СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ ГАЗА
METHOD AND DEVICE FOR GENERATION OF GAS PULSES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу согласно ограничительной части пункта 1, позволяющему генерировать импульсы газовой фазы в устройстве для очистки от отложений пыли, содержащем камеру сгорания, объединенную с усиливающим рупором.
В способе согласно изобретению горючий газ и кислород подают для получения горючей газовой смеси в камеру сгорания по существу удлиненной формы с двумя противоположными концами, воспламеняют газовую смесь для генерирования импульса давления и обеспечивают высвобождение импульса давления из камеры сгорания и его передачу в усиливающий рупор для создания усиленного импульса.
Изобретение также относится к устройству согласно ограничительной части пункта 5, а также к способу, использующему указанное устройство, согласно ограничительной части пункта 9.
Как способ, так и устройство особенно полезны для генерирования усиленных импульсов газовой фазы (звука), которые могут быть использованы для очистки от наслоений частиц промышленного технологического оборудования и электростанций.
Уровень техники
На электростанциях, при работе с цементом и т.д., где образуются мельчайшие частицы как главный или побочный продукт производственного процесса, общей проблемой является оседание этих частиц на поверхности промышленного оборудования. На энергетических установках такие отложения частиц увеличивают потери давления и резко ухудшают теплообмен между газом и охлаждающей или нагревающей средой, такой как вода, пар или предварительно нагретый воздух для горения.
Традиционно очистка поверхностей промышленного оборудования от сажевых и пылевых отложений выполнялась способами, известными как «выдувание сажи» или «выбивание сажи», включающими такие меры, как продувание оборудования воздухом или паром или подвергание его поверхности ударам стальных шариков. Последний способ, при котором стальные шарики сбрасывались вертикально сверху и затем собирались под оборудованием, является трудноосуществимым и ведет к некоторому разрушению оборудования. Продувание паром имеет тот недостаток, что оно порой вызывает затвердение отложений и эрозию поверхностей труб.
Недавно была разработана новая технология, которая осуществляет удаление шлака или сажи применением звука с частотой от 20 до 250 Гц и интенсивностью до 160 дБ. Известные генераторы звука, применяемые в таких способах, используют сжатый воздух или вращающуюся сирену для производства звука, который затем усиливается в расширяющемся рупоре и направляется на подлежащие очистке поверхности. Звуковое давление, выраженное в децибелах, не обязательно является наилучшем показателем очищающей эффективности устройства. Звуковые волны обычно имеют синусоидную форму, и чем меньше частота, тем меньше скорость перехода от низкого к высокому давлению. При высокой частоте, с другой стороны, общая энергия звука выражается зависимостью:
амплитуда х частота ~ звуковая энергия.
Как известно, при постоянной звуковой энергии чем больше частота, тем меньше амплитуда.
Для преодоления указанной проблемы был разработан очиститель на взрывных импульсах, в котором топливо и воздух воспламеняются во взрывной камере и взрывной импульс подвергается усилению с помощью обычного акустического рупора. Такое устройство позволяет добиться быстрого изменения давления с положительного на отрицательное. Примером подобного известного устройства является очиститель на газовых импульсах, описанный в WO 01/78912 А1. В этом очистителе взрыв производится воспламенением газовой смеси, включающей водород и кислород, которая путем электролиза производится отдельно для каждого взрыва.
В более ранней международной заявке (WO 02/04861 А1) заявителя был предложен способ использования звуковых импульсов для уменьшения выбросов в атмосферу оксида азота и повышения эффективности сжигания в энергетической установке. В этой технологии использовалось устройство на газовых импульсах, подобное двигателю немецкой ракеты V1. Позже были сконструированы другие модели очистителей на газовых импульсах, снабженные отдельными свечами зажигания камеры сгорания, а также газовыми и воздушными клапанами. Обычно такого рода аппараты дают эффективный импульс каждые 8 секунд, причем давление звука, измеряемое на расстоянии 4 м, находится в диапазоне от 165 до 170 дБ. Данные устройства имеют взрывные камеры емкостью около 25 л и сжигают пропан со скоростью 2 г за один взрыв в присутствии воздуха. Взрывные камеры имеют цилиндрическую форму, причем диаметр камеры составляет 1/3 ее длины.
