ВИХРЕВОЕ ПАРОМАСЛЯНОЕ ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО
VORTEX STEAM-OIL BURNER DEVICE

Изобретение относится к жидкотопливным горелочным устройствам, использующим для горения перегретый водяной пар.
Известно паромасляное горелочное устройство (заявка на патент на изобретение RU 2020126807, 11.08.2020, F23C 99/00, F23G 7/05, F23D 11/20, F23L 7/00), содержащее цилиндрический корпус в виде стакана с соплом, установленным на верхнем торце корпуса, паровую форсунку, вмонтированную в дно корпуса, для подачи перегретого водяного пара вертикально вверх, воздухоподводящие отверстия, выполненные на цилиндрическом корпусе вблизи дна, паропровод и топливоподводящую трубку, конец которой расположен в непосредственной близости от выходного отверстия паровой форсунки. Согласно изобретению, устройство содержит инжекционный воздухозаборник для подачи воздуха к корню истекающего из сопла горящего потока, а также содержит дожигатель, состоящий из цилиндрического корпуса, двух крышек с отверстиями и конического рассекателя потока, расположенного внутри дожигателя и направленного вершиной конуса навстречу потоку.
Недостатком такого устройства является недостаточное время нахождения частиц топлива в зоне горения при сжигании высоковязкого топливного сырья, а также нефти, извлеченной с поверхности воды и из-подо льда после аварийного разлива.
Известно также горелочное устройство (Патент RU 2450207, 28.10.2010, F23C 99/00; F23D 11/20; F23G 7/05; F23L 7/00), содержащее цилиндрический корпус в виде стакана, паровую форсунку для подачи перегретого водяного пара, вмонтированную в дно корпуса, воздухоподводящие отверстия, выполненные на цилиндрической стенке корпуса, топливопровод и камеру газогенерации, которая содержит дополнительные паровые форсунки, закрепленные на держателе форсунок, имеющем форму кольцевой камеры, и установленные внутри корпуса с возможностью подачи перегретого водяного пара в камеру газогенерации, а также содержит камеру распыла жидкого топлива, образованную внутренними поверхностями корпуса и держателя форсунок, а топливопровод вмонтирован в систему камеры распыла с возможностью подачи жидкого топлива сверху на струю пара из паровой форсунки.
Недостатком такого устройства является недостаточное время нахождения частиц топлива в зоне горения при сжигании высоковязкого топливного сырья, а также нефти, извлеченной с поверхности воды и из-подо льда после аварийного разлива.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков является вихревое горелочное устройство (Патент RU 2647172, 29.05.2017 F23L 7/00, F23D 11/20, F23C 99/00), содержащее цилиндрический корпус, пароперегреватель, установленный на корпусе, распылительную паровую форсунку, топливопровод, камеру газогенерации, дополнительные завихрительные форсунки, сопло для выхода продуктов горения. С обеих сторон цилиндрического корпуса установлены крышки, левая и правая, в центр которых вмонтированы патрубки для естественной подачи воздуха в камеру газогенерации, распылительная паровая форсунка установлена под углом к оси цилиндрического корпуса на патрубке левой крышки с возможностью подачи струи перегретого водяного пара в камеру газогенерации, дополнительные завихрительные форсунки, установленные тангенциально на цилиндрическом корпусе вблизи левой крышки, размещены так, что оси форсунок лежат в одной плоскости, сопло для выхода продуктов горения в виде факела установлено тангенциально на цилиндрическом корпусе вблизи правой крышки, на конец топливопровода в месте его соединения с патрубком левой крышки установлена игла, имеющая внутреннюю полость с отверстием на конце, причем острие иглы расположено в непосредственной близости от выходного отверстия паровой распылительной форсунки таким образом, что жидкое топливо подается на струю пара из паровой форсунки в область с максимальной температурой и скоростью потока.
Недостатком такого устройства является недостаточное время нахождения частиц топлива в зоне горения при сжигании высоковязкого топливного сырья, а также нефти, извлеченной с поверхности воды и из-подо льда после аварийного разлива.
В основу изобретения положена задача создания такого устройства, в котором может осуществляться сжигание высоковязкого топливного сырья, а также нефти, извлеченной с поверхности воды и из-подо льда после аварийного разлива, за счет достаточного увеличения времени нахождения частиц топлива в зоне горения.
Поставленная задача решается тем, что вихревое горелочное жидкотопливное устройство содержит цилиндрический корпус с двумя крышками, левой и правой, в которых выполнены отверстия, распылительные паровые форсунки с топливопроводом и иглой, размещенной в непосредственной близости от выходного отверстия паровой форсунки, установленными снаружи корпуса вблизи правой крышки, завихрительные форсунки, установленные на цилиндрический корпус вблизи правой крышки, камеру сгорания, сопло для выхода продуктов сгорания в левой крышке. Согласно изобретению цилиндрический корпус и крышки выполнены из толстостенного огнеупорного материала, а в левой крышке выполнено отверстие большего диаметра, чем в правой, кроме того, устройство содержит водоохлаждаемые держатели завихрительных форсунок.
