СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА
METHOD AND DEVICE FOR LIQUID FUEL BURNING

Предпосылки создания изобретения
Использование распылительных сопел известно в технологии сжигания, как раскрыто в патентах США № 5547368, 5567141, 5393220, 5617997 и 7500849, включенных в данное описание посредством ссылки. Как описано в патенте США № 5547368, распылительные сопла используются в промышленных плавильных печах для таких разных продуктов, как металлы, стекло, керамические материалы и т.п.
Существуют множество способов распыления жидких топлив для сжигания. Сопла могут быть сгруппированы в две главные группы:
а) форсунки под давлением, где относительно высокое давление жидкого топлива используется для пропускания потока через небольшое отверстие, которое распыляет жидкость на капли. Указанные форсунки являются относительно простыми. Однако степень их поворота является небольшой, требуя замены сопел для систем, которые имеют широкие вариации в требованиях к потоку;
d) форсунки с двойной текучей средой, где распыляющий газ используется для содействия распылению жидкости. Распыляющий газ обычно вводят при высоких давлениях, тогда как жидкое топливо может подаваться при низких давлениях. Данная группа сопел может быть дополнительно подразделена на следующие сопла:
1) Сопла с наружным смешением, где распыляющий газ, обладающий высокой скоростью, встречается с жидким топливом, обладающим низкой скоростью, снаружи, что обеспечивает разрушение струи жидкости, т.е. распыление. Указанные сопла являются обычно очень жесткими, однако форма факела пламени и качество распыления являются наиболее часто субоптимальными, особенно в применениях в кислородно-топливных горелках. Факелы являются короткими, компактными, приводя к неравномерной теплопередаче и местному перегреву.
2) Сопла с внутренним смешением или эмульсией, где распыляющий газ и жидкое топливо смешиваются внутри внутренней камеры, и затем двухфазная смесь впрыскивается через выпускное отверстие, заставляя жидкость разрушаться благодаря сбросу давления смешанной внутри газовой фазы. Указанные сопла дают превосходное и регулируемое распыление, превосходную геометрию факела и равномерную теплопередачу.
2
2
Хотя форсунки с внутренним смешением широко используются в воздушно-топливном сжигании, их использование в кислородно-топливных горелках ограничено благодаря вопросам, касающимся охлаждения и возможного обратного проскока пламени. В случае горелок, не охлаждаемых водой, распылительное сопло охлаждается первичным окислителем. В случае воздушно-топливных горелок, в которых первичным окислителем является воздух, охлаждение осуществляется благодаря большому объему воздуха (первичного окислителя), который требуется и обеспечивается для полного сгорания. Однако для кислородно-топливных горелок, которые используют первичный окислитель с более высокой концентрацией О, чем у воздуха, охлаждение распылительного сопла путем сниженного объема первичного окислителя может быть недостаточным. Например, в случае 100%-ного О окислителя, если обеспечивается стехиометрически необходимое количество кислорода для горения, имеется примерно 80%-ный меньший объем первичного окислителя, доступного для охлаждения, чем в воздушно-топливных горелках. Кроме того, кислородно-топливные горелки имеют намного более высокие температуры пламени. По указанным причинам рассчитывают на работу распылительных сопел в кислородно-топливных горелках при намного более высоких температурах, чем в воздушно-топливных горелках.
Высокие температуры сопла с внутренним смешением приводят к нескольким следующим потенциальным проблемам:
1) Повышенные температуры сопла могут вызвать химическую деструкцию жидких топлив перед их введением в печь. В частности, для нефтяных топлив, таких как тяжелые нефти с высоким содержанием серы и нефти с высокими значениями углеродистого остатка, например, как указано высоким коксовым числом Конрадсона, таким как обычно находится в нефтяных топливах с высокими уровнями асфальтенов, высокие температуры сопла могут привести к внутреннему отложению кокса и закупориванию сопла. Внутреннее отложение кокса и закупоривание сопла требует ухода, такого как очистка сопла. Внутреннее отложение кокса и закупоривание сопла являются проблемой, несмотря на используемый распыляющий газ.
2) Кроме того, если в качестве распыляющего газа используется кислород, повышенные температуры сопла и неправильная конструкция сопла могут привести к обратному проскоку пламени и катастрофическому разрушению сопла.
Промышленности требуются горелка, сжигающая жидкое топливо, и форсунка для жидкого топлива, подходящая для использования в кислородно-топливных печах.
Промышленности требуются горелка, сжигающая жидкое топливо, и форсунка для жидкого топлива, которые не требуют частой очистки и/или ухода.
Промышленности требуются горелка, сжигающая жидкое топливо, и форсунка для жидкого топлива, которые являются легкими для очистки.
Краткое описание изобретения
Настоящее изобретение относится к устройству для сжигания жидкого топлива. Устройством для сжигания может быть форсунка для жидкого топлива. Форсунка для жидкого топлива содержит наружную трубу обычно цилиндрической формы, имеющую впускной конец распыляющего газа и выпускной конец распыляющего газа, внутреннюю трубу обычно цилиндрической формы, имеющую впускной конец жидкого топлива и выпускной конец жидкого топлива, причем внутренняя труба расположена в наружной трубе с образованием между ними канала распыляющего газа, проходящего от впускного конца распыляющего газа к выпускному концу распыляющего газа, и распылительный наконечник, имеющий впускной конец и выпускной конец, причем впускной конец распылительного наконечника соединен с выпускным концом распыляющего газа наружной трубы. Распылительный наконечник имеет смесительную камеру для введения жидкого топлива из выпускного конца жидкого топлива внутренней трубы и для введения распыляющего газа из выпускного конца распыляющего газа канала распыляющего газа, и отверстие на выпускном конце распылительного наконечника для введения жидкого топлива и распыляющего газа из смесительной камеры и для выпуска жидкого топлива и распыляющего газа из распылительного наконечника в виде распыленного жидкого топлива. Внутренняя труба имеет множество наружных ребер на выпускном конце жидкого топлива внутренней трубы, по меньшей мере, часть из которых контактирует с внутренней поверхностью впускного конца распылительного наконечника.
Отверстием на выпускном конце распылительного наконечника может быть удлиненное щелевое отверстие.
Множество наружных ребер могут иметь сходящуюся наружную конусность, которая сходится в направлении выпускного конца жидкого топлива. Распылительный наконечник может иметь сходящуюся внутреннюю конусность на впускном конце, которая сходится в направлении выпускного конца, причем внутренняя конусность обычно является дополняющей к наружной конусности множества наружных ребер.
Наружные ребра могут быть продольными ребрами, и отношение длины наружных ребер к наружному диаметру наружной трубы может составлять 0,1-3,0.
Наружные ребра могут быть спиральными ребрами.
Количество наружных ребер может составлять от 3 до 20 или от 6 до 10.
Наружная труба может иметь отношение толщины стенки трубы к наружному диаметру трубы, составляющее 0,1-0,2.
Устройство может иметь отношение гидравлического диаметра канала распыляющего газа к наружному диаметру наружной трубы, составляющее 0,05-0,25.
Устройство может иметь отношение толщины стенки внутренней трубы к наружному диаметру внутренней трубы, составляющее 0,2-0,7, в поперечном сечении внутренней трубы, имеющем множество наружных ребер.
