Проточный котёл пульсирующего горения
FLOW-THROUGH BOILER FOR PULSATING COMBUSTION

Изобретение относится к области отопления, в частности к нагревателям текучей среды, в которых сжигание топлива происходит в импульсном режиме вследствие акустического резонанса в газовой массе, и может быть использовано для нагрева теплоносителей различными горючими газами, например, в нефтеперерабатывающей отрасли.
Известна система пульсирующего горения, содержащая камеру сгорания, емкость для нагреваемого теплоносителя, устройства подвода топлива, подвода воздуха, вывода продуктов горения, а также смесительное устройство, два ресивера, два обратных клапана, дефлектор и устройство контроля продувки и горения с двумя датчиками, а также в выполнении устройств системы (Патент RU 2175422 С1. Система пульсирующего горения. - МПК F23C 11/04. - Опубл. 27.10.2001).
Известно клапанно-смесительное устройство котла пульсирующего горения, содержащее камеру сжигания газообразного топлива с цилиндрической полостью, закрытой торцовой стенкой с проходным отверстием с одной стороны и открытой - с другой, запальное устройство, установленное в полости камеры сжигания, устройства подвода топлива и воздуха, снабженные ресиверами с обратными клапанами, смесительное устройство с дозирующими отверстиями, сообщающееся с камерой сжигания через проходное отверстие в торцовой стенке, дефлектор изменения направления потоков газообразного топлива, установленный на расстоянии от закрытого торца камеры сжигания, определяющем размер кольцевого канала выхода газовоздушной смеси из смесительного устройства в камеру сжигания. Дозирующие отверстия в стенке камеры смесительного устройства выполнены с хордовым направлением завихрения потока газа в цилиндрической камере смесительного устройства. (Патент RU 2560854 С2. Клапанно-смесительное устройство котла пульсирующего горения. - МПК: F23C 15/00. - Опубл. 20.08.2015).
Известна топка пульсирующего горения, содержащая камеру сгорания с запальным устройством для розжига, ограниченную боковыми стенками, открытым торцом с одной стороны и закрытым торцом с другой стороны, смесительное устройство, сообщающееся с камерой сгорания посредством канала подачи топливно-воздушной смеси, трубопроводы подачи воздуха и топлива с дозирующими отверстиями и обратными клапанами, причем смесительное устройство размещено в продолжении трубопровода подачи воздуха путем сопряжения его с трубопроводом подачи топлива на уровне дозирующих отверстий, выполненных в продолжении трубопровода подачи воздуха. Канал подачи топливно-воздушной смеси из смесительного устройства в камеру сгорания соединен с отверстием, выполненным в закрытом торце камеры сгорания, при этом продольная ось канала подачи топливно-воздушной смеси расположена под углом к плоскости закрытого торца камеры сгорания и пересекает поверхность боковой стенки камеры сгорания (Патент RU 2549278 С1. Топка пульсирующего горения. - МПК F23C 15/00. - Опубл. 27.04.2015).
Известен теплогенератор пульсирующего горения, содержащий внешний корпус, смесительное устройство, снабженное устройствами подачи топлива и воздуха, установленное на внутреннем корпусе; во внутреннем корпусе размещены соединенные друг с другом первая и вторая емкости для теплоносителя, снабженные патрубками подвода и отвода теплоносителя, соответственно, патрубок для отвода продуктов сгорания; камера сгорания образована внутренней стенкой второй емкости для теплоносителя, первая емкость для теплоносителя установлена поверх второй емкости для теплоносителя; в смесительном устройстве или в камере сгорания установлены запальное устройство и дефлектор. Устройство подачи воздуха содержит вентилятор и ресивер с обратным клапаном (Патент RU 73447 U1. Теплогенератор пульсирующего горения (варианты). - МПК F23C 3/00. - Опубл. 20.05.2008).
