ПАРОГАЗОГЕНЕРАТОР
STEAM GAS GENERATOR

Изобретение относится к области силовых установок, использующих в качестве рабочего тела парогаз, генерируемый путем непосредственного перемешивания воды с горячим газом.
Известен парогазогенератор (RU2079684, 20.05.1997, F02C 3/30, F01K 21/04, F02K 9/64), содержащий форкамеру с электрозапальным устройством, охлаждаемый корпус, внутри которого размещены камеры сгорания и смешения, разделенные устройством подачи балластировочного компонента. Согласно изобретению, выход камеры сгорания выполнен в виде сопла, диффузор которого спрофилирован с поднутрением, а в устройстве подачи балластировочного компонента смонтирован кольцевой вкладыш с продольными каналами ступенчатой формы, причем ступень большего проходного сечения направлена в сторону камеры сгорания.
Недостатком такого устройства является низкая удельная мощность (кВт/кг).
Известен парогазогенератор (RU2544417, 20.03.2015, F22B 1/26), содержащий запальное устройство с электросвечой, смесительную головку с магистралями подвода окислителя, горючего и воды на завесное охлаждение, камеру сгорания с каналами тракта охлаждения и профилированной торцевой стенкой для направления балластировочной воды, камеру смешения с отверстиями для подачи балластировочной воды. Согласно изобретению, каналы тракта охлаждения камеры сгорания выполнены под острым углом к оси парогазогенератора, а отверстия для подачи балластировочной воды в зоне смешения выполнены также под острым углом к оси парогазогенератора и направлены в противоположную сторону относительно каналов тракта охлаждения камеры сгорания. Недостатком такого устройства является низкая удельная мощность (кВТ/кг).
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков является парогазогенератор, предназначенный для установки на торпеды (сайт www.weapons-world.ru, “Тепловые энергосиловые установки торпед”), содержащий водохлаждаемый корпус, распылительно-зажигательное устройство, камеру горения и камеру смешения продуктов горения с водой. Парогазогенератор работает на жидком топливе, а именно на керосине, который сгорает в атмосфере сжатого воздуха. Сжатый воздух предварительно подогревается.
Недостатком такого устройства является низкая удельная мощность (кВт/кг).
В основу изобретения положена задача создания жидкотопливного парогазогенератора с высокой удельной мощностью (кВт/кг).
Поставленная задача решается тем, что парогазогенератор содержит охлаждаемый корпус, распылительно-зажигательное устройство, камеру горения и камеру смешения продуктов горения с водой.
Согласно изобретению, охлаждаемый корпус представляет собой четыре цилиндрические трубы, напрессованные друг на друга, где на наружной цилиндрической поверхности трех внутренних труб выполнены спиральные каналы, которые начинаются и заканчиваются кольцевыми каналами, с обоих торцов корпуса установлены крышки, левая и правая с вмонтированными в них с внутренней стороны завихрительными форсунками, в левую крышку установлено распылительно-зажигательное устройство, а с обеих сторон правой крышки установлены стенки, левая и правая, с отверстиями по центру, где в левой стенке отверстие с диаметром меньшим, чем в правой,
а камера смешения продуктов горения и балластированной воды присоединена к правой крышке, в цилиндрический корпус которой вмонтированы водяные форсунки для подачи распыленной балластированной воды.
2
2
2
Заявляемый парогазогенератор содержит три ступени горения и одну ступень парогенерации. Первая ступень горения производится в распылительно-зажигательном устройстве (RU 2740722 20.01.2021 , F23D 11/20; F23L 7/00; F23L 7/005), которое вырабатывает продукты неполного сгорания с большим содержанием сажи. Вторая ступень горения производится в камере паровой газификации, где в вихревом потоке встречаются продукты неполного сгорания с большим содержанием сажи (т.е. углерода) и перегретый водяной пар. Происходит химическая реакция между водой и углеродом по формуле C + HO = CO + H, где CO + H - водяной газ. Третья ступень горения производится в камере сжигания водяного газа, где сжигается газ с остатками несгоревших в камере газогенерации частиц. Чистый газовый вихревой поток переходит в камеру смешения с распыленной балластированной водой, где происходит процесс парогенерации. Совокупность таких эффектов, как трехступенчатое горение, вихревой процесс, паровая газификация, и распыление балластировочной воды приводит к увеличению удельной мощности парогазогенератора.
Таким образом, предлагаемое устройство решает поставленную задачу изобретения, а именно, создание жидкотопливного парогазогенератора с высокой удельной мощностью (кВт/кг).
Сущность технического решения поясняется рисунками, фиг. 1 - продольное сечение устройства, фиг. 2 - общий вид устройства с вырезом.
На фигурах обозначены: 1 - охлаждаемый корпус; 2 - распылительно-зижигательное устройство; 3 - камера горения (камера паровой газификации); 4 - камера смешения продуктов горения с балластированной водой; 5 - спиральные каналы; 6 - кольцевые каналы; 7 - 8 - левая и правая крышки; 9 - завихрительные форсунки; 10 - 11 - левая и правая стенки; 12 - камера сжигания водяного газа; 13 - выходное сопло; 14 - коллектор установочных отверстий завихрительных форсунок левой крышки 7; 15 - коллектор установочных отверстий форсунок правой крышки 8; 16 - крышки коллекторов; 17 - штуцер ввода дистиллированной воды; 18 - патрубок перехода парового потока из верхнего спирального канала в нижний; 19 - штуцер выхода перегретого пара; 20 - штуцер выхода разогретого воздуха; 21 - штуцер входа сжатого разогретого воздуха в правую крышку 8; 22 и 23 - штуцера ввода сжатого и разогретого воздуха в распылительно-зажигательное устройство; 24 - штуцер паропровода для распыла жидкого топлива в распылительно-зажигательном устройстве; 25 - водная распылительная форсунка; 26 - водоохлаждаемая втулка; 27 - штуцер подачи воды на охлаждение водяной форсунки; а - верхний уровень спиральных каналов; б - средний уровень спиральных каналов; в - нижний уровень спиральных каналов.
