ЖИДКОТОПЛИВНАЯ ГОРЕЛКА СО СПИРАЛЬНЫМ ИСПАРИТЕЛЕМ

Жидкотопливная горелка со спиральным испарителем относится к области энергетики и может быть использована для сжигания мазута, отработанного масла и прочих сложных углеводородов с получением тепловой энергии для нагрева теплоносителя, обогрева помещения. Устройство относится к энергетическим установкам малой мощности, работающей как на естественной тяге (в режиме малой мощности), так и с принудительной подачей воздуха и вытяжкой продуктов сгорания (в режиме большей мощности при эксплуатации на промышленных объектах).
Известно горелочное устройство для жидкого топлива (RU 9933. кл. F23D 7/00). Устройство содержит цилиндрическую камеру сгорания с чашкой, воздуховод, трубку для подачи топлива. Однако нижнее расположение системы топливоподачи не позволяет использовать устройство для сжигания тяжелых углеводородов.
Известно УСТРОЙСТВО ДЛЯ СМЕШЕНИЯ ЖИДКОСТИ С ГАЗОМ Институт технической теплофизики НАН Украины (UA) RU №2198726 МПК B01F 3/04, B01F 11/02 для приготовления топливных смесей для двигателей внутреннего сгорания, содержащее направляющий аппарат, выполненный в виде решетки с лопатками аэродинамической формы, сопло параболической формы с винтовыми впадинами по ходу вращения вихря. На срезе сопла расположены стержни. Жидкость смешивается с газом и выходит из сопла в емкость с жидкостью. Результат этого состоит в получении однородной газожидкостной смеси мелкодисперсной структуры при уменьшении гидравлических потерь.
Описанное в патенте №2198726 устройство требует приложения механической энергии для получения газофазной топливной смеси. В отличие от него предлагаемый образец использует тепловую энергию сгорающего топлива для испарения и смешения вследствие этого компонент жидкого топлива и воздуха, что снижает зависимость устройства от механической или электрической энергии и делает устройство более автономным.
Существенными недостатками большинства известных устройств является то, что при подаче в качестве топлива сложных углеводородов требуется много времени на нагрев топлива и разбиение на более простые молекулы. При этом струя топлива проходит значительное расстояние в пространстве и выходит за зону высокой температуры, вследствие этого воспламенение и сжигание топлива становится невозможным.
Известно устройство для сжигания жидкого топлива, выбранное в качестве прототипа RU №139611 F23D 5/04, содержащее цилиндрическую камеру сгорания, снабженную отверстиями для выхода продуктов сгорания.
Общими существенными признаками упомянутого и предлагаемого устройств является испарительный способ сжигания топлива, цилиндрические камеры сгорания, подача воздуха в камеру сгорания через отверстия и щели. В прототипе следует отметить отсутствие механизмов смешения поступающего потока воздуха и паров топлива в основании факела, что не может обеспечить высокий КПД работы устройства.
Отличительной особенностью предлагаемого горелочного устройства является устойчивая работа на тяжелом углеводородном топливе, обеспечиваемая конструкцией вертикальной камеры сгорания со спиральным каналом подачи топлива - подогревателем, передающим энергию сгорающего топлива для подогрева и испарения топлива поступающего под действием силы тяжести из топливного бака (в одном из вариантов, расположенного выше цилиндрической камеры) по подогревателю в камеру сгорания, а также благодаря нагреву разогретыми продуктами сгорания, поднимающимися во встречном направлении.
Поток воздуха со всех сторон поступает к корню факела, завихряясь и нагреваясь при этом о разогретый цилиндр, в процессе чего он смешивается с парами топлива и, благодаря турбулентным завихрениям, полученная смесь равномерно наполняет камеру сгорания, обеспечивая оптимальное смесеобразование паров топлива и поступающего воздуха и равномерное сгорание по всему объему камеры сгорания. При этом благодаря турбулизатору создающий спирально-направленный вихрь из натекающего воздуха, частицы топлива увлекаются и перемешиваются со встречным потоком воздуха.
