачи распылителя и промежуточного канала с завихрителем для подачи топлива в кольцевое сопло, дополнительно установлена камера смешения топлива с распылителем, вьшолненная в виде
диффузорного кольцевого сопла, продольная ось которого совпадает с осью генератора, а кольцевая ось диффузорпого кольцевого сопла совпадает с кольцевой осью кольцевого сопла топлива, на внутренней и наружной стенках диффузорного сопла вьгполнено напротив друг друга не менее трех круговых сопловых аппаратов, подключенных соответственно к внутреннему и периферийному каналам подачи распылителя, при этом продольные оси струй распылителя из сопловых аппаратов диффузорного кольцевого сопла лежат, с одной стороны, в плоскостях параллельных продольной оси генератора, а с другой стороны, - в плоскостях, которые пересекаются под углом больше нуля градусов с касательными плоскостями боковых поверхностей усеченных прямых конусов, образованных окружностями, на которых лежат точки пересечения продольных осей струй распылителя с соответствующими поверхностями стенок диффузорного кольцевого сопла , причем окружности малого диаметра относятся к внутренней стенке, а окружности большего диаметра - к внешней стенке диффузорного кольцевого сопла, при этом продольные оси струй распылителя располагаются под углом меньше 90° к линиям нересечения названных плоскостей. Предлагаемый генератор представлен на чертежах, где на :
ФигЛ. - представлена конструкция генератора топливной смеси;
Фиг.2. - вариант конструкции генератора топливной смеси с тангенциальным завихрителем топлива;
Фиг.З. - внешний вид генератора топливпой смеси;
di - внутренний диаметр кольцевого топливного сопла; di - наружный диаметр кольцевого топливного сопла;
. +0,01
п - взаимное расположение внутреннего и наружного частей
кольцевого топливного сопла;
Фиг.5.- вариант центрального тела при конструктивном исполнении топливного завихрителя в виде шнека;
Фиг.6. - вариант центрального тела при конструктивном исполнении топливного завихрителя в виде камеры с тангенциальным входом в нее топлива;
Фиг.7. - принципиальная схема камеры смешения генератора топливной смеси для представления физики процесса распыливания топлива в ней;
Фиг.8. - развертка боковой поверхности внутренней стенки диффузорного кольцевого сопла (камеры смешения), на которой нанесены точки пересечения (Ai, Bi и С|) продольных осей струй распылителя с этой поверхностью (на примере 12-ти точек на первом (Ai,... АП), втором (Вь.-Вп) и третьем (Cj,... €12) сопловых аппаратах камеры смешения);
Фиг.9. - развертка боковой поверхности внешней стенки диффузорного кольцевого сопла (камеры смешения), на которой нанесены точки пересечения (Ai, Bi и Ci) продольных осей струй распылителя с этой поверхностью (на
примере 12-ти точек на первом (Al,... АП), втором (Вь.-Вп) и третьем (Сь ... С 12) сопловых аппаратах камеры смешения);
Фиг. 10. - проекции взаимного расположения сопловых аппаратов на внутренней и внешней стенках диффузорного кольцевого сопла (камеры смешения);
Фиг.11. - конструкция соплового аппарата внутренней стенки диффузорного кольцевого сопла (камеры смешения);
Фиг.12. - конструкция соплового аппарата внешней стенки диффузорного кольцевого сопла (камеры смешения);
Фиг. 13. - расноложение проекций продольных струй распылителя соплового аппарата внутренней стенки диффузорного кольцевого сопла (камеры смешения) на примере второго соплового аппарата;
где Б  , Бу - проекции боковой поверхности 31 усеченного прямого конуса
с вершиной М2 на нродольной оси генератора, на малой окружности лежат точки пересечения продольных осей струй распылителя второго соплового аппарата (BI, ... Bi) с поверхностью внутренней стенки диффузорного кольцевого сопла ;
П1, П1 - проекции касательной плоскости к боковой поверхности усеченного конуса (Бук);
11ц,11|{- проекции секущей плоскости под углом OLQ (проекции этого угла - ОС  и а ) к касательной плоскости Пк;
(а - а), (а - а) - проекции линии пересечения поверхностей Пн и Пк; линия (а - а) принадлежат одновременно поверхностям Бук, Пк, П„ и на них лежат точки BI, ...Вь
Р , Р  - нроекции угла наклона осей струй распылителя к линиям (а - а);
Фиг. 14. - расположение проекций продольных струй распылителя соплового аппарата внешней стенки диффузорного кольцевого сопла на нримере среднего соплового аппарата;
где Б  , Бу - проекции боковой поверхности 31 усеченного прямого конуса
с вершиной М2 на продольной оси генератора, на большой окружности лежат точки пересечения продольных осей струй распылителя второго соплового аппарата (В i, ... Bl) с поверхностью внешней стенки диффузорного кольцевого сопла;
П1, П1 - проекции касательной плоскости к боковой поверхности усеченного конуса (Бук);
Пц,Пн- проекции секущей плоскости под углом YQ (проекции этого
угла - у  и у ) к касательной плоскости Пк;
(а - а), (а - а) - проекции линии пересечения поверхностей Пн и Пк; линии (а - а) принадлежат одновременно поверхностям Бук, Пк, Пн и на них лежат точки Вь ...Bl;
V, V  - проекции угла наклона осей струй распылителя к линиям (а - а);
Фиг.15. - проекции продольных осей струй распылителя второго соплового
аппарата внутренней и внешней стенок диффузорного кольцевого сопла ; и описан ниже.