Устройство может характеризоваться следующим соотношением: 0,1≤(N×S)/P≤0,9, где N представляет собой количество наружных ребер, S представляет собой среднюю длину дуги наружных ребер, и Р представляет собой внутренний периметр наружной трубы в поперечном сечении наружной трубы вблизи наружных ребер.
Впускной конец распылительного наконечника может быть соединен с выпускным концом распыляющего газа наружной трубы сварным швом.
Сварной шов может иметь толщину более 25-100% толщины стенки наружной трубы.
Смесительная камера может иметь сходящуюся внутреннюю конусность вблизи отверстия на выпускном конце распылительного наконечника, которая сходится в направлении отверстия.
Устройством для сжигания может быть кислородно-топливная горелка. Горелка содержит секцию трубы первого окислительного газа, образующую канал первого окислительного газа, имеющий впускной конец газа и выпускной конец для выпуска потока первого окислительного газа, и форсунку для жидкого топлива, расположенную на расстоянии от трубы первого окислительного газа, с, по меньшей мере, частью форсунки, расположенной в канале окислительного газа. Форсунка для жидкого топлива содержит наружную трубу обычно цилиндрической формы, имеющую впускной конец распыляющего газа и выпускной конец распыляющего газа, внутреннюю трубу обычно цилиндрической формы, имеющую впускной конец жидкого топлива и выпускной конец жидкого топлива, причем внутренняя труба расположена в наружной трубе с образованием между ними канала, распыляющего газа, между проходящим от впускного конца распыляющего газа до выпускного конца распыляющего газа, и распылительный наконечник, имеющий впускной конец и выпускной конец, причем впускной конец соединен с выпускным концом распыляющего газа наружной трубы. Распылительный наконечник имеет смесительную камеру для введения жидкого топлива из выпускного конца жидкого топлива внутренней трубы и для введения распыляющего газа из выпускного конца распыляющего газа канала распыляющего газа, и отверстие на выпускном конце распылительного наконечника для введения жидкого топлива и распыляющего газа из смесительной камеры и для выпуска жидкого топлива и распыляющего газа из распылительного наконечника в виде распыленного жидкого топлива в поток первого окислительного газа. Внутренняя труба имеет множество наружных ребер на выпускном конце жидкого топлива внутренней трубы, при этом, по меньшей мере, часть наружных ребер контактирует с внутренней поверхностью впускного конца распылительного наконечника.
Отверстием на выпускном конце распылительного наконечника может быть удлиненное щелевое отверстие.
Наружные ребра могут иметь сходящуюся наружную конусность, и распылительный наконечник имеет сходящуюся внутреннюю конусность на впускном конце, которая сходится в направлении выпускного конца. Внутренняя конусность обычно является дополняющей к наружной конусности наружных ребер.
Наружные ребра могут быть продольными ребрами.
Устройство может иметь отношение длины наружных ребер к наружному диаметру наружной трубы, составляющее 0,1-3,0.
Наружные ребра могут быть спиральными ребрами.
Количество наружных ребер может быть от 3 до 20 или от 6 до 10.
Наружная труба может иметь отношение толщины стенки трубы к наружному диаметру трубы, составляющее 0,1-0,2.
Устройство может иметь отношение гидравлического диаметра канала распыляющего газа к наружному диаметру наружной трубы, составляющее 0,05-0,25.
Устройство может иметь отношение толщины стенки внутренней трубы к наружному диаметру внутренней трубы, составляющие 0,2-0,7 в поперечном сечении внутренней трубы, имеющем множество наружных ребер.
Впускной конец распылительного наконечника может быть соединен с выпускным концом распыляющего газа наружной трубы сварным швом.
Сварной шов может иметь толщину 50-100% толщины стенки наружной трубы.
Смесительная камера может иметь сходящуюся внутреннюю конусность вблизи отверстия на выпускном конце распылительного наконечника, которая сходится в направлении отверстия.
Горелка может дополнительно содержать секцию трубы второго окислительного газа, образующую канал второго окислительного газа вблизи канала первого окислительного газа, предназначенный для выпуска потока второго окислительного газа. Канал второго окислительного газа может быть расположен выше или ниже канала первого окислительного газа.
Канал первого окислительного газа может иметь поперечное сечение с шириной и высотой разных размеров, и канал первого окислительного газа может иметь отношение ширины к высоте, составляющее 5-30, при этом канал второго окислительного газа может иметь поперечное сечение с шириной и высотой разных размеров, и канал второго окислительного газа может иметь отношение ширины к высоте, составляющее 5-30.
Горелка может дополнительно содержать впускной коллектор окислителя в сообщении с каналом первого окислительного газа и каналом второго окислительного газа и ступенчатый клапан в сообщении ниже по потоку с впускным коллектором окислителя и в сообщении выше по потоку с каналом первого окислительного газа и каналом второго окислительного газа для регулирования распределения потока между потоками первого окислительного газа и второго окислительного газа к каналам первого окислительного газа и второго окислительного газа, соответственно.
Горелка может дополнительно содержать впускную камеру окислителя в сообщении выше по потоку с каналом первого окислительного газа, причем, по меньшей мере, часть впускной камеры окислителя расположена вокруг, по меньшей мере, части форсунки для жидкого топлива, и диффузор окислителя, расположенный в сообщении выше по потоку от впускной камеры окислителя.
Настоящее изобретение относится также к способу сжигания жидкого топлива, содержащему обеспечение горелки, содержащий секцию трубы первого окислительного газа, образующую канал первого окислительного газа, имеющий впускной конец газа и выпускной конец для выпуска потока первого окислительного газа, и форсунку для жидкого топлива, расположенную в канале окислительного газа. Форсунка для жидкого топлива содержит наружную трубу обычно цилиндрической формы, имеющую впускной конец распыляющего газа и выпускной конец распыляющего газа, внутреннюю трубу обычно цилиндрической формы, имеющую впускной конец жидкого топлива и выпускной конец жидкого топлива, причем внутренняя труба расположена в наружной трубе с образованием между ними канала распыляющего газа, проходящего от впускного конца распыляющего газа до выпускного конца распыляющего газа, и распылительный наконечник, имеющий впускной конец и выпускной конец, причем впускной конец соединен с выпускным концом распыляющего газа наружной трубы. Распылительный наконечник имеет смесительную камеру для введения жидкого топлива из выпускного конца жидкого топлива внутренней трубы и для введения распыляющего газа из выпускного конца распыляющего газа канала распыляющего газа, и отверстие на выпускном конце распылительного наконечника для введения жидкого топлива и распыляющего газа из смесительной камеры и для выпуска жидкого топлива и распыляющего газа из распылительного наконечника в виде распыленного жидкого топлива в поток первого окислительного газа. Внутренняя труба имеет множество наружных ребер на выпускном конце жидкого топлива внутренней трубы, при этом, по меньшей мере, часть наружных ребер контактирует с внутренней поверхностью впускного конца распылительного наконечника. Способ дополнительно содержит пропускание первого окислительного газа через канал первого окислительного газа и выпуск потока первого окислительного газа из выпускного конца канала первого окислительного газа, пропускание жидкого топлива через внутреннюю трубу и в смесительную камеру, пропускание распыляющего газа через канал распыляющего газа в смесительную камеру и образование смеси жидкого топлива и распыляющего газа, пропускание смеси жидкого топлива и распыляющего газа через отверстие и выпуск смеси жидкого топлива и распыляющего газа из смесительной камеры в виде распыленного жидкого топлива в поток первого окислительного газа, и сжигание, по меньшей мере, части распыленного жидкого топлива с, по меньшей мере, частью потока первого окислительного газа с образованием в результате факела пламени.