Украинской компанией был предложен аппарат, осуществляющий очистку методом взрыва, в котором воспламенение происходит с помощью искрового разряда высокого напряжения в смеси воздуха и метана, и, по заявлению авторов, истинная детонация в отличие от взрыва возникает в трубе длиной 1,5 м. При детонации такого типа локальное детонационное давление волны может достигать 100 бар, в то время как давление фронтальной волны обычного газового взрыва составляет только 5-7 бар.
В патенте США 5,015,171 описывается «настраиваемая импульсная форсунка» постоянного действия, производящая звуковую волну частотой 300 Гц и используемая для улучшения сгорания топлива в энергетической установке, однако в этом устройстве за один импульс сжигается около 5 мг газа.
Судя по литературе, для преобразования взрыва в детонацию газовоздушной смеси должны быть соблюдены, по меньшей мере, два минимальных условия:
а) мощность искрового разряда или лазерного луча должна быть около 1000 Дж или более, и
б) детонационная длина в трубе должна быть как минимум 1500 мм при диаметре детонационной трубы около 100 мм.
Преобразованию обычного сгорания в детонацию также может способствовать неровная или спиралевидная структура внутренней стенки камеры сгорания, известная как «спираль Шелкина». Данное явление было изучено Шелкиным (Schelkin) еще в 1946 г.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание устройства, использующего газовый импульс для очистки от отложений частиц, который имел бы пониженное потребление топлива при обеспечении звукового давления порядка 160 дБ или более на расстоянии 4 м и локальное давление газа, по меньшей мере, в некоторой точке, составляющее от 50 до 100 бар или более. Далее, задачей настоящего изобретения является создание устройства, использующего газовые импульсы, и способа его применения, которые могли бы увеличить частоту импульсов давления.
Настоящее изобретение основано на идее создания полной или частичной детонации или обычного сгорания, но с резко улучшенными показателями, в камере сгорания уменьшенного объема. В особенности было обнаружено, что предпочтительно подавать горючий газ и кислородосодержащий газ в камеру сгорания удлиненной формы с двумя противоположными сужающимися концами, один из которых закрыт или выполнен с возможностью закрытия, а другой открыт для высвобождения газа. В такой камере газовая смесь может быть воспламенена вблизи от по существу закрытого конца камеры. Размещение зоны воспламенения рядом с одним концом камеры дает возможность создать благодаря отражению волны давления от внутренних стенок конца камеры зону сжатия, в которой первоначальный взрыв внутри газовой смеси может быть преобразован в детонацию. Детонация затем высвобождается через удаленный конец удлиненной камеры сгорания, создавая при этом волну звука и давления, которая распространяется через устройство и может быть направлена на предмет, нуждающийся в очистке. Далее, было установлено, что особенно предпочтительным является создание взрыва в зоне воспламенения с помощью симметрично расположенных средств зажигания.
Более конкретно способ согласно настоящему изобретению охарактеризован в отличительной части пункта 1 формулы изобретения.
Устройство согласно настоящему изобретению охарактеризовано в отличительной части пункта 5 формулы изобретения.
Настоящее изобретение также относится к способу очистки поверхностей промышленного оборудования, имеющих наслоения сажи и частиц, согласно отличительной части пункта 9 формулы изобретения.
Настоящее изобретение предоставляет значительные преимущества. Так, новая камера сгорания имеет небольшой размер и обеспечивает достижение уровня звука около 165-175 дБ при расходе топлива менее 1/10, даже менее 1/20 того, что раньше было достигнуто экспериментальным путем.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение описывается более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, где:
Фиг.1 условно показывает конфигурацию зоны смешивания камеры сгорания согласно изобретению.