Генератор топливной смеси содержит (Фиг.1.) корпус 1 с накидной гайкой 2, центральную втулку 3, в которой последовательно установлены центральное тело 4, состоящее из крепежного болта (Фиг. 5) 5, сопловых аппаратов 6 в сборе, внутренней части камеры смешения (Фиг. 1) 7, выполненной в виде диффузорного кольцевого сопла, внутренней части (Фиг. 5) 8 топливного кольцевого сопла (Фиг.1) 9, завихрителя (Фиг.5) 10, например шнека, основания 11, наружную часть (Фиг. 1) 12 топливного кольцевого сопла 9, установленную во втулку 3, сопловые аппараты 13 в сборе, наружной части камеры смешения 7, посредством гайки 2, через упорную втулку 14 и стягивающий цилиндр 15, с унорами на внутренней и наружной поверхностях, притянуты к корпусу 1, например, по резьбе. Внутренняя трубка 16, образующая внутренний канал 17 подвода распылителя (пара или сжатого воздуха), крепится к втулке 3, например, сваркой, канал 17 через отверстия во втулке 3, основании 11 и крепежном болте 5 связан с сопловым аппаратом 6 в сборе.
Переходная втулка 18 одним концом приварена к втулке 3, а другим - к трубке 19, причем кольцевое пространство между трубками 16 и 19 образует промежуточный топливоподающий канал 20, а отверстия 21 во втулке 3 обеспечивают проход топлива к завихрителю 10 и далее к кольцевому соплу 9.
Переходная втулка 22 одним концом приварена к втулке 3, а другим - к трубке 23, кольцевое пространство между трубками 19 и 23 образует периферийный канал 24 подвода распылителя через отверстия 25 во втулке 3 к сопловым аппаратам 13 в сборе.
Упорная втулка 14 одним концом упирается во втулку 3, а к другому концу приварена трубка 26, являющаяся защитным кожухом трубок 16, 19 и 23 и образующая с ними ствол генератора топливной смеси.
Втулки 3, 18 и 22 установлены коаксиально относительно друг друга.
Завихритель 10 (Фиг.2 и 6) в виде камеры с тангенциальным входом в нее топлива состоит из тарелки 27 и наружной части 12а с отверстиями 28 топливного сопла 9 для подвода топлива.
Отверстия 29 (Фиг.З) в корпусе 1 предназначены для подвода воздуха с целью охлаждения и экранизации генератора от лучистого потока тепловой энергии горящего факела.
Вспомогательные поверхности (Фиг. 7) 30,31 и 32 служат для представления физики процесса работы камеры смешения (Фиг. 1) 7 и являются боковыми поверхностями прямых усеченных конусов с вершинами MI, MI и Мз , соответственно. Окружности 33, 34, 35, 36, 37 и 38 , соответственно, принадлежат названным боковым поверхностям и боковым поверхностям 6а и 13а прямых усеченных конусов с вершинами D и F, соответственно сопловых аппаратов 6 и 13 (Фиг. 1). Развертки поверхностей 6а и 13а (Фиг. 8 и 9) представляют один из вариантов расположения срезов сопел распылителя, где точками Ai,.- Aj ; Bi,- Bj ; Сь-С, обозначены сопла соплового аппарата 6 в сборе, а точками АЬ... AJ ; BI,.- BI ; Cl,.- Ci - сопла соплового аппарата 13 в сборе. Взаимное расположение сопел (Фиг. 10) аппаратов 6 и 13 в сборе зависит от сорта топлива и распылителя, а так же конструкции топочного пространства котельной установки.