Используемая в способе горелка может дополнительно содержать секцию трубы второго окислительного газа, образующую канал второго окислительного газа. Канал второго окислительного газа может быть расположен вблизи и выше или ниже канала первого окислительного газа. Канал второго окислительного газа предназначен для выпуска потока второго окислительного газа. Способ может дополнительно содержать пропускание потока второго окислительного газа через канал второго окислительного газа, выпуск потока второго окислительного газа ниже факела и сжигание, по меньшей мере, другой части жидкого топлива с, по меньшей мере, частью потока второго окислительного газа.
При осуществлении способа смесь жидкого топлива и распыляющего газа имеет среднее время пребывания в смесительной камере, составляющее от 70 до 3200 микросекунд, от 160 до 2400 микросекунд или от 250 до 1600 микросекунд.
1
2
1
2
В способе смесь жидкого топлива и распыляющего газа может выпускаться из распылительного наконечника со скоростью v, первый окислительный газ может выпускаться из выпускного конца трубы первого окислительного газа со скоростью v, при этом 1≤v/v≤100.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 представлено поперечное сечение форсунки для жидкого топлива с наружными ребрами на внутренней трубе, которые являются коническими на части наружных ребер.
На фигуре 2 представлено поперечное сечение форсунки для жидкого топлива с наружными ребрами на внутренней трубе, которые являются коническими по всей длине наружных ребер.
На фигуре 3 представлено поперечное сечение форсунки для жидкого топлива с наружными ребрами на внутренней трубе, которые не являются коническими.
На фигуре 4 представлен вид в перспективе горелки, которая содержит форсунку для жидкого топлива.
Подробное описание изобретения
Использование единственного числа элементов не ограничивает значение единственной характеристикой, если такое ограничение не установлено специально. Прилагательное «любой» означает «один, несколько или все» без различия независимо от количества.
Выражение «по меньшей мере, часть» означает «часть или все».
В одном аспекте настоящее изобретение относится к устройству для сжигания жидкого топлива. Устройством может быть форсунка для жидкого топлива, подходящая для использования в горелке.
На фигуре 1 показана форсунка 1 для жидкого топлива, содержащая наружную трубу 10 обычно цилиндрической формы, имеющую впускной конец 12 распыляющего газа и выпускной конец 14 распыляющего газа. Форсунка 1 для жидкого топлива также содержит внутреннюю трубу 20 обычно цилиндрической формы, имеющую впускной конец 22 жидкого топлива и выпускной конец 24 жидкого топлива. Внутренняя труба 20 расположена в наружной трубе 10 с образованием канала 16 распыляющего газа между наружной трубой 10 и внутренней трубой 20. Канал 16 распыляющего газа проходит от впускного конца 12 распыляющего газа к выпускному концу 15 распыляющего газа. Между наружной трубой 10 и внутренней трубой 20 могут быть образованы один или несколько каналов. Кроме того, канал 16 может быть разделен и/или разделен и повторно соединен, когда он идет от впускного конца 12 распыляющего газа и выпускного конца 14 распыляющего газа, но тем не менее обеспечивает непрерывный путь потока от впускного конца 12 распыляющего газа до выпускного конца распыляющего газа.
Отношение толщины стенки трубы к наружному диаметру наружной трубы 10 может составлять от 0,034 до 0,35 или от 0,1 до 0,2, или от 0,14 до 0,18. Выигрыш от отношения толщины стенки трубы к наружному диаметру трубы, равного 0,1-0,2, по сравнению с меньшими отношениями является двойным. Во-первых, это обеспечивает увеличенную площадь поперечного сечения для тепла, отводимого от участка перегрева, расположенного на наружной поверхности форсунки 1 для жидкого топлива, который обычно расположен где-то между выпускным концом 34 распылительного наконечника 30 и тремя наружными трубами 10 высокого диаметра. Во-вторых, это допускает более толстый шов через толщину стенки наружной трубы 10, что обеспечивает увеличенную площадь поперечного сечения для тепла, отводимого от участка перегрева, расположенного на наружной поверхности форсунки для жидкого топлива 1.
Наружная труба 10 может иметь первую продольную ось, внутренняя труба 20 может иметь вторую продольную ось, при этом первая продольная ось и вторая продольная ось являются по существу коаксиальными. Термин «по существу коаксиальные» означает, что оси являются совпадающими, параллельными и находятся в 5% отклонения от совпадения с внутренним диаметром внутренней трубы, или слегка скошенными, где оси являются параллельными с отклонением в 2° и находятся в 5% отклонения от совпадения с внутренним диаметром внутренней трубы на выпускном конце распыляющего газа 14 и выпускном конце жидкого топлива 24.
Внутренняя труба 20 имеет эффективный внутренний диаметр, измеренный внутри трубы 20 вблизи или на выпускном конце трубы 20, который является соседним с соединительной камерой 36. В случае круглого поперечного сечения трубы эффективный диаметр является таким же, как диаметр. В случае слегка овальных или некруглых труб эффективный диаметр может быть рассчитан, причем эффективный диаметр дает такую же площадь поперечного сечения, как площадь поперечного сечения некруглой трубы. Эффективный внутренний диаметр внутренней трубы 20 может составлять от 1,27 мм до 12,7 мм.
Форсунка 1 для жидкого топлива также содержит распылительный наконечник 30, имеющий впускной конец 32 и выпускной конец 34. Впускной конец 32 распылительного наконечника 30 соединен с выпускным концом 14 распыляющего газа наружной трубы 10 соединением 18. Соединением 18 может быть сварной шов, соединение прессовой посадкой, резьбовое соединение или другое подходяще соединение, известное в технике. Соединением 18 является, предпочтительно, сварной шов. Сварной шов может обеспечить лучшую теплопроводность для охлаждения распылительного наконечника. Сварной шов может иметь толщину более 50-100% толщины стенки наружной трубы 10. Может быть желательно сделать сварной шов как можно практически толстым. Большие сварные швы требуют, чтобы толщина одного из наружной трубы и распылительного наконечника на участке наложения была тонкой и поэтому более склонной к деформированию в процессе сварки, что нежелательно.
Внутренняя труба может быть разъемно соединена с наружной трубой на впускном конце резьбовым или другим подходящим соединением (не показано), что позволяет удалять внутреннюю трубу из форсунки для жидкого топлива для очистки.
Распылительный наконечник 30 имеет смесительную камеру 36, расположенную для получения жидкого топлива из выпускного конца 24 жидкого топлива внутренней трубы 20 и расположенную для получения распыляющего газа из канала распыляющего газа 16. Смесительная камера 36 является промежуточной для впускного конца 32 и выпускного конца 34. Распылительный наконечник 30 также имеет отверстие 38 на его выпускном конце 34. Отверстие 38 предназначено для введения жидкого топлива и распыляющего газа из смесительной камеры 36 и для выпуска жидкого топлива и распыляющего газа из распылительного наконечника 30 в виде распыленного жидкого топлива.
