ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО
BURNER DEVICE

Изобретение относится к области энергетики, в частности горелочным устройствам, и может быть использовано в автомобильной промышленности.
Известна горелка испарительного типа (DE-OS 19529994 A1, 15.05.1996), которая содержит топочную камеру с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру, имеющей пористую обшивку с внутренней стороны корпуса, с торцевой ограничительной стенкой, в которой выполнено центральное отверстие с входящим коаксиально с осью в топочную камеру соплом подачи воздуха. Сопло подачи воздуха имеет радиальные выходы. Подача топлива происходит через штуцер свечи, установленный на наружном кожухе или через кольцевой канал в днище топочной камеры.
Недостатками данной конструкции горелочного устройства является, во-первых, возможность нагарообразования на пористом материале капиллярной структуры, непосредственно контактирующей с зоной горения, что снижает надежность работы горелочного устройства, во-вторых, недостаточно высокий уровень интенсивности горения и мощности.
В качестве прототипа выбрано горелочное устройство (патент РФ № 2181462), содержащее топочную камеру с соплом подачи воздуха с разнесенными по высоте одинаковыми по количеству продольными радиальными отверстиями, испарительную капиллярную структуру, цилиндрическую и торцевую ограничительные стенки.
Недостатками данной конструкции горелочного устройства является низкая предельная мощность.
Известно, что в горелках испарительного типа горючая смесь паров топлива и воздуха формируется в процессе горения. В горелочном устройстве - прототипе воздух поступает из сопла подачи воздуха, а пары жидкого топлива формируются с помощью капиллярной структуры, пропитанной жидким топливом под действием тепла от зоны горения. Интенсивность испарения жидкого топлива определяется величиной теплового потока от зоны горения. В результате испарения у поверхности капиллярной структуры формируется облако пара. В установившемся режиме наступает динамическое равновесие, при котором количество пара, сгорающего в паровоздушной горючей смеси, равно количеству испаряющегося топлива.
Необходимым условием повышения мощности горелочного устройства является согласованное увеличение количества воздуха и количество паров топлива. В известных устройствах сравнительно легко увеличить количество воздуха, поступающего в камеру сгорания, но сложно обеспечить соответствующее увеличение потока пара. Это связано, в частности, с тем, что при увеличении скорости испарения увеличивается плотность облака пара у поверхности капиллярной структуры и соответственно увеличиваются потери тепловой энергии при прохождении сквозь это облако теплового потока излучения из зоны горения.
Для повышения предельной мощности горелочных устройств необходимо обеспечить дополнительный по сравнению с известными устройствами поток тепла к капиллярной структуре, пропитанной жидким топливом. Одним из возможных решений данной проблемы является дополнительный нагрев капиллярной структуры с наружной стороны цилиндрической ограничительной стенки топочной камеры. Техническим результатом данного изобретения является повышение предельной мощности горелочного устройства.
Технический результат достигается тем, что горелочное устройство, содержащее топочную камеру с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру, с торцевой ограничительной стенкой, в которой выполнено центральное отверстие, сопло подачи воздуха, входящее коаксиально по оси в топочную камеру, испарительную капиллярную структуру, размещенную на внутренней стороне цилиндрической ограничительной стенки, стабилизатор пламени, что с наружной стороны цилиндрической ограничительной стенки топочной камеры размещено теплосъемное кольцо из жаростойкого материала, а также теплопередающее кольцо и теплотранспортный цилиндр, изготовленные из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, причем теплосъемное кольцо расположено по высоте на уровне между верхней частью испарительной капиллярной структуры и стабилизатором пламени, а теплопередающее кольцо расположено на уровне нижней части испарительной капиллярной структуры, внутренняя поверхность верхней части теплотранспортного цилиндра прижата к внешней поверхности теплосъемного кольца, а нижняя часть внутренней поверхности теплотранспортного цилиндра прижата к внешней поверхности теплопередающего кольца.
На фиг.1 представлено предлагаемое горелочное устройство, состоящее из топочной камеры с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру (1), с торцевой ограничительной стенкой (2), в которой выполнено центральное отверстие с соплом подачи воздуха (3), входящим коаксиально по оси топочную камеру, стабилизатора пламени (4), на внутренней стороне цилиндрической ограничительной стенки расположена испарительная капиллярная структура (5), теплосъемного кольца (6), теплопередающего кольца (7), теплотранспортного цилиндра (8).
1
2
1
2
3
Устройство работает следующим образом: испарение жидкого топлива в испарительной капиллярной структуре (5) обеспечивается действием двух потоков тепла (фиг.2). Поток Q - тепло, поступающее из зоны горения, поток Q - тепло, поступающее от нагретого до высокой температуры кольцевого участка цилиндрической ограничительной стенки (1). Возможности роста потока Q ограничены экранирующим действием парового облака, образующегося у поверхности испарительной капиллярной структуры (5). Возможности роста потока Q ограничены низким коэффициентом теплопроводности используемых жаростойких сталей и технологическими ограничениями на допустимую толщину ограничительной цилиндрической стенки топочной камеры (1). В предлагаемой конструкции горелочного устройства, кроме двух отмеченных потоков тепла, подводимых к испарительной капиллярной структуре (5), дополнительно формируется третий поток тепла Q. Теплосъемное кольцо (6) нагревается от участка цилиндрической ограничительной стенки (1), расположенного над испарительной капиллярной структурой (5), и соответстующий тепловой поток посредством теплотранспортного цилиндра (8) и теплопередающего кольца (7) передается к испарительной капиллярной структуре (5). В результате обеспечивается дополнительный нагрев жидкого топлива и соответственно интенсивность парообразования, что ведет к повышению предельной мощности горелочного устройства. Необходимость использования теплосъемного кольца (6) из жаростойкого сплава обусловлена тем, что наиболее подходящие для изготовления теплотранспортного цилиндра (8) сравнительно дешевые и технологичные материалы, обладающие высокой теплопроводностью, например алюминий, характеризуются низкой температурой плавления, и при непосредственном контакте с наружной поверхностью цилиндрической ограничительной стенки топочной камеры (1) участки теплотранспортного цилиндра (8) могут расплавиться. Наличие между цилиндрической ограничительной стенкой (1) и теплотранспортным цилиндром (8) теплосъемного кольца (6) приводит к снижению температуры теплотранспортного цилиндра (8). Чем больше толщина теплосъемного кольца (6), тем меньше предельная температура в области соприкосновения теплопередающего кольца (7) с теплотранспортным цилиндром (8). Например, при толщине теплосъемного кольца (6) 1,5 мм эта температура не превышает 500°С при самых высоких мощностях работы топочной камеры. Это служит гарантией, что теплотранспортный цилиндр (8) не расплавится.