Сопловой аппарат (Фиг. 1) 6 в сборе состоит из (Фиг. 11) основания 39, первого соплового аппарата 40, разделителя 41, второго соплового аппарата 42, разделителя 43, третьего соплового аппарата 44 и опорной шайбы 45.
Сопловой аппарат (Фиг. 1) 13 в сборе состоит из (Фиг. 12) осповапия 46, первого соплового аппарата 47, разделителя 48, второго соплового аппарата 49, разделителя 50, третьего соплового аппарата 51.
Сопловые аппараты 6 и 13 в сборе могут быть разборными или иеразборными , в которых детали 39, 40, 41, 42, 43 и 45 могут быть соедипены, например, диффузионной сваркой., аналогично могут быть сварены детали 46, 47, 48, 49, 50 и 51 в единое целое.
Ось генератора (Фиг. 13) 52 совпадает с продольными осями диффузорного кольцевого сопла (камеры смешения 7 ) и топливного конуса 53 истекающего из топливного сопла (Фиг. 1)9. На примере вторых сопловых аппаратов 42 и 49 сопловых аппаратов 6 и 13 в сборе представлена ориентация продольных осей 54 и 55 (Фиг. 13 и 14) струй распылителя в камере смешения 7 (Фиг. 1) генератора топливной смеси. Продольные оси 54 распылителя соплового аппарата 42 (Фиг. 13) одновременно лежат в плоскости Пк (проекции плоскости -Пк и  ), касательной к боковой поверхности 31 (проекции которой обозначены Вук и ), в плоскости П„ (проекции плоскости - П„ и ) , секущей плоскости Пк и поверхности 31, имеющих общую линию пересечения (а - а) (проекции линий - (а - а) и (а - а)) этих нлоскостей и в плоскости g , паралельной оси 52 (след плоскости  g на Фиг. 13). Оси 54 располагаются под
углом а  О (проекции угла - а  и ос), который образуется плоскостями Пк и П„ соплового аппарата 42, и под углом Р - 90 (проекции угла - Р  и Р) к линии (а - а). Продольные оси 55 распылителя соплового аппарата 49 (Фиг. 13) одновременно лежат в плоскости Пк (проекции плоскости -Пк и  ), касательной к боковой поверхности 31 (проекции которой обозначены Б ук и Б ук), в плоскости П„ (проекции плоскости - П н и П „), секущей плоскости Пк и поверхности 31, нричем имеющих общую линию пересечения (а - а) (проекции линий - (а - а) и (а - а) ) этих плоскостей и поверхности, и в плоскости f, паралельной оси 52 (след плоскости f - f  на Фиг. 14). Оси 55 располагаются под углом J  Q (проекции угла - у  и у), который
образуется плоскостями Пк и П„ соплового аппарата 49, и под углом V - 90 (проекции угла - v и v) к липии (а - а).
Оси 54 и 55 сопловых аппаратов 42 и 49 ориентированы по отношению к топливному конусу 53 (Фиг. 15).
Генератор топливной смеси работает следующим образом. Топ.гшво и распылитель по капалам (Фиг. 1) 17 , 20 и 24 , соответственно, в стволе генератора топливной смеси подаются под давлением от системы топливопитания и регулирования котельной установки в центральную втулку 3 . Далее топливо по отверстиям 21 во втулке 3 поступает в завихритель 10, например , шнек, в котором топливо закручивается и поступает в топливное кольцевое сопло 9, из которого преобразуется во вращаюш;уюся пленку конической формы - топливный конус 53 и поступает в камеру смешения 7 при этом , одновременно, туда же ноступает распылитель из сопловых аппаратов 6 и 13 в сборе, в которые распылитель, соответствеппо, поступает через отверстия , расположенные в основании 11 и крепежном болте 5, затем через отверстия в разделителях (Фиг. 11) 41 и 43 к сопловым аппаратам 40, 42 и 43 соплового аппарата 6 в сборе и 25 во втулке 3 и в основании (Фиг. 12) 46 к сопловому аппарату 47, и далее, через отверстия в разделителях 48 и 50 к сопловым аппаратам 49 и 51 , соответственно, соплового аппарата 13 в сборе.