Смесительная камера 36 имеет эффективный диаметр и длину. Длина смесительной камеры измеряется от выпускного конца внутренней трубы 20 до стороны отверстия 38 смесительной камеры. Хотя смесительная камера 36 показана как цилиндрическая, она не ограничивается цилиндрической формой и/или круглым поперечным сечением. В том случае, когда поперечное сечение смесительной камеры является круглым, эффективный диаметр является таким же, как диаметр. В том случае, когда поперечное сечение смесительной камеры является некруглым, эффективный диаметр может быть рассчитан, причем эффективный диаметр дает равную площадь поперечного сечения. Смесительная камера 36 имеет длину, которая в 2 или меньше чем в 2 раза больше эффективного внутреннего диаметра внутренней трубы 20. Длина смесительной камеры может быть в 0,5-2 раза больше, чем эффективный внутренний диаметр внутренней трубы 20 для достаточного смешения распыляющего газа и жидкого топлива перед выпуском через отверстие, образующее факел 38. Альтернативно, длина смесительной камеры может быть в 1-2 раза больше или примерно в 1,7 раза больше, чем эффективный внутренний диаметр внутренней трубы 20. Для расчетных скоростей сжигания жидкое топливо и распыляющий газ должны оставаться в смесительной камере в течение среднего времени пребывания от 70 до 3200 мкс, от 160 до 2400 мкс или от 250 до 1600 мкс. Когда жидкое топливо и распыляющий газ обеспечивают благоприятную возможность смешения в эмульсионной камере, нарастание кокса снижается, и снижается уход с очисткой сопла.
Как показано на фигуре 1, смесительная камера может иметь сходящуюся внутреннюю конусность 37, которая сходится в направлении отверстия 38. Сходящаяся внутренняя конусность обеспечивает преимущество легкой очистки. Очищающий инструмент, формованный подобно концу режущего лезвия сверла, с формой, комплементарной сходящейся внутренней конусности, может использоваться для очистки распылительного наконечника. Альтернативно, смесительная камера может иметь коническую часть, расположенную к отверстию, которое является шарообразным или эллипсообразным или подобным и может идти больше или меньше длины смесительной камеры, чем как показано. Хотя эмульсионная камера показана с постоянным поперечным сечением большей части смесительной камеры на фигуре 1, смесительная камера не ограничивается постоянным поперечным сечением. В альтернативных вариантах смесительная камера может быть формована со снижением поперечного сечения по большей части или всей ее длине от впуска топлива до отверстия, поэтому с обеспечением конической смесительной камеры.
Внутренняя труба 20 имеет множество наружных ребер 26 на выпускном конце 24 жидкого топлива внутренней трубы, где, по меньшей мере, часть из множества наружных ребер 26 контактирует с внутренней поверхностью 35 впускного конца 32 распылительного наконечника 30. Каждое из множества наружных ребер 26 может контактировать с внутренней поверхностью 35 впускного конца 32 распылительного наконечника 30. Наружные ребра являются выступами наружу, которые определяют канавки на наружной поверхности внутренней трубы 20. Наружные ребра 26, контактирующие с внутренней поверхностью распылительного наконечника, имеют преимущество обеспечения дополнительного пути теплоотвода от распылительного наконечника и установления предварительно описанного зазора между выпускным концом жидкого топлива 22 внутренней трубы 20 и впускным концом 32 распылительного наконечника 30 для канала 16 распыляющего газа. Зазор устанавливается наружными ребрами и не регулируется за исключением модифицирования наружных ребер.
Количество наружных ребер 26 может составлять от 3 до 20 или от 6 до 10. Наружные ребра 26 могут быть удлиненными ребрами, прямыми и имеющими оси, которые являются параллельными продольной оси внутренней трубы 20. Альтернативно, наружные ребра 26 могут быть спиральными или винтовыми, когда они могут опускаться по длине внутренней трубы. Наружные ребра также могут быть прямыми на части трубы и спиральными или винтовыми вблизи выпускного конца 24 внутренней трубы 20.
Как показано на фигуре 1, наружные ребра 26 могут иметь сходящуюся внутреннюю конусность, которая сходится в направлении выпускного конца 24 жидкого топлива. Кроме того, как показано на фигуре 1, распылительный наконечник 30 может иметь сходящуюся внутреннюю конусность на впускном конце 32, которая сходится в направлении выпускного конца 34. Внутренняя конусность распылительного наконечника 30 обычно может быть комплементарной к наружной конусности множества наружных ребер 26. Сходящаяся наружная конусность может быть на части длины множества наружных ребер 26. Альтернативно, как показано для форсунки для жидкого топлива 2 на фигуре 2, сходящаяся наружная конусность может быть по всей длине множества наружных ребер 26.
Как показано для форсунки 3 для жидкого топлива на фигуре 3, множество наружных ребер 26 могут быть выполнены без сходящейся наружной конусности. Распылительный наконечник 30 тоже может быть без сходящейся внутренней конусности на впускном конце 32.
Форсунка для жидкого топлива может использоваться для распыления любого жидкого топлива, используемого в промышленных печных применениях, например, дистиллятный нефтепродукт №1, дистиллятное нефтяное топливо №2, дизельное топливо, биодизельное топливо и его побочные продукты (такие как глицерин), керосин, нефтяное топливо №4, остаточный нефтепродукт №5, остаточное нефтяное топливо №6, нефтяное топливо типа бункер-С и другие, известные специалисту в данной области техники. Распыляющим газом может быть любой известный распыляющий газ, используемый в промышленных печных применениях, например, воздух, природный газ, кислород промышленного сорта, кислородом обогащенный воздух, пропан, азот, углекислый газ, водород или смесь двух или более указанных газов.
H
H
Для некоторых печных применений, таких как стеклоплавильные печи, предпочтительными могут быть в целом плоские факелы. Для образования в целом плоского факела отверстием 38 может быть удлиненное щелевое отверстие, которое действует с образованием выровненной формы распыла. Щелевое отверстие представляет собой щель, имеющую размер в ширину и размер в высоту, где размер в ширину является больше, чем размер в высоту. Ширина может быть в интервале от 3 мм до 25,4 мм, а высота может быть в интервале от 0,75 до 7,62 мм. Поперечное сечение щели может быть прямоугольной, овальной или другой подходящей некруглой формы. Удлиненное щелевое отверстие также имеет размер в длину, где размер в длину составляет, по меньшей мере, 2 гидравлических диаметра. Размер в длину может быть в 2-10 раз больше гидравлического диаметра. Поперечное сечение щели может меняться по длине, например, размер в ширину может увеличиваться в направлении потока, поэтому имея угол расхождения. Размер в длину более 2 гидравлических диаметра позволяет образовать форму распыла с формой отверстия и углом расхождения. Гидравлический диаметр D определяется обычным путем по выражению D=(4×(площадь поперечного сечения))/(смачиваемый периметр). В том случае, когда гидравлический диаметр меняется по длине удлиненной щели, требуемый размер диаметра берется на впускной плоскости отверстия.
Наружная труба 10, внутренняя труба 20 и распылительный наконечник 30 могут быть выполнены из любого подходящего материала, например, нержавеющей стали, и могут быть сконструированы с использованием методов, известных в технике. Множество наружных ребер 26 могут быть обработаны механически на поверхности внутренней трубы 20 с вырезанием канавок на наружной поверхности.