Фиг.2 представляет вид сбоку конструкции камеры сгорания согласно настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
Как пояснено выше, сущность способа согласно изобретению состоит в том, что горючий газ, такой как горючий углеводород, например пропан, а также воздух или другой кислородосодержащий газ, необходимый для воспламенения, взрыва или детонации, подают в камеру 1 сгорания, имеющую по существу удлиненную форму, один конец 2 которой сужен и закрыт, а второй конец 3 сужен и открыт и находится напротив первого. Горючий газ и кислородосодержащий газ подают в зону 4 воспламенения, находящуюся рядом с первым концом камеры, и указанные газы смешиваются в этой зоне 4. Газ воспламеняется в нескольких точках зажигания, расположенных симметрично по отношению к центральной оси камеры. Воспламенившись, газ производит взрыв и взрывную волну, которая отражается от внутренних стенок первого конца камеры сгорания, таким образом формируя центр столкновения («первую компрессионную зону»). В центре столкновения вследствие этого возникает детонация, по меньшей мере, в части объема газовой смеси.
В предпочтительном варианте изобретения в камеру 1 сгорания, имеющую по существу удлиненную форму и два противоположных конца 2 и 3, подают горючий газ и кислород, которые образуют горючую газовую смесь, воспламеняют газовую смесь для создания импульса давления и обеспечивают высвобождение импульса давления из камеры и его передачу в усиливающий рупор 6 для создания усиленного импульса. Газовая смесь воспламеняется в зоне 4 воспламенения, находящейся рядом с одним концом 2 камеры сгорания, для того, чтобы произвести первоначальный взрыв, который вызывает волну давления, отражающуюся от внутренних стенок конца камеры и формирующую зону столкновения, в которой первоначальный взрыв, по меньшей мере, частично преобразуется в детонацию, причем газовая смесь воспламеняется в зоне воспламенения симметрично расположенными средствами 5 зажигания.
В дальнейшем варианте изобретения волна сгорания газовоздушной смеси, сжигаемой в камере 1 сгорания, подвергается самосжатию за счет столкновения фронта горения, создаваемого симметрично расположенными средствами 5 зажигания в точке по существу на центральной оси камеры 1 за счет отражения фронта горения от конца 2 камеры, в который производится впуск газа и воздуха, и за счет сжатия фронта горения на другом конце 3 камеры сгорания, из которого импульс давления высвобождается в усиливающий рупор 6.
Волна фронта пламени движется вдоль камеры сгорания, которая, как видно на фиг.2, постепенно сужается ко второму (удаленному) концу камеры, при этом сжатие усиливается и скорость распространения пламени возрастает. В камере сгорания такого типа поступивший в нее газ сгорает полностью на весьма небольшом протяжении, на практике составляющем менее 1000 мм, в частном случае - менее 600 мм.
Таким образом, как показано выше, волна сгорания газовоздушной смеси, воспламененной в камере сгорания, подвергается самосжатию тремя различными способами в одно и то же время, а именно фронт горения, создаваемый симметрично расположенными средствами 5 зажигания, сталкивается сам с собой на центральной оси, отражается от круглой, параболической или конической головки на конце камеры, в который происходит впуск газа и воздуха, и, наконец, сжимается на противоположном коническом конце камеры, откуда давление высвобождается в усиливающий рупор 6.
Предпочтительный вариант изобретения, показанный на фиг.2, включает камеру 1 сгорания, в которой головка или конец 2 камеры, имеющая круглую, параболическую или коническую форму, на коротком промежутке продолжается в виде цилиндра 7, а затем, на некотором расстоянии от цилиндрической или почти цилиндрической секции, принимает форму усеченного конуса 8, плавно сужающегося по направлению ко второму концу камеры. К этому сужающемуся конусу прикреплен рупор. На расширенной части рупора площадь прохода в 20-30 раз превышает площадь соединительной части между камерой сгорания и рупором. Под «площадью прохода» подразумевается площадь поперечного сечения, перпендикулярного центральной оси камеры сгорания.