Известен котел пульсирующего горения, содержащий камеру сгорания, выполненную в виде цилиндрической полости с закрытым торцом и открытым торцом, в котором выполнено, по меньшей мере, одно отверстие для отвода продуктов сгорания, емкость для нагреваемого теплоносителя, установленное в камере сгорания запальное устройство со свечой зажигания, а также смесительное устройство, дефлектор. Смесительное устройство через первые и вторые обратные клапаны, и ресиверы подсоединено к устройствам подвода топлива и воздуха соответственно, а дефлектор расположен в камере сгорания с образованием кольцевой щели с полостью смесительного устройства. Устройство отвода продуктов сгорания связано с открытым торцом камеры сгорания посредством, по меньшей мере, одного змеевика, расположенного в полости емкости для нагреваемого теплоносителя. Запальное устройство выполнено съемным в виде размещенного на противоположном, относительно камеры сгорания, торце смесительного устройства фланца с центральным отверстием и шпильками, на концах которых закреплен дефлектор со свечой зажигания, электроды которой расположены со стороны камеры сгорания. Запальное устройство снабжено турбулизатором воздушно-топливной смеси, выполненным в виде крыльчатки, расположенной в полости смесительного устройства со стороны дефлектора. Обратный клапан воздуха расположен на противоположной от дефлектора стороне фланца. Устройство отвода продуктов сгорания также может быть связано с открытым торцом камеры сгорания посредством изогнутых труб, расположенных в полости емкости для нагреваемого теплоносителя, свеча зажигания может быть расположена в полости смесительного устройства, а запальное устройство может быть снабжено узлом розжига, включающем трубку подвода топлива, направленную в сторону свечи зажигания (Патент RU 2293253 С1. Котел пульсирующего горения (варианты). - МПК F23C 15/00, F24H 1/08. - Опубл. 10.02.2007).
Известен котел пульсирующего горения, содержащий камеру предварительного смешивания для получения газовой смеси окислителя с топливом, клапанный затвор на выходе из камеры предварительного смешивания, снабженный впускным трубопроводом и стабилизатором пламени в виде вертикальной цилиндрической детали, расширяющейся на нижнем конце в виде раструба, камеру сгорания на выходе впускного трубопровода, включающую в себя камеру воспламенения и расширительную камеру, продолжающую камеру воспламенения, при этом камера сгорания ограничена первой металлической стенкой, камера воспламенения охватывает стабилизатор пламени и ограничена второй металлической стенкой, коаксиальной с первой стенкой, в металлической стенке камеры воспламенения выполнены один или несколько вырезов (Патент RU 2419027 С1. Котел пульсирующего горения. - МПК F22B 1/26. - Опубл. 20.05.2011).
Известен теплогенератор пульсирующего горения, содержащий камеру сгорания с клапанно-смесительным устройством и трубами-резонаторами, причем камера сгорания с трубами-резонаторами размещена в рубашке с теплоносителем, образуя теплообменник, и выхлопную трубу, состоящую из дополнительного резонирующего устройства в составе цилиндрической камеры и резонатора в виде трубы длиной, равной 10…12 диаметрам трубы, и реактивно-активного глушителя шума. Цилиндрическая камера дополнительного резонирующего устройства выполнена коаксиально относительно теплообменника и сообщена снизу с трубами-резонаторами через торцевую полость, образованную фланцем и днищем теплообменника, а сверху - с резонатором дополнительного резонирующего устройства через патрубок, при этом объем цилиндрической камеры дополнительного резонирующего устройства составляет 50…200% от суммарного объема камеры сгорания с трубами-резонаторами, причем коаксиально относительно цилиндрической камеры дополнительного резонирующего устройства выполнена рубашка для теплоносителя, образованная из обечайки, нижнего и верхнего фланцев, сообщенная посредством, например, патрубка с рубашкой теплообменника (Патент RU 2702059 С1. Теплогенератор пульсирующего горения. - МПК F23C 15/00. - Опубл. 03.10.2019). Данное устройство выбрано за прототип.
Основным недостатком известных проточных котлов пульсирующего горения является низкий КПД и невозможность использования различных горючих газов.
Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является возможность использования различных горючих газов и повышение КПД путем подогрева воздуха, подаваемого в камеру сгорания.
Техническим результатом является возможность использования различных горючих газов и повышение КПД за счет подогрева воздуха, подаваемого в камеру сгорания.
Указанный технический результат достигается тем, что, в известном проточном котле пульсирующего горения, содержащем вертикально ориентированный корпус с крышкой, соединенные фланцами, аксиально расположенные в корпусе емкость с патрубками подвода и отвода теплоносителя, в которой установлены топка пульсирующего горения с трубами-резонаторами для нагревания теплоносителя, торцами вмонтированными в трубную доску емкости и сообщающиеся с коллектором дымовых газов, расположенным ниже трубной доски, коаксиально установленную резонирующую обечайку, образующую со стенкой емкости канал отвода дымовых газов из коллектора в патрубок выхлопной трубы, размещенную под крышкой воздушную камеру, в которой расположены вентилятор наддува воздуха в клапанно-смесительное устройство, включающее ресивер горючего газа с обратным клапаном, смесительную камеру с отверстиями-дозаторами и патрубком подачи горючего газа с обратным клапаном на входе, а на выходе установлены запальная свеча и дефлектор, выхлопную трубу с резонатором реактивно-активного глушителя шума через патрубок отвода дымовых газов, присоединенный к верхней части обечайки, и трубу забора атмосферного воздуха, согласно предложенному техническому решению, ресивер горючего газа расположен вокруг смесительной камеры на уровне отверстий-дозаторов, а резонирующая обечайка образует с корпусом кольцевой канал подвода воздуха в воздушную камеру из трубы забора атмосферного воздуха с возможностью подогрева, присоединенной к нижней части корпуса, при этом нижние торцы корпуса и обечайки соединены фланцами, к которым присоединен коллектор, выполненный с конусообразным днищем и технологическим люком с заглушкой для удаления конденсата от дымовых газов;
на обечайке закреплены радиально ориентированные продольные пластины для интенсификации подогрева воздуха, поступающего по кольцевому каналу;
корпус и крышка изготовлены из теплоизоляционного материала;
он расположен нижним фланцем корпуса на платформе, установленной на ножках.
Приведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного проточного котла пульсирующего горения, отсутствуют. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого технического решения, показали, что оно не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявляемого технического решения преобразования на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Заявленный проточный котел пульсирующего горения может быть использован для нагрева теплоносителя в системах отопления и на других видах жизнедеятельности. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
На фиг. 1 схематично представлен заявляемый проточный котел пульсирующего горения; на фиг. 2 - то же, сечение А-А на фиг. 1.
Проточный котел пульсирующего горения содержит вертикально ориентированный цилиндрический корпус 1 с крышкой 2, изготовленные из теплоизоляционного материала, соединенные между собой верхними 3 и нижними 4 фланцами, соответственно. В корпусе 1 аксиально установлена емкость 5 с патрубками подвода 6 холодного и отвода 7 нагретого теплоносителя потребителю, в которой размещены топка 8 пульсирующего сгорания газовоздушной смеси и трубы-резонаторы 9 для нагревания теплоносителя, вмонтированные торцами в трубную доску 10 емкости 5, сообщающиеся с коллектором 11 дымовых газов от сжигания газовоздушной смеси, выполненный с конусообразным днищем 12. Под крышкой 2 образована воздушная камера 13, в которой размещено клапанно-смесительное устройство, включающее вентилятор 14 наддува воздуха в ресивер 15 с обратными клапанами 16 и патрубок 17 для подачи горючего газа в ресивер 18 с обратным клапаном 19, смесительную камеру 20 с отверстиями-дозаторами 21 для дозированного впуска горючего газа в смесительную камеру 20, на выходе из которой установлены запальная свеча 22 и дефлектор 23, резонирующую обечайку 24, коаксиально установленную в корпусе 1, и выхлопную трубу 25 с резонатором 26 и реактивно-активным глушителем шума 27 через патрубок 28, присоединенный к верхней части обечайки 24 для отвода дымовых газов. (Фиг. 1). Резонирующая обечайка 24 образует со стенкой 29 емкости 5 канал 30 отвода дымовых газов из коллектора 11 в патрубок 28 выхлопной трубы 25, а с корпусом 1 - кольцевой канал 31 подвода воздуха в воздушную камеру 13 из трубы 32 забора атмосферного воздуха, соединенной с нижней частью корпуса 1. с возможностью подогрева воздуха при подаче его в воздушную камеру 13 и ресивер 15 смесительной камеры 20. Корпус 1 и резонирующая обечайка 24 нижними торцами соединены фланцами 4, к которым присоединено конусообразное днище 12 коллектора 11 с технологическим люком 33. снабженный снизу заглушкой 34 с возможностью удаления конденсата, стекающего из труб-резонаторов 9 и канала 30 отвода дымовых газов в коллектор 11. Такая конструкция котла позволяет использовать для нагревания теплоносителей различные горючие газы. На резонирующей обечайке 24 закреплены радиально ориентированные продольные пластины 35 для интенсификации подогрева воздуха в кольцевом канале 31, поступающим из трубы 32 забора атмосферного воздуха через воздушную камеру 13 в клапанно-смесительного устройства, что существенно увеличивает КПД котла. (Фиг. 2). Котел расположен нижним фланцем 5 корпуса 1 на платформе 36, установленной на ножках 37. для чего нижний фланец 4 корпуса 1 периферией выступает за периметр фланца коллектора 11.
Проточный котел пульсирующего горения работает следующим образом.