Устройством для сжигания жидкого топлива может быть горелка с форсункой для жидкого топлива, как описано выше. Горелка может быть приспособлена для работы с расходом топлива, составляющим 0,10-12 МВт или 0,25-6 МВт.
Показанная на фигуре 4 горелка 60 содержит секцию 40 трубы первого окислительного газа, образующую канал 54 первого окислительного газа, имеющую впускной конец 44 и выпускной конец 46 для выпуска потока первого окислительного газа, и форсунку 5 для жидкого топлива, расположенную с интервалом от секции 10 трубы первого окислительного газа, при этом, по меньшей мере, часть форсунки 5 для жидкого топлива расположена в канале 54 первого окислительного газа.
Форсунка 5 для жидкого топлива является такой, как описано выше, и может содержать любую из характеристик форсунки для жидкого топлива, описанных здесь.
Первым окислительным газом может быть любой окислительный газ, подходящий для сжигания, например, воздух, обогащенный кислородом воздух и кислород промышленного сорта.
Канал 54 первого окислительного газа может иметь форму поперечного сечения с шириной и высотой разных размеров. Канал 54 первого окислительного газа может иметь отношение ширины к высоте 5-30. Канал 54 первого окислительного газа может иметь поперечное сечение некруглой формы, и каждое поперечное сечение может характеризоваться центральной точкой, или центроидом, где центроид имеет обычное геометрическое определение. Канал 54 может дополнительно характеризоваться продольной осью, определенной как прямая линия, ортогональная к поперечным сечениям канала и соединяющая центроиды поперечных сечений канала.
Горелка 60 может дополнительно содержать секцию 70 трубы второго окислительного газа, определяющую канал 56 второго окислительного газа для выпуска потока второго окислительного газа для так называемого кислородного стадирования. Канал 56 второго окислительного газа является соседним с каналом 54 первого окислительного газа и может быть расположен ниже канала 54 первого окислительного газа. Канал 56 второго окислительного газа может иметь форму поперечного сечения с шириной и высотой разных размеров. Канал 56 второго окислительного газа может иметь отношение ширины к высоте 5-30. Канал 56 второго окислительного газа может иметь поперечное сечение некруглой формы, и каждое поперечное сечение может характеризоваться центральной точкой, или центроидом, где центроид имеет обычное геометрическое определение. Канал второго окислительного газа 56 может дополнительно характеризоваться продольной осью, определенной как прямая линия, ортогональная к поперечным сечениям канала и соединяющая центроиды поперечных сечений канала. Продольная ось канала 54 первого окислительного газа и продольная ось канала 56 второго окислительного газа могут быть по существу параллельными.
Вторым окислительным газом может быть любой окислительный газ, подходящий для сжигания, например воздух, обогащенный кислородом воздух и кислород промышленного сорта. Первый окислительный газ и второй окислительный газ могут быть одинакового состава, происходящие из одного и того же источника.
Секция 40 трубы первого окислительного газа и секция 70 трубы второго окислительного газа могут быть сконструированы из отдельных и различных труб или могут быть сконструированы из единого блока материала, например, блока горелки, как показано на фигуре 4. На фигуре 4 показаны канал 54 первого окислительного газа и канал 56 второго окислительного газа, формованные в общем блоке 50 горелки. Как показано на фигуре 4, блок 50 горелки может содержать секцию 40 трубы первого окислительного газа и секцию 70 трубы второго окислительного газа.
Горелка может быть сконструирована для транспортирования одного и того же окислительного газа к каналу 54 первого окислительного газа и к каналу 56 второго окислительного газа, так что поток второго окислительного газа имеет такую же концентрацию кислорода, как поток первого окислительного газа. Альтернативно, горелка может быть сконструирована для транспортирования иного окислительного газа к каналу 56 второго окислительного газа, чем к каналу первого окислительного газа 54, так что поток второго окислительного газа имеет иную концентрацию кислорода, чем поток первого окислительного газа.
Как показано на фигуре 4, горелка 60 может дополнительно содержать впускной коллектор 57 окислителя. Окислительный газ идет через впускной коллектор 57 окислителя и, в конечном счете, в канал 54 первого окислительного газа и канал 56 второго окислительного газа. Впускной коллектор 57 окислителя находится в жидкостном проточном сообщении выше по потоку с каналом 54 первого окислительного газа и каналом второго окислительного газа 56. Ступенчатый клапан 64 может использоваться для разделения и регулирования потока окислительного газа в канал 56 второго окислительного газа. Ступенчатый клапан 64 находится в сообщении ниже по потоку с впускным коллектором 57 окислителя и в сообщении выше по потоку с каналом 54 первого окислительного газа и каналом 56 второго окислительного газа.
Горелка 60 может дополнительно содержать впускную камеру 82 окислителя в жидкостном проточном сообщении выше по потоку с каналом 54 первого окислительного газа. Впускная камера окислителя может находиться вокруг, по меньшей мере, части форсунки для жидкого топлива, и, по меньшей мере, часть канала 54 первого окислительного газа может находиться вокруг распылительного наконечника. Горелка 60 может дополнительно содержать диффузор 80, расположенный выше по потоку от камеры 82 окислителя. Целью указанного диффузора является способствовать распределению потока окислителя, поступающего во впускную камеру окислителя.
Выпускной конец распылительного наконечника 30 может быть смонтирован на одном конце с горячей стороной 52 блока 50 горелки или углублен внутрь канала 54 первого окислительного газа. Углубление распылительного наконечника 30 в блок 50 горелки будет способствовать поддержанию рабочей температуры хладагента смесительной камеры. Однако степень, с которой может быть углублен распылительный наконечник 30, будет зависеть от рабочих условий горелки 60, как описано ниже.
В другом аспекте настоящее изобретение относится к способу сжигания жидкого топлива с использованием горелки, как описано здесь. В способе горелка может работать при расходе топлива 0,10-12 МВт или 0,25-6 МВт.
Способ сжигания жидкого топлива содержит обеспечение горелки, как описано здесь, форсункой для жидкого топлива, как описано здесь. Горелка и форсунка для жидкого топлива могут содержать любую из соответствующих характеристик горелки или форсунки для жидкого топлива, описанных здесь.
Способ сжигания топлива содержит пропускание первого окислительного газа через секцию 40 трубы первого окислительного газа и выпуск потока первого окислительного газа из выпускного конца 46 первого окислительного газа, пропускание жидкого топлива через внутреннюю трубу 20 и в смесительную камеру 36 и пропускание распыляющего газа через канал 16 распыляющего газа и в смесительную камеру 36 с образованием в результате смеси жидкого топлива и распыляющего газа, смеси жидкого топлива и распыляющего газа через отверстие 38 и выпуск смеси жидкого топлива и распыляющего газа из смесительной камеры 36 в виде распыленного жидкого топлива в поток первого окислительного газа, сжигание, по меньшей мере, части жидкого топлива с, по меньшей мере, частью потока первого окислительного газа с образованием в результате факела пламени.
Способ может также включать в себя стадию окисления. Второй окислительный газ может быть пропущен через канал 56 второго окислительного газа с выпуском в результате потока второго окислительного газа ниже факела и сжиганием, по меньшей мере, части жидкого топлива с, по меньшей мере, частью потока второго окислительного газа.
