Клапанно-смесительное устройство теплогенератора пульсирующего горения
VALVE-MIXING DEVICE OF PULSED COMBUSTION HEAT GENERATOR

Изобретение относится к энергетике и, в первую очередь, касается теплогенераторов пульсирующего горения.
Известно клапанно-смесительное устройство котла пульсирующего горения, содержащее камеру сжигания газообразного топлива с цилиндрической полостью, закрытой торцевой 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, при этом дозирующие отверстия в стенке камеры смесительного устройства выполнены с хордовым направлением завихрения (Патент RU №2560854, 13.05.2014 г.).
Недостатком известного устройства является снижение ресурса работы свечи зажигания в запальном устройстве из-за его размещения в полости камеры сжигания (высокие температуры среды), тем более, что пульсирующее горение происходит как правило, в режиме «старт-стопа», когда после каждого выключения идет повторное включение системы зажигания.
Известна также система пульсирующего горения, содержащая камеру сгорания теплогенератора в виде цилиндрической полости, закрытой торцевой стенкой с проходным отверстием с одной стороны и открытой с другой, при этом запальное устройство размещено на торце двух коаксиально выполненных цилиндров смесительного устройства, общий фланец которых соединен с закрытым торцом камеры сгорания, причем в стенке внутреннего цилиндра выполнен опоясывающий ряд дозирующих отверстий для подвода топливного газа из наружного цилиндра (Патент RU №2175422, 02.02.2001 г.), данное устройство взято за прототип.
Недостатком известного устройства также является ухудшение ресурсоспособности свечи зажигания, расположенной в одной из самой высокотемпературной зоне горения камеры сгорания.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в обеспечении работы запального устройства и, соответственно, свечи зажигания в зоне пониженных температур клапанно-смесительного устройства.
Технический результат достигается тем, что в клапанно-смесительном устройстве теплогенератора пульсирующего горения с камерой сгорания в виде цилиндрической полости, закрытой торцевой стенкой с проходным отверстием с одной стороны и открытой с другой, содержащее запальное устройство, и два коаксиально выполненных цилиндра, торцы которых посредством общего фланца соединены с закрытым торцом камеры сгорания, при этом в стенке внутреннего цилиндра выполнен опоясывающий ряд дозирующих отверстий для подвода топливного газа из наружного цилиндра, который через отверстие в стенке сообщен с системой подачи топливного газа через обратный клапан, и отверстие для подачи воздуха из атмосферы через обратный клапан и клапанно-смесительное устройство в камеру сгорания, а также вентилятор для подачи воздуха в клапанно-смесительное устройство и камеру сгорания при запуске теплогенератора, новым является то, что вдоль оси внутреннего цилиндра размещен шток стабилизатора пламени, завихритель которого расположен за проходным отверстием камеры сгорания и образует с ее торцевой стенкой зону горения, а свеча зажигания запального устройства установлена в резьбовое отверстие бобышки, приваренной к боковым стенкам внутреннего и наружного цилиндров клапанно-смесительного устройства в зоне между опоясывающим рядом дозирующих отверстий и закрытой торцевой стенкой камеры сгорания, симметрично относительно двух ближайших рядом расположенных дозирующих отверстий в стенке цилиндра.
Также в стенке внутреннего цилиндра выполнено дополнительное отверстие для подачи вентилятором воздуха в клапанно-смесительное устройство и камеру сгорания при запуске теплогенератора.
Также шток стабилизатора пламени установлен на резьбе в крышке для возможности осевого перемещения и снабжен центрирующим поясом с вырезами.
Приведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного клапанно-смесительного устройства теплогенератора пульсирующего горения, отсутствуют. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной области техники с целью выяснения признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявляемого технического решения преобразований на достижение указанного технического результата.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует, условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Заявленное техническое решение может быть реализовано на предприятиях машиностроения и использовано в теплогенераторах пульсирующего горения для нагрева теплоносителя в системах подогрева технологических сред, например, технологического газа в газораспределительных станциях и в различных отопительных устройствах. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
На фиг. 1 представлена конструктивная схема клапанно-смесительного устройства теплогенератора пульсирующего горения, на фиг. 2 - поперечный разрез клапанно-смесительного устройства по опоясывающему ряду дозирующих отверстий и бобышке со свечой зажигания.
Клапанно-смесительное устройство 1 теплогенератора пульсирующего горения 2, камера сгорания 3 которого выполнена в виде цилиндрической полости 4, закрытой торцевой стенкой 5 с проходным отверстием 6 с одной стороны и открытой 7 с другой, содержит запальное устройство 8 и два коаксиально выполненных цилиндра: внутренний 9 и наружный 10.