Перед розжигом котла на 15-60 сек включают вентилятор 14, с помощью которого за это время из воздушной камеры 13 через ресивер 15 воздуха и смесительную камеру 20 осуществляют продувку топки 8 пульсирующего горения и труб-резонаторов 9 с отводом наружу через коллектор 11, кольцевой канал 30 отвода дымовых газов и патрубок 28 выхлопной трубы 25 с резонатором 26 и реактивно-активным глушителем шума 27. После этого емкость 5 заполняют теплоносителем через патрубок 6 подвода холодного теплоносителя. Затем на запальную свечу 22 подают питающее напряжение и через 0,5-1 сек открывают подачу воздуха по трубе 32 забора атмосферного воздуха и кольцевому каналу 31 в воздушную камеру 13 и горючего газа по патрубку 17 в клапанно-смесительное устройство. Газ через обратный клапан 19 проходит в ресивер 18, затем через отверстия-дозаторы 21 в смесительную камеру 20, где происходит его смешивание с воздухом, поступающим с помощью вентилятора 14 из воздушной камеры 13 через ресивер 15, обеспечивая среднюю величину избытка воздуха в пределах от 1,1 до 1,6. При этом в воздушной камере 13 создается разрежение воздуха, для восполнения которого атмосферный воздух свободно всасывается по трубе 32 и кольцевому каналу 31 в воздушную камеру 13. Полученная в смесительной камере 20 газовоздушная смесь поджигается от запальной свечи 22, включенной от вышеупомянутого питающего напряжения, и с завихрением, вызываемым дефлектором 23, поступает в топку 8 пульсирующего горения. При этом первая вспышка газовоздушной смеси приводит к кратковременному повышению давления в топке 8 пульсирующего горения и к возникновению в ней акустических волн, представляющем собой акустический резонанс. В этом случае обратные клапаны 16 и 19 работают автоматически как пульсирующие клапаны и закрываются, когда давление в топке 8 пульсирующего горения превышает давление в ресиверах 15 и 18, соответственно, что приостанавливает поступление в смесительную камеру 20 газа и воздуха, а, соответственно, газовоздушной смеси в топку 8 пульсирующего горения, и наоборот. При этом дымовые газы от сжигания газовоздушной смеси под действием избыточного давления отводятся из топки 8 пульсирующего горения через трубы-резонаторы 9, нагревая стенками теплоноситель, в коллектор 11, далее в канал 30, подогревая одновременно поступающий атмосферный воздух по кольцевому каналу 31, и через патрубок 28 и выхлопную трубу 25 в окружающую среду. Через определенное время, примерно (25-30) мсек, давление в топке 8 пульсирующего горения периодически снижается и клапаны 16 и 19 открываются, впуская очередную порцию горючего газа из патрубка 17 и воздуха из воздушной камеры 13, и далее цикл повторяется. Таким образом происходит запуск котла пульсирующего горения с выходом на режим с минимальной мощностью и устанавливается колебательный процесс пульсирующего горения газовоздушной смеси с частотой (35-40) Гц, вызывающей резонанс: в котле, с выходом нагретого теплоносителя потребителю через патрубок 7 отвода.
Со стабилизацией пульсирующего горения дальнейший наддув воздуха с помощью вентилятора 14 и поджигание газовоздушной смеси с помощью запальной свечи 22 не требуются, и эти устройства отключаются. При этом всасывание подогретого воздуха в ресивер 15 из воздушной камеры 13 через обратные клапана 16 и горючего газа в ресивер 18 через обратный клапан 19 и отверстия-дозаторы 21 происходит автоматически благодаря периодическим волнам разрежения в топке 8 пульсирующего горения, а воспламенение каждой поступившей в топку 8 пульсирующего горения следующей порции газовоздушной смеси производится остаточным от предыдущего периода горения пламенем, присутствующим в зоне завихрения за дефлектором 23. Кольцевой канал 31, особенно с размещенными в нем радиально ориентированными продольными пластинами 35 на резонирующей обечайке 24 вокруг емкости 5, обеспечивает подогрев воздуха при подаче его в клапанно-смесительное устройство, что существенно увеличивает КПД котла. Устойчивое пульсирующее горение достигается резонансом стенки топки 8 пульсирующего горения и связанными с ней трубами-резонаторами 9, а также резонирующей оболочкой 24 и реактивно-активным глушителем шума 27 на выхлопной трубе 25, что обеспечивает полное сжигание газовоздушной смеси. Процесс пульсирующего горения продолжается до отключения подачи газа в котел.
Для ремонта и обслуживания клапанно-смесительного устройства проточного котла раскрепляют фланцы 3 и с корпуса 1 снимают крышку 2. При обслуживании нижней части котла, с технологического люка 33 снимают заглушку 34, через который удаляют конденсат и другие отложения от сжигания газовоздушной смеси в топке 8 пульсирующего горения, трубах-резонаторах 9 и кольцевом канале 31 отвода дымовых газов. Наличие технологического люка 33 с заглушкой 34 снижает затраты на обслуживание котла.