В способе смесь жидкого топлива и распыляющего газа имеет среднее время пребывания в смесительной камере, составляющее от 70 до 3200 мкс, от 160 до 2400 мкс или от 250 до 1600 мкс.
3
Среднее время пребывания рассчитывается делением общего объема смесительной камеры (по длине эмульсионной камеры, определенной ранее) на объемную скорость потока эмульсионной смеси. Объемная скорость потока эмульсионной смеси рассчитывается суммированием объемных скоростей потока как жидкого топлива, так и распыляющего газа. Поскольку распыляющий газ является сжатым, фактическую объемную скорость потока газа получают корректировкой давления. Например, если скорость потока жидкого топлива составляет 70 л/ч, скорость потока распыляющего газа составляет 11 нормальных кубических метров в час (нм/ч), давление в эмульсионной камере составляет 2,4 бар (240 кПа), а температура в смесительной камере составляет 373 К, объемная скорость эмульсионной смеси составляет
3
Для сопла, имеющего объем эмульсионной камеры 790 мм, среднее время пребывания составляет
3
3
3
9
3
790 мм×1/(0,0018 м/с)хм/1×10мм=443 мкс.
1
2
В способе смесь жидкого топлива и распыляющего газа может выпускаться из распылительного наконечника со скоростью v, а первый окислительный газ может выпускаться из выпускного конца трубы первого окислительного газа со скоростью v, где
1
2
Работа в указанном интервале обеспечивает преимущество поддержания правильной формы факела. При сжигании жидкого топлива форма факела определяется, главным образом, областью испускания из распылительного наконечника, где содержатся капли топлива. Для того чтобы имело место сжигание, капли топлива сначала испаряются, и это является испарением капель (перед сжиганием), которое является стадией, ограничивающей скорость в процессе сжигания, который протекает как диффузионный факел вокруг испаряющейся капли (Lefebre, “Atomization and Sprays”, p. 309, Hemisphere Publishing, 1989). При поддержании скорости смеси жидкого топлива и распыляющего газа v выше скорости первого окислительного газа v смесь жидкого топлива и распыляющего газа будет иметь тенденцию к выводу первого окислительного газа в область, содержащую капли жидкого топлива без значительного ухудшения формы области, содержащей капли жидкого топлива. Таким образом, форма факела незначительно ухудшается потоком окислительного газа, но вместо этого определяется больше конструкцией форсунки для жидкого топлива. Другими словами, контур факела является явной функцией формы распыла форсунки.
1
2
1
2
1
2
1
2
При увеличении отношения v/vвыше 100 скорость распыляющего газа v является очень большой, или скорость первого окислительного газа v является очень малой, или и то, и другое. Когда скорость смеси жидкого топлива и распыляющего газа v является очень большой, имеет недостатком требование высоких давлений подачи распыляющего газа и жидкого топлива. Когда скорость первого окислительного газа v является очень малой, это имеет эффект снижения степени, в которой первый окислительный газ обеспечивает благоприятное охлаждение распылительного наконечника, и может дать в результате неравномерное распределение первого окислительного газа вокруг распылительного наконечника 30 и наружной трубы 10. По указанной причине отношение v/vвыше 100 является нежелательным.
2
1
Если скорость первого окислительного газа vявляется выше скорости смеси жидкого топлива и распыляющего газа v, тогда область, содержащая капли жидкого топлива, и поэтому факел начинает изменять форму, а в некоторых случаях колебаться. Это увеличивает вероятность того, что область капель жидкого топлива, а поэтому факел натолкнется на боковую поверхность канала первого окислительного газа 54 блока горелки 50, создавая в результате опасность для блока горелки 50. Кроме того, это будет значительно ограничивать степень, с которой фурма может быть вырезана внутри блока горелки.
1
3
2
Скорость смеси v рассчитывают сложением объемных скоростей потока как жидкого топлива, так и распыляющего газа и делением результата на площадь поперечного сечения отверстия. Как описано выше, поскольку распыляющий газ является сжатым, фактическая объемная скорость потока газа получается при корректировке давления. Например, если скорость потока жидкого топлива составляет 70 л/ч, скорость потока распыляющего газа составляет 11 нм/ч, давление в смесительной камере составляет 2,4 бар (240 кПа), а температура в смесительной камере составляет 373 К, и площадь поперечного сечения отверстия составляет 30 мм, скорость смеси составляет
Если площадь отверстия изменяется по всей ее длине, для расчета скорости смеси используют наименьшую площадь.
ПРИМЕРЫ
Моделирование расчетного изменения свойств жидкости осуществляют для определения влияния изменения нескольких факторов в геометрических параметрах форсунки для жидкого топлива. В каждом из последующих примеров моделирования распыляющее сопло расположено в центре канала первого окислительного газа, как показано на фигуре 4. Геометрические параметры горелки обобщены в таблице 1. Глубина блока является достаточной длины для обеспечения полностью развитого течения в каналах как первого окислительного газа, так и второго окислительного газа.
Таблица 1
Параметр
Значение
Единица
Ширина канала первого окислительного газа
288
мм
Высота канала первого окислительного газа
53
мм
Наружный диаметр наружной трубы
26
мм
Площадь отверстия на выпускном конце распылительного наконечника
18,7
мм<sup>2</sup>
Пример 1
Влияние рабочих условий
3
3
В примере 1 влияние изменения рабочих условий на максимальную температуру смесительной камеры определяют с использованием сопел случаев 1 и 2, как описано в таблице 3. Выбирают два рабочих условия. В первом рабочем условии поток топлива в горелке составляет 106 л/ч, а поток распыляющего газа составляет 3,94 нм/ч. Пропорция окислителя в канале первого окислительного газа составляет 30% с балансом окислителя, необходимого для стехиометрического горения, идущего через канал второго окислительного газа. Во втором рабочем условии поток топлива в горелке составляет 265 л/ч, а поток распыляющего газа составляет 3,94 нм/ч. Пропорция окислителя в канале первого окислительного газа составляет 50% с балансом окислителя, необходимого для стехиометрического горения, идущего через канал второго окислительного газа. Температура печи в обоих случаях составляет 1649°C.
Для случая 1 в указанных двух рабочих условиях максимальная вычисленная температура внутри смесительной камеры составляет 532°C для низкой скорости потока топлива и низкой скорости потока окислителя в канале первого окислительного газа. Максимальная вычисленная температура внутри смесительной камеры составляет 377°C для высокой скорости потока топлива и высокой пропорции скорости потока окислителя в канале первого окислительного газа.
Для случая 2 в указанных двух рабочих условиях максимальная вычисленная температура внутри смесительной камеры составляет 433°C для низкой скорости потока топлива и низкой скорости потока окислителя в канале первого окислительного газа. Максимальная вычисленная температура внутри смесительной камеры составляет 306°C для высокой скорости потока топлива и высокой пропорции скорости потока окислителя в канале первого окислительного газа.
