ПУЛЬСИРУЮЩАЯ ВИХРЕВАЯ ТОПКА
PULSATING SWINGING-TYPE FURNACE

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в системах отопления, в частности в водонагревателях или бойлерах.
Известно устройство пульсирующего горения, содержащее камеру сгорания, ограниченную цилиндрической стенкой, закрытым задним торцом и выходным соплом, перфорированную топливоподводящую трубу, установленную вдоль камеры со стороны заднего торца и сообщающуюся с камерой сгорания посредством гофрированного патрубка в зоне выхлопного сопла, изменяющей свое сечение в зависимости от давления газопламенной струи. На топливоподводящей трубе закреплен крестообразный турбулизатор и запальник. (Патент RU №2040732. - МПК: F23C 11/04. - 1995.07.25).
Известно устройство пульсирующего горения, содержащее камеру сгорания, ограниченную удлиненной цилиндрической стенкой и закрытым задним торцом, выполненную с отверстиями для подвода топлива, и выхлопную трубу с охватывающей их рубашкой для прохождения воды, воспламенитель и трубки подачи топлива и воздуха, причем размеры трубки подачи топлива, камеры сгорания и выхлопной трубы выбраны из условия обеспечения заданного соотношения резонансной частоты трубки подачи топлива к резонансной частоте камеры сгорания вместе с выхлопной трубой. (Патент RU №2062945. - МПК: F23C 11/04. - 1996.06.27).
Недостатком известных устройств является сложность конструкций и высокое содержание в выхлопных газах оксидов азота.
7
Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому изобретению является система пульсирующего горения, содержащая камеру сгорания, емкость для нагреваемого теплоносителя, устройства подвода топлива и воздуха, вывода продуктов горения, а также смесительное устройство, два ресивера, два обратных клапана, дефлектор и устройство контроля продувки и горения с двумя датчиками. Данная система обеспечивает устойчивость пульсирующего горения в режиме самовсасывания воздуха в камеру сгорания без помощи воздушного нагнетателя, высокий КПД и низкую концентрацию оксидов азота и монооксида углерода в выхлопных газах. (Патент RU №2175422 С1. Система пульсирующего горения. - МПК: F23C 11/04. - 2001.10.27). Данное устройство принято за прототип.
Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является сложность конструкции и необходимость индивидуальной регулировки положения дефлектора - стабилизатора горения, расположенного на выходе воздухопровода в камеру сгорания, вызывающего аэродинамическое сопротивление в тракте подачи воздуха, который одновременно служит основным источником акустических колебаний, возникающих в результате срыва потока теплоносителя с дефлектора.
Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является упрощение конструкции при обеспечении более высокого КПД сжигания топлива при низкой концентрации оксидов азота и монооксида углерода в выхлопных газах.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемого технического решения, является упрощение конструкции и повышение КПД сжигания топлива за счет улучшения качества образования топливно-воздушной смеси, обеспечивающей интенсивность горения и снижение содержания токсичных веществ в выхлопных газах.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной пульсирующей вихревой топке, содержащей камеру сгорания, ограниченную цилиндрической оболочкой, открытым торцом с одной стороны и закрытым с другой, смесительное устройство, сообщающееся с камерой сгорания, в последней установлено запальное устройство для розжига, и трубопроводы подачи воздуха и топлива с дозирующими отверстиями и обратными клапанами, согласно предложенному техническому решению, смесительное устройство размещено в продолжении трубопровода подачи воздуха путем сопряжения его с трубопроводом подачи топлива на уровне дозирующих отверстий, выполненных в продолжении трубопровода подачи воздуха, при этом канал подачи топливно-воздушной смеси из смесительного устройства в камеру сгорания одной стороной выполнен с тангенциальным направлением к цилиндрической оболочке камеры сгорания и смежной стороной совмещен с плоскостью ее закрытого торца, а запальное устройство установлено, например, на цилиндрической оболочке камеры сгорания рядом с каналом подачи топливно-воздушной смеси из смесительного устройства;
сопряжение трубопроводов подачи топлива и воздуха выполнено с помощью коллектора подачи топлива, охватывающего трубопровод подачи воздуха, при этом дозирующие отверстия выполнены по периметру трубопровода подачи воздуха на уровне оси симметрии трубопровода подачи топлива;
камера сгорания выполнена с возможностью установки в ней труб теплообменника.
Приведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленной пульсирующей вихревой топке, отсутствуют. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого технической решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками из заявляемого технического решения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
На фиг.1 схематично показана пульсирующая вихревая топка, поперечный разрез; на фиг.2 - то же, продольный разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - динамика пульсирующего горения топливно-воздушной смеси.