Тщательное проектирование камеры 1 сгорания позволяет повысить частоту импульсов системы. Фактором, препятствующим повышению этой частоты, как правило, является расширение импульсов давления, в результате чего два последовательных импульса могут слиться. В этом случае эффективность очистки волной давления уменьшается и импульсное устройство функционирует скорее как горелка непрерывного действия. Расширение импульсов вызвано многократным отражением фронта ударной волны от стенок камеры. Поэтому конфигурация камеры должна исключить эти зоны нежелательных отражений. Другими словами, целью улучшения конструкции камеры является канализация энергии давления в сторону усиливающего рупора наиболее прямым и быстрым способом. Вышеупомянутая коническая или параболическая форма ближнего конца камеры при скошенной форме второго конца, как показывают испытания, дает уменьшение времени выхода импульса в 10-20 раз по сравнению с плоским дном камеры. Более ранние модели камеры обеспечивали частоту 1-2 воспламенений в секунду, в то время как камера, оптимизированная описанным образом, может обеспечить частоту импульса 10-15 Гц и более.
Симметрично расположенные средства 5 зажигания, выполненные в виде свечей, помещены приблизительно в той зоне камеры сгорания, где начинается ее цилиндрическая секция.
Место размещения средств зажигания оказывает значительное влияние на процесс сгорания. Для достижения максимальной эффективности конфигурация камеры сгорания и размещение свечей зажигания решены в тесной взаимосвязи. Например, если ближний конец камеры имеет параболическую форму, то свечи предпочтительно должны быть помещены в области акустического фокуса параболы. Таким образом фронт давления, распространяющийся от зоны зажигания, сфокусирован в усиливающий рупор наиболее прямым способом, что укорачивает время импульса и увеличивает звуковое давление. Число свечей зажигания может варьироваться, например, от 1 до 8, в типичном случае - 3-4.
Хорошо известно, что в расширяющейся части рупоров давление увеличивает свою амплитуду, в буквальном смысле «усиливается». В то же время в камерах сгорания, имеющих скошенный или сходящий на конус конец, как в настоящем случае, давление в этом конце возрастает. Скорость сгорания является функцией температуры и давления. Когда увеличивается давление, температура также увеличивается и скорость реакции возрастает в прогрессии.
В частном случае реализации изобретения усиливающий рупор 6 лежит целиком на продольной оси камеры сгорания. В другом частном случае реализации изобретения усиливающий рупор 6 изогнут, что позволяет устанавливать устройство в более узких местах.
Другой особенностью настоящего изобретения, способствовавшей улучшению сгорания и повышению его скорости, является простое решение проблемы смешивания, таким образом, что по двум или более патрубкам или соплам 9 газ подается в смесительную камеру, причем все патрубки имеют скошенные головки, в результате чего в области головки возникает высокая турбулентность воздушного потока. Зона 10 смешивания камеры сгорания имеет несколько сопел подачи топливного газа и, по меньшей мере, одно воздушное сопло для подачи кислородосодержащего газа. Как будет показано ниже, предпочтительно, чтобы газоподводящие патрубки или сопла 9 управлялись магнитными клапанами 11.
В частном случае реализации изобретения зона 10 смешивания оснащена средствами смешивания. Средства смешивания могут включать объект или ряд объектов правильной или неправильной формы, укрепленных внутри зоны 10 смешивания и способствующих смешению газов путем придания их движению турбулентности. Средства смешивания, например, могут быть выполнены в виде спирали.
Далее был установлен неожиданный факт, состоящий в том, что если поток воздуха, поступающий в камеру сгорания, является постоянным, то при взрыве этот поток просто сжимается в обратном направлении, а после сгорания обратное давление в сочетании с постоянным давлением поступающего воздуха очищает камеру от газов сгорания и обеспечивает новый свежий воздух для следующего воспламенения.
Кислородосодержащий газ также может быть чистым или почти чистым кислородом. Использование чистого кислорода позволяет дополнительно интенсифицировать процесс горения. Подача кислородосодержащего газа в зону 10 смешивания может контролироваться магнитными клапанами.