Из сопел сопловых аппаратов (Фиг. 11) 40 и 47, 42 и (Фиг. 12) 49, 43 и 51 распылитель под определенными углами (Фиг. 13,14 и 15) поступает в камеру смешения 7 , где взаимодействует с вышедшей из сопла 9 топливной нленкой - топливным конусом 53 (Фиг. 15), причем векторы  топливной пленки и распылителя
направлены в одну сторону, превращая ее в должным образом измельченную , перемешанную , дополнительно закрученную и подогретую за счет излучения горящего факела и распылителя (если распылитель - пар) парообразную массу, ориентированную в топочном прострапстве, для обеспечения оптимального процесса горения для конкретной котельной установки.
За счет изменения давления топлива в канале 20 изменяется расходная характеристика генератора по топливу, а за счет изменения давления распылителя в каналах 17 и 24, изменяется форма факела - при увеличении или уменьшении давления в канале 17 увеличивается или уменьшается диаметр факела, при увеличепии или Зт гепьшепии давления в канале 20 увеличивается или уменьшается длина факела, при одновременном увеличении давления в каналах 17 и 20 увеличивается или уменьшается и диаметр и длина факела , что очень важно для подстройки предлагаемого генератора топливной смеси к конкретному типу топки котельной установки.
Из конструктивных соображений ствол генератора топливной смеси с трубками (Фиг.1) 16, 19, 23 и 26, втулки 3, 14 и 15, корпус 1, гайка 2 унифицированы для разных типов котлов. Меняя только комплектно в генераторе топливной смеси узлы (Фиг. 1 и 6) 6 или узел 4 целиком и детали 12 , подбором необходимого комплекта (Фиг. 4) или узла 4 (Фиг.2 и 7) для обеспечения необходимого расхода топлива, можно обеспечивать процессы горения в разных типах котельных установок (например, ДКВР, ДЕ и т.д.) . Тем самым сокращается номенклатура деталей и узлов , что приводит к уменьшению себестоимости генератора топливной смеси. Конструктивное исполнение , подбор материалов, из которых изготовлены детали и узлы генератора, в соответствии с требованиями ГОСТ 4.470-87, ГОСТ 21204-97, ГОСТ 27824-88, обеспечивают высокие эксплуатационные свойства предлагаемого генератора топливной смеси. Высокие эксплуатационные качества предлагаемого генератора в части нагарообразования и
коксования , приводящие к изменению расходных характеристик , значительно улучшаются введением камеры смешения , которая препятствует коксованию тонливовыделяюп ;его сопла 9, а специально организованное охлаждение генератора воздухом через отверстия 29 (экранизация внутренней конструкции генератора) и распылителем, проходящим через геператор (температура распылителя - пара или воздуха меняется в небольшом диапазоне), обеспечивают стабильпость геометрических параметров генератора и, как следствие, стабильность характеристик генератора в целом.
Предлагаемый генератор топливной смеси позволяет :
производить оптимальный распыл топлива для обеспечения испарения, смешивания топлива с окислителем (воздухом) и обеспечения процесса горепия топливной смеси в тоночном пространстве котельных установок с целью обеспечения высокого КПД котлоагрегата в целом, значительного сокращения выхода с нродуктами сгорания твердых частиц и оксидов , в частности, оксидов азота (NOx) ;
производить регулирование формы факела за счет изменения давления распылителя в центральном или периферийном каналах, что позволяет использовать предлагаемый генератор топливной смеси в системах автоматического регулировапия котельных установок, где с целью обеспечения необходимой выработки теплоносителя (нара или горячей воды) при изменении режима потребления теплоносителя Потребителем и обеспечения максимального возможного КПД котлоагрегата, необходимо менять форму факела, чтобы задействовать весь лучистый пучок котлоагрегата;
унифицировать предлагаемый генератор за счет его конструктивного исполнения для различных типов котельных установок;
за счет невысоких требований по точности изготовления , в отличие от классических центробежных форсунок и прототина, существенно сократить расходы по себестоимости изготовления. Генеральный днректор ТОО ИЦ «Тензор    crVt  Мирошников В.И.