Наружные поверхности устройства теплоизолированы (на фигурах не показано).
Устройство состоит из охлаждаемого корпуса 1, распылительно-зажигательного устройства 2, камеры горения (камера паровой газификации) 3, камера смешения продуктов горения с балластированной водой 4.
Корпус 1 состоит из четырех труб, напрессованных друг на друга, где на наружной цилиндрической поверхности трех внутренних труб выполнены спиральные каналы 5, которые начинаются и заканчиваются кольцевыми каналами 6. В этой сборной конструкции выполнены три уровня кольцевых и спиральных каналов. Верхний уровень “а”, средний уровень “б” и нижний уровень “в”. С обеих торцевых сторон корпуса 1 установлены крышки, левая 7 и правая 8. С внутренней стороны крышек вмонтированы завихрительные форсунки 9. А с обеих сторон правой крышки 8 установлены стенки 10 и 11 с отверстиями по центру, причем у правой стенки 11 отверстие по диаметру больше, чем у левой стенки.
Правая крышка 8 вместе со стенками 10 и 11 и внутренней цилиндрической поверхностью 12 является камерой сжигания водяного газа, произведенного из жидкого топлива в камере паровой газификации 3. Сжигание происходит в атмосфере разогретого сжатого воздуха. В камере смешения 4 раскаленные газы, произведенные в камере сжигания 12 смешиваются с распыленной балластированной водой, получаемый парогаз истекает из сопла 13. В левой 7 и правой 8 крышках выполнены коллекторы 14 и 15 для подачи пара, либо воздуха в установочные отверстия завихрительных форсунок 9. Коллекторы закрыты крышками 16. Из коллекторов 14 и 15 просверлены отверстия, соединяющие полость коллектора и установочные отверстия завихрительных форсунок (на фигурах не показано). В верхний уровень спиральных каналов “а” корпуса 1 подается дистиллированная вода, далее она проходит через патрубок 18 в нижний уровень “в” и, пройдя его, выходит в виде перегретого пара через штуцер 19. Из штуцера 19 перегретый пар подается по трубопроводам (трубопроводы не показаны) в коллектор 14 через штуцер (не показан) крышки 7 для запитки завихрительных форсунок 9, а также на штуцер 24 распылительно-зажигательного устройства. Средний уровень спиральных каналов “б” служит для разогревания сжатого воздуха. Вход не показан, а выход разогретого воздуха осуществляется через штуцер 20. Разогретый воздух подается через штуцер 21 в коллектор 15 правой крышки 11, а также на штуцеры 22 и 23 распылительно-зажигательного устройства 2. В камеру смешения 4 вмонтированы водяные распылительные форсунки 25 для подачи балластированной воды, установленные в водоохлаждаемые втулки 26. Подача воды на охлаждаемые втулки производится через штуцера 27.
Водоохлаждение водяных распылительных форсунок нужно для того, чтобы при использовании балластированной воды неочищенной от солей на внутренних поверхностях форсунок не отлагалась накипь. Известно, что накипь отлагается при температуре воды +80°С.
Камера сгорания водяного газа 12 выполняет в этом устройстве кроме основной, горения, функцию газового диода. Она пропускает газовый поток в камеру смешения 4 и не пропускает газовый поток в камеру паровой газификации 3. Это происходит за счет насосного эффекта, который может осуществляться в цилиндрической камере, имеющей с обеих сторон стенки с отверстиями разного диаметра. При подаче тангенциально из завихрительных форсунок сжатого воздуха, вихревой поток вытекает из большого отверстия и всасывается в меньшее. Этот эффект помогает работе устройства тем, что разогретый воздух не попадает в камеру паровой газификации и не увеличивает там температуру до неприемлемой. Насосный эффект проверен экспериментально на действующей модели.
Температуру в камере 3 можно регулировать соотношением водяного пара и топлива, потому что химическая реакция газификации эндотермична, т.е. происходит с поглощением тепловой энергии. Эффект регулировки температуры в камере газификации проверен экспериментально на действующей модели. При подаче в вихревое горелочное устройство (RU2647172, 14.03.2018, F23D 11/20; F23C 99/00; F23L 7/00) 800 г/час дизельного топлива и 800 г/час воды в виде перегретого до 300°C пара, температура вихревого потока составила 920°C.
Устройство работает следующим образом. Для пуска устройства необходимо прогреть все детали до требуемой температуры. Для этого вначале на вход всех штуцеров, кроме топливных и штуцеров балластировочной воды, подают сжатый воздух, а в топливную трубку распылительно-зажигательного устройства подают легкоиспаряющееся топливо. Балластировочную воду не подают. Распыленное воздухом пусковое топливо поджигается свечой зажигания в распылительно-зажигательном устройстве. Происходит прогрев всей конструкции устройства, и после достижения требуемой температуры деталей работу устройства переводят в штатный режим.