В предпочтительном случае реализации изобретения за единицу времени в камере сгорания производится очень большое количество взрывов. Для увеличения частоты взрывов газа и воздуха аппарат нуждается в специальных типах газовых клапанов, также работающих с большой частотой. Как правило, малые клапаны работают с большей частотой, чем большие, и по этой причине используется до шести малых клапанов для обеспечения одновременной подачи газа по нескольким газовым патрубкам. Воздух может подаваться отдельно от газа по единственной воздухоподводящей трубке или соплу 12 (см. фиг.1А). В некоторых предпочтительных вариантах изобретения воздухоподводящая трубка до зоны большого локального сопротивления имеет длину, как минимум вдвое превышающую длину камеры сгорания.
Во время работы с целью достижения, например, частоты взрывов 10 Гц воздушный клапан постоянно открыт, в то время как газовые клапаны открываются и закрываются с частотой 10 раз в секунду, оставаясь открытыми в интервале от 10 до 50 мс. Когда газовые клапаны закрыты, включаются свечи зажигания. В таком режиме работы настоящим устройством можно постоянно производить газовые импульсы на протяжении длительных отрезков времени, как правило, 1-3 секунды. В промежутках между этими рабочими периодами камера сгорания получает возможность остыть. В течение охлаждающей фазы может быть сохранен непрерывный поток воздуха для обеспечения достаточного охлаждения.
В типичном применении система используется для генерирования акустических импульсов с частотой 10-20 Гц. Импульсы могут генерироваться сериями, имеющими длину, например, 0,5-5 секунд и повторяющимися, например, каждые 0,5-3 минуты в зависимости от типа объекта очистки. Один взрыв может иметь длительность от 0,1 до 5 мс, в типичном случае - около 1 мс. В это время искра зажигания может подаваться, например, со скоростью 1-100 искровых разрядов в мс, в типичном случае - 40-50 разрядов в мс.
Из теории акустики известно, что соединение вместе различных тел изменяет акустическое сопротивление и характеристики составного целого. С этой точки зрения важны как размеры камеры сгорания, так и усиливающего рупора. Оптимальную акустическую конфигурацию рассчитать очень трудно, а одними математическими методами почти невозможно.
Средства зажигания предпочтительно должны управляться блоком зажигания. В частном случае реализации изобретения блок зажигания включает катушку зажигания, имеющую множество выходов к средствам зажигания. Катушка зажигания, в принципе, может напоминать катушки зажигания автомобилей, используемые в двигателях внутреннего сгорания. Однако в настоящем изобретении катушка зажигания подает ток на все свечи одновременно для обеспечения наиболее быстрого взрыва газовой смеси. При таком устройстве зажигания время возникновения искрового разряда может быть снижено таким образом, чтобы обеспечить частоту искры, например, в диапазоне 20-60, типично 40-50 полных разрядов в мс, на каждой из свечей зажигания. Далее может быть достигнута частота зажигания, соответствующая типичной рабочей частоте газовых импульсов, например 0,1-30 Гц.
В частном случае реализации изобретения катушка зажигания управляется блоком, состоящим из катушки привода и возбудителя зажигания. Возбудитель зажигания получает пусковые сигналы на воспламенение и направляет сигналы на катушку привода, которая питает катушку зажигания.
Настоящее устройство и частные случаи его реализации, описанные выше, могут использоваться для очистки от сажи и частиц поверхностей промышленного оборудования и для устранения отложений пыли с поверхностей промышленного оборудования. В предлагаемом способе используется устройство, имеющее камеру сгорания с двумя противоположными концами, в первый из которых подается горючая газовая смесь, а из второго выходит газовый импульс, сгенерированный при сгорании газовой смеси. Усиливающий рупор присоединен к выпускному концу камеры сгорания, которая имеет зону воспламенения, зону отражения и зону сжатия, причем данные зоны выполнены описанным выше образом. Устройство или несколько таких устройств могут быть помещены рядом с промышленным оборудованием для направления волн давления в сторону объектов очистки. Такое устройство может быть укреплено, например, на стене промышленной зоны.
Пример
Камера сгорания, показанная на фиг.2, имеет длину 560 мм, диаметр в цилиндрической части 168 мм и минимальный диаметр 66 мм в начале усиливающего рупора. Три свечи зажигания расположены на расстоянии 84 мм от круглого конца (фиг.1 С) симметрично по окружности камеры под углом 120° одна к другой. Рупор имеет полную длину 1340 мм и снабжен двумя разными коническими элементами, первый из которых имеет размер 40 мм - 250 мм, а второй - 250 мм - 350 мм.