Устойчивую работу устройства обеспечивает нагрев стекающего по теплопроводному металлическому спиральному каналу топлива до оптимальной температуры испарения. Полное сгорание топлива обеспечивается жаровой камерой, разогретым цилиндром (аккумулятором тепла, или стабилизатором горения) и системой подачи воздуха, обеспечивающей появление турбулентных потоков необходимых для равномерного распределения топливной смеси по камере, конструкция которых имеет расчетные параметры и соотношения.
Эффективность созданной конструкции подтверждается техническими характеристиками устройства, функционирующего в действующей печи отопления цеха и на испытательном стенде разработчика.
Техническим результатом предложенного горелочного устройства является обеспечение полноты сгорания тяжелых углеводородов, таких как мазут, как на основе естественной тяги, так и при искусственной подаче воздуха, использование получаемой тепловой энергии для систем отопления помещений.
Отличия предлагаемого устройства. Устройство, рассматриваемое в качестве прототипа, имеет нижнее расположение емкости с топливом, в которой воздух подается выше уровня топлива и не происходит смешения компонентов горючего и окислителя во встречных потоках в отличие от предлагаемого варианта. Также описанная топливная чаша прототипа не позволяет топливу прогреваться, а прочих механизмов способствующих принудительному испарению тяжелых углеводородов не предусмотрено.
Технический результат достигается тем, что горелочное устройство теплогенератора содержит спиралевидный элемент увеличивающий путь проходимый топливом на пути от топливного коллектора или топливного сопла к факелу внутри камеры сжигания, что позволяет прогреть топливо до температуры близкой к температуре парообразования. Это позволяет снизить количество тепла, единовременно отбираемого от факела в момент воспламенения, и тем самым снизить минимальный возможный размер факела, требуемый для поддержания процессов нагрева, воспламенения и горения топливной смеси.
Устройство содержит спиральный испаритель, выполненный быстросъемным блоком, состоящий из цилиндра и, как один из вариантов, спиральной трубки из жаропрочной стали, навитой на него, просверленной насквозь отверстиями, расположенными через равные промежутки. Ось отверстий отклонена от вертикали настолько, чтобы попадать струей в канавку нижнего витка. Трубка позволяет, при подключении к компрессору, резким импульсом из ресивера сдувать золу со спирали. Помимо прочего систему, снабженную спиральной трубкой можно использовать для разогрева теплогенератора. Для этого требуется подключить к трубке газовый баллон вместо компрессора.
Наличие спиральной трубки с отверстиями для подачи газа по всей длине спирали позволяет осуществить предварительный прогрев испарительного цилиндра. Для этого по трубке подается газообразное топливо, а отверстия расположены таким образом, что выходя из отверстий, струя газа попадает в канавку, прогревая ее своим пламенем. Отверстия, расположенные с другой стороны трубки направлены вверх мимо другого витка трубки и образуют менее сконцентрированную струю газа, прогревающую цилиндр в целом и поднимающую температуру в камере сгорания. Благодаря такой конструкции возможно одновременное сжигание газа и обводненного низкосортного жидкого топлива, которое не способно поддерживать самоподдерживающееся стабильное горение. Помимо газообразного топлива по трубкам возможна подача воздуха под высоким давлением с целью удаления незакоксовавшихся частиц не догоревших сложных углеводородов (золы).
В качестве другого варианта исполнения возможно применение канавки-спиральной проточки, аналогично с трубкой увеличивающей путь проходимый топливом по мере движения от верхней части цилиндра-стабилизатора горения (теплоаккумулятора) до нижней части.
Быстросъемный блок со спиральным испарителем расположен вертикально, что позволяет шлаку и золе осыпаться вниз, после чего может быть извлечено, благодаря наличию в корпусе нижнего люка.