Снижение максимальной температуры смесительной камеры снижает склонность асфальтенов в нефтяном топливе (особенно тяжелом нефтяном топливе) к образованию кокса, что, в свою очередь, снижает частоту требуемой очистки узла сопла. И хотя заманчиво сказать, что это является только предметом изменения рабочих условий горелки (т.е. при увеличении пропорции окислителя в канале первого окислительного газа) и форсунки (т.е. при увеличении потока топлива и распыляющего газа), чтобы гарантировать, что температура смесительной камеры достаточно снизится до приемлемого уровня, это является обычно работой печи, которая определяет скорость потока топлива, и при увеличении скорости потока окислителя в горелку, и нет другого пути кругом. Кроме того, наиболее оптимальная работа, в частности, для плавления стекла является обычно с максимальной степенью возможного окислительного стадирования (т.е. с большей пропорцией окислителя, направляемого в канал второго окислительного газа) с преимуществами увеличенного направленного излучения (больше тепла от факела направлено вниз к стеклу, меньше тепла направлено от факела к верхней части печи), качества стекла и сниженных выделений NOx, как описано, например, в патенте США 7390189. Наконец, предпочтительно, иметь форсунку в горелке, которая имеет способность перекрывать широкий интервал рабочих условий. Это дает наибольшую гибкость работе печи без замены оборудования, чтобы отвечать требуемым рабочим условиям горелки, таким как скорость горения или скорость потока топлива, и пропорции потока окислителя через канал первого окислительного газа.
По указанным причинам желательно снизить температуру смесительной камеры в наиболее возможной степени для данных рабочих условий. Поэтому рабочие условия являются произвольно фиксированными, как обобщено в таблице 2, так что последующие примеры могут проиллюстрировать, как различные конфигурации данного изобретения снижают максимальную температуру смесительной камеры.
Таблица 2
Поток жидкого топлива
265 л/ч
Поток распыляющего газа
3,94 нм<sup>3</sup>/ч
Пропорция окислителя в канале первого окислительного газа
50%
Температура печи
1649°С
Чистота кислорода
100%
Температура на впуске жидкого топлива
117°С
Температура на впуске распыляющего газа
27°С
Было исследовано влияние следующих характеристик, как обобщено в таблице 3, на максимальную температуру смесительной камеры:
1. Контакт множества наружных ребер с внутренней поверхностью впускного конца распылительного наконечника.
2. Толщина сварного шва как пропорция толщины стенки наружной трубы.
3. Отношение толщины стенки трубы к наружному диаметру наружной трубы.
4. Геометрические размеры канала распыляющего газа (гидравлический диаметр).
Таблица 3
Случай
1
2
3
4
5
Площадь контакта/площадь поперечного сечения стенки наружной трубы
0
1,09
1,09
1,02
1,5
Толщина сварного шва (% толщины стенки)
25
25
100
100
100
Отношение толщины стенки наружной трубы к наружному диаметру наружной трубы
0,147
0,147
0,147
0,147
0,108
Отношение толщины стенки внутренней трубы к наружному диаметру внутренней трубы в районе наружных ребер
0,605
0,509
0,509
0,522
0,416
Отношение длины наружных ребер к наружному диаметру наружной трубы
0
2,23
2,23
0,49
2,23
Отношение (число ребер N x средняя длина дуги ребер S) к внутреннему периметру Р наружной трубы в районе наружных ребер к площади внутренней поверхности наружной трубы
0
0,524
0,524
0,379
0,572
Соотношение (гидравлический диаметр канала распыляющего газа)/(наружный диаметр наружной трубы) на выпускном конце распыляющего газа
0,116
0,064
0,064
0,056
0,061
Соотношение (гидравлический диаметр канала распыляющего газа)/(наружный диаметр наружной трубы) на впускном конце распыляющего газа
0,117
0,238
0,238
0,109
0,210
Геометрия канала распыляющего газа на впускном конце распылительного наконечника
8 отверс-тия
8 квад-рат-ные ка-навки
8 квад-ратные ка-навки
8 квад-рат-ные ка-навки
8 квад-рат-ные ка-навки
Максимальная температура смесительной камеры (°C)
377
306
313
288
306
Максимальная температура наружной трубы (°C)
383
511
479
372
487
Пример 2
Влияние контакта множества наружных ребер с внутренней поверхностью впускного конца распылительного наконечника
В данном сравнении между случаем 1 и случаем 2 из таблицы 3 максимальная вычисленная температура внутри смесительной камеры составляет 377°C, когда отсутствует контакт между впускным концом распылительного наконечника, тогда как температура составляет 306°C, когда имеется контакт с впускным концом распылительного наконечника.
Пиролиз асфальтенов (существенный компонент остаточных нефтяных топлив), который среди прочего дает кокс, имеет место между 350°C и 800°C (Speight James G., Handbook of Petroleum Analysis, p. 216. John Wiley & Sons, 2001), и для того чтобы избежать возможности коксообразования, необходимо поддерживать температуру смесительной камеры (самая горячая часть распылительного узла, которая находится в контакте с топливом) ниже 350°C. Поэтому можно видеть, что контакт множества наружных ребер с внутренней поверхностью впускного конца распылительного наконечника снижает максимальную температуру смесительной камеры ниже 350°C - температура, при которой асфальтены начинают образовывать кокс. Хотя соблазнительно сказать, что указанная проблема теперь решена, и дальнейшее улучшение не является необходимым, важно отметить, что при снижении максимальной температуры смесительной камеры далее результатом будет более широкое окно рабочих условий, в которых склонность к коксообразованию исключается или значительно снижается.
Пример 3
Влияние толщины сварного шва как пропорции толщины стенки наружной трубы
Проводят другое исследование для изучения других возможностей дополнительного снижения температуры камеры. В данном сравнении между случаем 2 и случаем 3 из таблицы 3 максимальная вычисленная температура внутри смесительной камеры составляет 306°C, когда толщина сварного шва составляет 20% от толщины стенки наружной трубы, тогда как температура составляет 313°C, когда толщина сварного шва составляет 100% от толщины стенки наружной трубы. Указанное небольшое увеличение температуры является неожиданным результатом, и дополнительный анализ подтверждает, что причина этого обусловлена сложным взаимодействием многих видов теплопередачи в системе.
Кроме распылительного наконечника наружная труба также получает значительную часть тепла путем теплопередачи излучением от печи к ее наружной поверхности. Вообще тепло отводится от наружной трубы по нескольким механизмам: конвекция тепла через поток окислителя через канал первого окислительного газа, который окружает наружную трубу; теплопередача по длине наружной трубы, а также радиальная теплопередача через стенку трубы; конвекция тепла через поток распыляющего газа, который находится в жидкостном сообщении с внутренней поверхностью наружной трубы. Конвекция всегда способствует охлаждению температуры камеры, но теплопередача по длине наружной трубы будет действовать также в зависимости от направления, в котором передается тепло. В данном примере распылительный наконечник эффективно охлаждается жидким топливом и распыляющим газом на внутренней поверхности эмульсионной камеры, и самый горячий участок имеет место на наружной поверхности наружной трубы вместо распылительного наконечника. Контакт между множеством наружных ребер и внутренней поверхностью впускного конца распылительного наконечника дополнительно снижает температуру распылительного наконечника.
Хотя тепло будет отводиться от самой горячей части наружной трубы в обоих направлениях (к распылительному наконечнику и от распылительного наконечника обратно к горелке, которая расположена снаружи печи позади огнеупорного блока), величина теплопередачи к распылительному наконечнику является больше теплопередачи от распылительного наконечника, поскольку температурный градиент является больше как результат охлаждающего воздействия жидкого топлива на распылительный наконечник и относительно короткого расстояния между распылительным наконечником и горячим участком наружной трубы.