Торцы этих цилиндров через фланец 11 соединены с закрытой торцевой стенкой 5 камеры сгорания 3. В боковой стенке 12 внутреннего цилиндра 9 выполнен опоясывающий ряд 13 дозирующих отверстий 14 для подвода топливного газа из наружного цилиндра 10, который через отверстие 15 в боковой стенке 16 сообщен с системой подачи топливного газа через обратный клапан 17. В стенке 12 внутреннего цилиндра 9 также выполнено отверстие 18 для подачи в клапанно-смесительное устройство 1 воздуха из атмосферы через обратный клапан 19. Для запуска теплогенератора служит вентилятор 20 для подачи воздуха непосредственно в цилиндр 9 через дополнительное отверстие 21 в стенке 12.
Вдоль оси внутреннего цилиндра 9 размещен шток 22 стабилизатора пламени 23, завихритель 24 которого расположен за проходным отверстием 6 камеры сгорания 3 и образует с ее торцевой стенкой 5 зону горения 25. Для возможности осевого перемещения штока стабилизатора 23 с целью регулирования режимов горения в камере сгорания 3 шток 22 установлен в крышке 26 на резьбе и снабжен центрирующим поясом 27 с вырезами. Свеча зажигания 28 запального устройства 8 установлена в резьбовое отверстие бобышки 29 приваренной к боковым стенкам 12 и 16 цилиндров 9 и 10, соответственно в зоне 30 между опоясывающим рядом 13 дозирующих отверстий 14 и закрытой торцевой стенкой 5 камеры сгорания 3 симметрично относительно двух ближайших рядом расположенных дозирующих отверстий 31 из опоясывающего ряда 13 отверстий 14 в стенке 12 цилиндра 9 (разрез А-А на фиг. 2).
При этом электрод 32 свечи зажигания 28 находится во внутреннем цилиндре 9 между штоком 22 и стенкой 12 этого цилиндра в потоке предварительно перемешанной топливо-воздушной смеси на входе в зону горения 25.
Клапанно-смесительное устройство теплогенератора пульсирующего горения работает следующим образом. Для запуска теплогенератора 2 подают напряжение на свечу зажигания 28 и включают подачу воздуха в цилиндр 9 вентилятором 20 и подачу топливного газа через обратный клапан 17 и отверстие 15 в цилиндр 10. Из цилиндра 10 топливный газ через дозирующие отверстия 14 поступает в цилиндр 9, где смешиваясь с потоком воздуха, образует топливо-воздушную смесь, истекающую через завихритель 24 в зону горения 25. Одновременно в запальном устройстве 8 свеча зажигания 28, расположенная в зоне 30 за дозирующими отверстиями 31 поджигает предварительно перемешанную топливо-воздушную смесь, при этом образующийся локально вдоль струйки тока за местом расположения электрода 32 очаг горения сносится потоком в зону горения 25 камеры сгорания 3 и поджигает топливо-воздушную смесь.
В области течения топливо-воздушной смеси от ряда 13 дозирующих отверстий 14 до завихрителя 24 стабилизатора 23 горения нет, т.к. скорость турбулентного горения много меньше скорости потока во внутреннем цилиндре 9, поэтому свеча зажигания 28 работает в холодной зоне клапанно-смесительного устройства 1 и не подвергается термическим нагрузкам, обеспечивая надежную работу теплогенератора 2 в течение назначенного ресурса.
После запуска выключают вентилятор 20 и свечу зажигания 28, и теплогенератор 2 переходит на режим пульсирующего горения с заданной системой резонаторов частотой горения, когда чередуются циклы впуска через обратные клапана 19 и 17 воздуха и газа, возгорания топливо-воздушной смеси в камере сгорания 3 с закрытием клапанов и выхлопа продуктов сгорания из камеры сгорания 3 с последующим разрежением в ней и открытием клапанов 19 и 17 для очередного впуска топливного газа и воздуха.
Организация подачи воздуха в клапанно-смесительное устройство 1 через дополнительное отверстие 21 непосредственно в цилиндр 9 после обратного клапана 19 позволило оптимизировать размеры вентилятора 20 и использовать его только на запуске теплогенератора 2. Установка стабилизатора 23 на резьбе в крышке 26 клапанно-смесительного устройства 1 обеспечивает возможность его осевого перемещения для регулирования запуска теплогенератора 2 и устойчивого горения в зоне 25.