Для лучшего смешения топлива с воздухом предлагается установить в конце впускного воздушного тракта дефлекторы, расположенные радиально вокруг внутреннего цилиндра в нижней части камеры. Дефлекторы направляют поток приходящего (через канал воздухоподачи 11) воздуха против часовой стрелки навстречу направлению течения топлива, что улучшает перемешивание паров мазута в турбулизованном воздушном потоке.
Дефлекторы расположены равноудалено друг от друга (под углом к направлению набегающего воздушного потока) и выполняют функцию турбулизатора воздушного потока, улучшая образование топливно-воздушной смеси.
Преимущество конструкции устройства жидкотопливной горелки заключается в том, что при движении под действием силы тяжести навстречу разогретым продуктам сгорания топливо разогревается до высокой температуры, уменьшается его вязкость и начинается парообразование. Благодаря тому, что воздух подается во встречном направлении - испарившиеся частички топлива увлекаются завихренным воздушным потоком и воспламеняются, нагревая при этом цилиндр, по которому стекает топливо. Подобный способ сжигания топлива способен работать при меньших характерных расходах топлива в отличие от общепринятых методов сжигания топлива в факеле горелки, что упрощает его широкое применение.
Конструкция теплогенератора отличается тем, что она имеет две камеры сгорания. В одной из них инициируется процесс сжигания топлива, а во второй - происходит дожигание топливо-воздушной смеси. При этом обе камеры физически находятся близко друг к другу, и в них поддерживается высокая температура. При этом на выходе из второй камеры находится теплообменник, проходя через который продукты сгорания остывают, и удаляются в дымоход.
Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид горелочного устройства. Горелочное устройство испарительного типа (фиг. 1) работает на грубых сортах жидких топлив и содержит топливную емкость 1, вертикальный цилиндр 2, испаритель образованный цилиндром 2 и спиралью 3, а также стенками камеры сгорания 4 ограничивающими объем камеры сгорания, помимо этого, в нижней части камеры в области воздухоподачи предусмотрен турбулизатор поступающего воздуха 5 выполненный в виде дефлектора, направленного под определенным углом к потоку поступающего воздуха.
Устройство имеет топливный коллектор 6 заканчивающийся соплом 7, при этом в нижней части камеры для не сгоревших остатков топлива предусмотрена топливная чаша 8. Продукты сгорания удаляются через дымоход, который проходит через теплообменник 9 и дымовую трубу 10. Воздух поступает по каналу воздухоподачи 11.
Устройство работает следующим образом.
Топливо подается в топливный коллектор откуда через сопло расположенное в камере сжигания попадает на цилиндр, где течет по внешней стенке цилиндра вдоль канавки образованной цилиндром и оплеткой. Благодаря высокой температуре цилиндра и других частей камеры сгорания топливо нагревается, увеличивает свою текучесть и испаряется. Для создания первоначально высокой температуры в камере для розжига горелки используется газовый факел или другой источник тепла и высокой температуры (пламя дров, угля, плазмотрона). В случае розжига газом для его подачи используется спиральная трубка выполняющая функцию оплетки и топливного канала. Из отверстий в трубке подается газообразное топливо, где оно смешивается со встречным потоком воздуха и воспламеняется от запального устройства. По достижении камерой сжигания температуры достаточно высокой для поддержания процесса испарения и воспламенения топлива из сложных углеводородов, розжиг горелки прекращается и протекает самоподдерживающийся процесс горения топлива. Воздух при этом подается снизу благодаря естественной тяге или подведенному компрессору. На пути подачи топлива от компрессора около нижней кромки цилиндра устанавливаются заслонки - турбулизаторы потока, завихряющие течение воздуха внутри камеры и способствующие лучшему перемешиванию компонентов топливной смеси и окислителя. Время от времени горелка нуждается в очистке от сажи, для этого вынимается цилиндр, объединенный в блок со спиральной оплеткой, и металлической щеткой производится очистка от сажи и других несгоревших отложений.