Пульсирующая вихревая топка содержит камеру горения 1 топливно-воздушной смеси, смесительное устройство 2, сообщающееся с камерой сгорания 1 через канал 3 подачи топливно-воздушной смеси в камеру сгорания 1, запальное устройство 4, установленное на цилиндрической оболочке 5 камеры сгорания 1, трубопровод 6 подачи воздуха и трубопровод 7 подачи топлива с дозирующими отверстиями 8 и обратными клапанами 9 и 10, соответственно. (Фиг.1). Камера сгорания 1 ограничена торцом 11 с выхлопным отверстием 12 с одной стороны и закрытым торцом 13 с другой стороны. Смесительное устройство 2 размещено в продолжении трубопровода 6 подачи воздуха за обратным клапаном 9 путем сопряжения его с трубопроводом 7 подачи топлива на уровне дозирующих отверстий 8, выполненных в продолжении трубопровода 6 подачи воздуха, с переходом в канал 3 подачи топливно-воздушной смеси в камеру сгорания 1, сопряженным одной стороной с тангенциальным направлением к цилиндрической оболочке 5 и совмещенным смежной стороной с плоскостью закрытого торца 13 камеры сгорания 1. (Фиг.2). Запальное устройство 4 установлено на цилиндрической оболочке 5 камеры сгорания 1 рядом с каналом 3 подачи топливно-воздушной смеси из смесительного устройства 2. Сопряжение трубопроводов 6 и 7 подачи воздуха и топлива в смесительное устройство 2 выполнено с помощью коллектора 14 подачи топлива, охватывающего продолжение трубопровода 6 подачи воздуха, при этом дозирующие отверстия 8 выполнены по периметру продолжения трубопровода 6 подачи воздуха на уровне оси симметрии трубопровода 7 подачи топлива. Камера сгорания 1 выполнена с возможностью установки в ней труб теплообменника.
Предложенная пульсирующая вихревая топка работает следующим образом.
n
а
n
а
в
в
n
в
н
n
n
n
в
n
в
н
n
n
н
n
н
в
Работа предложенной пульсирующей вихревой топки основана на создании пульсирующего закрученного вихревого потока топливно-воздушной смеси у закрытого торца 13 в начале камеры сгорания 1 с последующим перемещением по ходу ее движения к выхлопному отверстию 12 на торце 11 камеры сгорания 1. Перед розжигом пульсирующей вихревой топки по трубопроводу 6 через обратный клапан 9 подают воздух, а по трубопроводу 7 через обратный клапан 10 и дозирующие отверстия 8 в смесительную камеру 2 впрыскивают топливо под давлением P, большим атмосферного Р, т.е. P>Р. В смесительном устройстве 2 происходит смешивание пылеобразного топлива с воздухом, в результате чего образуется топливно-воздушную смесь. Из смесительного устройства 2 топливно-воздушная смесь поступает по каналу 3 в камеру сгорания 1, в последней, по мере наполнения ее топливно-воздушной смесью, включают запальное устройство 4, от которой топливно-воздушная смесь мгновенно воспламеняется, в результате этого давление в камере сгорания 1 мгновенно повышается до давления Р, большего давления воздуха и топлива в трубопроводах 6 и 7, т.е. Р>>P. При этом обратные клапаны 9 и 10 мгновенно закрываются и горячий продукт сгораемой топливно-воздушной смеси под давлением Р устремляется к выхлопному отверстию 12 на торце 11 камеры сгорания 1. После выхлопа продуктов горения через выхлопное отверстие 12 давление в камере сгорания 1 резко уменьшается до Р<P, при этом обратные клапаны 9 и 10 открываются под воздействием давления P воздуха и топлива в трубопроводах 6 и 7, из которых воздух и топливо через обратные клапаны 9 и 10 под давлением P устремляются через дозирующие отверстия 8 в смесительное устройство 2, в последней происходит смешивание топлива с воздухом, образуя топливно-воздушную смесь. Из смесительного устройства 2 топливно-воздушная смесь устремляется по каналу 3 с тангенциальным направлением к цилиндрической оболочке 5 в камеру сгорания 1, создавая закрученный вихревой поток топливно-воздушной смеси у закрытого торца 13 в начале камеры сгорания 1, которая мгновенно воспламеняется от горячих продуктов предшествующего горения топливно-воздушной смеси. Давление в камере сгорания 1 мгновенно повышается до давления Р>>P воздуха и топлива в трубопроводах 6 и 7, под воздействием которого обратные клапаны 9 и 10 закрываются, а горячий продукт сгораемой топливно-воздушной смеси под давлением Р устремляется к выхлопному отверстию 12 на торце 11 камеры сгорания 1. При выхлопе продуктов горения давление в камере сгорания 1 снова резко уменьшается до Р<P, обратные клапаны 9 и 10 открываются, воздух и топливо по трубопроводам 6 и 7 через обратные клапаны 9 и 10 под давлением P>Р через дозирующие отверстия 8 устремляются в смесительное устройство 2. Из смесительного устройства 2 топливно-воздушная смесь устремляется по каналу 3 в камеру сгорания 1, в которой давление P<<P, создавая пульсирующий вихревой поток сгораемой топливно-воздушной смеси, который под давлением P устремляется к выхлопному отверстию 12 на торце 11 камеры сгорания 1. Далее процесс повторяется (Фиг.3). Пульсирующие вихревые потоки сгораемой топливно-воздушной смеси характеризуются наличием в них интенсивных центробежных сил. При этом образовавшиеся продукты горения, имеющие меньшую плотность, устремляются в радиальном направлении к оси вращения закрученного потока, двигаясь навстречу тяжелым холодным порциям топливно-воздушной смеси, перемещающейся под действием центробежной силы к периферии камеры сгорания 1, что способствует существенному увеличению скорости и полноты сгорания топливно-воздушной смеси и, в свою очередь, приводит к уменьшению вредных выбросов. Благодаря закрутке потока сгораемой топливно-воздушной смеси реализуется газодинамический способ стабилизации горения.