Причина того, что максимальная температура смесительной камеры увеличивается, когда увеличивается толщина сварного шва, заключается в том, что толстые сварные швы позволяют большему количеству тепла передаваться в осевом направлении вдоль стенки наружной трубы от горячего участка стенки трубы к распылительному наконечнику и в смесительную камеру.
Важно отметить, что, несмотря на небольшое увеличение максимальной температуры в смесительной камере, максимальная температура наружной трубы снижается от 511°C до 479°C.
Пример 4
Влияние отношения толщины стенки трубы к наружному диаметру наружной трубы
В данном сравнении между случаем 3 и случаем 5 из таблицы 3 максимальная вычисленная температура внутри смесительной камеры составляет 313°C, когда отношение толщины стенки наружной трубы к наружному диаметру наружной трубы составляет 0,147, тогда как температура составляет 306°C, когда отношение толщины стенки наружной трубы к наружному диаметру наружной трубы составляет 0,108. Как ожидалось от толщины сварного шва сравнительного примера выше, температура эмульсионной камеры является слегка холодней, когда толщина стенки является тоньше. Однако меньше тепла проводится по длине наружной трубы от горячего участка к распылительному наконечнику, что дает в результате увеличение максимальной температуры наружной трубы от 479°C до 487°C.
Пример 5
Влияние геометрических размеров канала (каналов) распыляющего газа (гидравлического диаметра)
В данном сравнении между случаем 3 и случаем 4 из таблицы 3 первое изменение, которое было сделано, состоит в том, что длина множества наружных ребер является значительно сниженной, так что имеется большая площадь поверхности между наружной трубой и охлаждающим воздухом. Второе изменение состоит в том, что гидравлический диаметр кольцевого пространства между внутренней поверхностью наружной трубы и наружной поверхностью внутренней трубы является сниженным более чем на 50% от случая 3 к случаю 4 при увеличении наружного диаметра внутренней трубы (и толщины стенки для поддержания одинакового внутреннего диаметра внутренней трубы). В-третьих, соотношение размеров канавок в случае 4 изменено от узкой глубокой щели до относительно квадратной щели. Отношение размеров (высота к ширине) канавок в случае 3 составляет 2,74, а в случае 4 - 0,97. Указанные три изменения геометрических размеров каналов распыляющего газа имеют значительное влияние на конвекционный теплообмен между распыляющим газом и внутренней поверхностью наружной трубы.
Во-первых, наличие кольцевого пространства между внутренней поверхностью наружной трубы и наружной поверхностью внутренней трубы на участке выше по потоку от наружных ребер на внутренней трубе на горячем участке (место максимальной температуры наружной трубы) наружной трубы увеличивает доступную площадь поверхности для теплообмена между внутренней поверхностью наружной трубы и распыляющим газом. Во-вторых, снижение гидравлического диаметра на данном участке способствует увеличению конвекционного теплообмена между внутренней поверхностью наружной трубы и распыляющим газом. В-третьих, расширение канавок (и при удлиненном сужении ребер) при изменении их соотношения размеров увеличивает доступную площадь поверхности для теплообмена между распыляющим газом и внутренней поверхностью наружной трубы без значительного воздействия на площадь контакта между множеством наружных ребер и внутренней поверхностью впускного конца распылительного наконечника. Следует отметить, что наружные ребра создают барьер для конвекционного теплообмена между распыляющим газом и внутренней поверхностью наружной трубы, поскольку по существу отсутствует течение в допустимом зазоре между наружными поверхностями ребер и внутренней поверхностью наружной трубы. Кроме того, ребра не играют значительной роли в радиальной теплопередаче (радиально внутрь) от наружной трубы, потому что отсутствует тесный контакт между наружными поверхностями наружных ребер и внутренней поверхностью наружной трубы. Это резко отличается от тесного и благоприятного контакта между наружными поверхностями наружных ребер и внутренней поверхностью распылительного наконечника, описанного выше. Поэтому желательно обеспечивать соотношение 0,1≤(N×S)/P≤0,9, где N представляет собой количество наружных ребер из множества наружных ребер, S представляет собой среднюю длину дуги наружных ребер из множества наружных ребер, и Р представляет собой внутренний периметр наружной трубы в поперечном сечении наружной трубы, смежном с множеством наружных ребер. Кроме того, более толстая стенка внутренней трубы для случая 4 обеспечивает большую теплопередачу от смесительной камеры по длине внутренней трубы от смесительной камеры со снижением поэтому температуры смесительной камеры.
Указанные три улучшения способствуют значительному снижению максимальной температуры наружной трубы от 479°C (случай 3) до 372°C (случай 4). В свою очередь, это ведет к меньшей теплопередаче вдоль стенки наружной трубы к смесительной камере. Максимальная вычисленная температура внутри смесительной камеры снижается от 313°C (случай 3) до 288°C (случай 4).
Преимущество указанной конфигурации состоит в том, что смесительная камера находится при температуре гораздо ниже температуры, при которой будет образовываться кокс, и максимальная температура наружной трубы является ниже температурного интервала 430-900°C, где водная коррозия благодаря осаждению карбида (особенно карбида хрома) на границе раздела зерен имеет значение для большинства общеизвестных сплавов, таких как нержавеющие стали 316, 304 и 310 (Roberge P.R., Handbook of Corrosion Engineering, McGraw-Hill, 2000, page 712).
Пример 6
2
2
Проводят сравнение между настоящей форсункой для жидкого топлива и промышленным вариантом форсунки для жидкого топлива, описанным в патенте США № 7500849 (далее '849-форсунка). Толщина сварного шва составляет 1,27 мм и 3,91 мм для '849-форсунки и настоящей форсунки, соответственно. Площадь поперечного сечения наружной трубы составляет 117 мм и 89 мм для '849-форсунки и настоящей форсунки, соответственно. Толщина стенки наружной трубы составляет 2,87 мм (0,113 дюйм) и 3,91 мм (0,154 дюйм) для '849-форсунки и настоящей форсунки, соответственно.
Настоящая форсунка имеет 8 наружных ребер на наружной поверхности внутренней трубы.
3
Для измерения температуры поверхности внутренней поверхности смесительной камеры используют термопару. Через канал распыляющего газа пропускают воздух при скорости 5,2 нм/ч (3,3 стандарт.куб.фут/мин). Жидкое топливо через форсунку не пропускают. Печь нагревают до примерно 1150°C (2100°F). Различные форсунки вводят на равную глубину в печь, так что распылительный наконечник форсунки является выступающим в печь. Измеряют температуру поверхности внутри смесительной камеры. Температура внутренней поверхности смесительной камеры '849-форсунки составляет около 350°C при средней температуре печи около 1184°C. Температура внутренней поверхности смесительной камеры настоящей форсунки составляет около 236°C при средней температуре печи около 1197°C.
Более низкие температуры в смесительной камере указывают на возможность сниженного коксования жидкого топлива в распылительном наконечнике. Поскольку температура внутренней поверхности смесительной камеры является более низкой для настоящей форсунки по сравнению с '849-форсункой, коксование топлива в распылительном наконечнике должно быть снижено.
Данное изобретение было описано со ссылкой на частные варианты, однако изобретение не должно ограничиваться такими вариантами и включает в себя модификации и эквивалентные компоновки, которые входят в объем последующей формулы изобретения.