Используемым горючим (рабочим) газом был пропан, смешанный с воздухом, и при рабочей частоте 10 Гц была получена мощность звука 170 дБ, для чего было сожжено всего около 370 мг пропана за один взрыв.
Это резко отличается от более ранних экспериментов с другой камерой сгорания, имевшей вытянутую, но в целом цилиндрическую форму по всей длине, где сжигалось 2000 мг пропана за взрыв для получения того же уровня звукового давления, что и в устройстве, предлагаемом настоящим изобретением. В дополнение к очень большой экономии расхода топлива, другим важным преимуществом настоящего изобретения, учитывая его назначение для очистки от отложений пыли, является скорость перехода от положительного к отрицательному давлению. Такой результат оптимально достижим в случае сжигания газовой смеси так быстро, как только возможно. Этот результат достижим при использовании настоящего устройства.
Газ и воздух смешиваются перед поступлением в камеру сгорания в имеющей меньший размер смесительной зоне камеры, в которую газ подается по двум патрубкам в центр потока воздуха (см. фиг.1 В). В частном случае реализации изобретения камера сгорания имела следующую конфигурацию: первая коническая секция длиной 65 мм, затем цилиндрическая секция со свечами зажигания общей длиной 40 мм, затем пологоконическая секция длиной 106 мм, цилиндрическая секция длиной 40 мм, затем, в удаленной части камеры, коническая секция, сужающаяся в обратном направлении (106 мм), цилиндрическая секция (40 мм), коническая секция (65 мм), причем диаметр концов конуса составлял 115-56 мм, так что в целом камера сгорания была симметрично расширена и симметрично сужена.
Для получения хотя бы в одной части сгорающей смеси истинной детонации необходимым является следующее: симметричное зажигание, обеспечивающее первое сжатие, когда волны давления сталкиваются; конфигурация конца камеры, обеспечивающего сфокусированное отражение, достигаемое при круглой, параболической или конической форме дна указанного конца, в который подаются газы. Наконец, предпочтительно наличие воронкообразной секции, установленной перед местом высвобождения давления газовых волн в усиливающий рупор. По меньшей мере, в этой секции устройства, где давление стремительно нарастает по мере того, как газовые волны продвигаются по сужению, начнется детонация. Возможно, сдетонирует не весь газ, но, вероятно, по меньшей мере, сдетонирует несколько десятых частей объема (например, 0,2-0,3) газовоздушной смеси, а остальная часть смеси взорвется и обеспечит необходимое для детонации сжатие.
Длина воздушной трубки или патрубка между клапаном и камерой сгорания должна быть достаточной для продувки после выхода газового импульса и до открытия клапана.
Когда частота взрывов составляет около 10 взрывов в секунду, было установлено, что наилучший резонансный эффект обеспечивается такой конфигурацией, когда к камере сгорания длиной 560 мм присоединен рупор длиной 1340 мм. Такое сочетание дает, по-видимому, наилучший резонанс и наилучшие уровни звукового давления. Фиг.2 показывает структуру камеры сгорания согласно частному случаю реализации изобретения.
Как отмечалось ранее, ряд малых параллельных магнитных клапанов может быть отрегулирован таким образом, чтобы они работали, например, с частотой 0,1-30 Гц, ту же частоту легко установить для зажигания. Поскольку процессом может управлять электроника, возможно производство серий импульсов, где
n
n-1
частота f=f+Δf или +->-.
Это означает, что серии импульсов давления могут программироваться различным образом. Поскольку не всегда известна заранее оптимальная частота импульсов, например для новой электростанции, на которой будет применяться данный очиститель, то устройство согласно настоящему изобретению может программироваться для выполнения различных задач. Весьма вероятно, что при определенной частоте импульсов, даже если основная частотная характеристика рупора не меняется, можно оптимально совершать очистку. Это объясняется тем, что все отложения должны иметь определенную критическую частоту разбивания, при которой очистка является наилучшей.