В заявленном устройстве при его работе действуют физические эффекты, такие как:
- Насосный эффект.
Если в корпусе заявленного устройства раскручивать газовую среду, то эта газовая среда начинает вытекать из большего отверстия. А если из большего вытекает, то в меньшее втекает. Этому втеканию помогает также создаваемое завихрительными потоками разрежение на оси цилиндрического корпуса вблизи правой крышки (этот эффект проверен авторами экспериментально). Такая конструкция с вихревым потоком внутри начинает работать как насос, перекачивая воздух из меньшего отверстия в большее.
- Сепарационный эффект.
Поскольку в раскрученный огненный вихрь подают паромасляный аэрозоль, то газовая среда с более тяжелыми частицами топлива за счет центробежных сил перемещается из центральной зоны (зоны А) в периферийную зону (зона Б), а менее плотная газовая среда с легкими частицами вытесняется (широко используемый в технике эффект).
- Фокусирующий эффект.
Раскаленная внутренняя цилиндрическая поверхность фокусирует инфракрасное излучение в зоне своей оси (зона А). Сюда подают паромасляный аэрозоль. Такой эффект используют в металлургических печах.
- Эффект торнадо.
В заявленном устройстве, после того как паромасляный поток заходит внутрь, он закручивается и проходит по инерции ближе к левой крышке, но не проходит отверстие, а ударяется о внутреннюю поверхность левой крышки. А поскольку паромасляный поток непрерывный, то после удара о внутреннюю поверхность левой крышки начинается движение в обратную сторону, продолжая вращение, доходит до завихрительных форсунок, при этом частицы топлива уже выгорели, и, попав в центральную зону, движется в сторону левой крышки по спиральной траектории за счет насосного эффекта и далее выходит в отверстие левой крышки в виде факела.
Получается так, что кроме спирального движения газа с частицами топлива от правой крышки к левой в центральной зоне (зоне А), существует спиральное движение газа с частицами топлива в обратную сторону в зоне, близкой к внутренней цилиндрической поверхности корпуса (зона Б), и далее в сторону левой крышки в зоне А, что значительно увеличивает время нахождения горючего вещества в зоне горения. А толстостенная конструкция устройства из огнеупорного материала позволяет повысить температуру горения и иметь значительную тепловую инерцию, чтобы сжигать топливное сырье с неравномерной влажностью.
Все вышеперечисленные физические эффекты, использованные в заявленном устройстве, позволяют создать вихревое паромасляное жидкотопливное устройство, способное сжигать высоковязкое топливное сырье, а также нефть, извлеченную с поверхности воды и из-подо льда после аварийного разлива.
Сущность технического решения поясняется рисунками.
Фиг. 1 – продольное сечение устройства, вид сверху.
Фиг. 2 – поперечное сечение устройства, вид А-А.
Фиг. 3 – водоохлаждаемый держатель форсунки.
Фиг. 4 – распылительный блок, состоящий из патрубка, паровой форсунки и топливопровода.
На фигурах обозначены: 1 – цилиндрический корпус; 2 – левая крышка; 3 – правая крышка; 4 – камера сгорания; 5 – сопло; 6 – отверстие для подачи аэрозоля; 7 – распылительные блоки; 8 – завихрительные форсунки; 9 – водоохлаждаемый держатель; 10 – распылительная паровая форсунка; 11 – патрубок; 12 – топливопровод; 13 – игла; 14 – область разряжения; 15 – огнеупорный материал. Зона А – центральная зона. Зона Б – периферийная зона.
Устройство состоит из цилиндрического корпуса 1 с двумя крышками, левой 2 и правой 3, содержит камеру сгорания 4 и сопло 5 для выхода продуктов сгорания. В правой крышке выполнено отверстие 6 для подачи аэрозоля. Отверстие 6 по диаметру меньше отверстия сопла 5. Снаружи корпуса вблизи правой крышки 3 установлены распылительные блоки 7. Завихрительные форсунки 8 установлены на цилиндрический корпус 1 вблизи правой крышки 3. Водоохлаждаемый держатель 9 завихрительных форсунок 8 служит для компенсации тепловых расширений разнородных материалов, таких как сталь и огнеупор.
Каждый распылительный блок 7 включает распылительную форсунку 10, установленную в патрубке 11, который является корпусом, в котором установлена сама форсунка 10, топливопровод 12 с иглой 13 на конце, где острие иглы размещено в непосредственной близости к отверстию паровой форсунки.
Устройство работает следующим образом. Запуск устройства производят на дизельном топливе и на воздухе. Воздух подают как в распылительные, так и в завихрительные форсунки. После прогрева устройства до нужной температуры устройство переходит в штатный режим с помощью автоматики и переключателей. Одно топливо меняется на другое, воздух меняется на воду, а точнее на перегретый водяной пар.
Завихрительные форсунки могут запитываться либо воздухом, либо водяным паром, в зависимости от сжигаемого топлива и условий горения.