КАПИЛЛЯРНАЯ ИСПАРИТЕЛЬНАЯ ФОРСУНКА
CAPILLARY EVAPORATIVE INJECTOR

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к устройствам для сжигания жидкого топлива, преимущественно, испарительными форсунками, и может быть использовано на полевых средствах приготовления и транспортирования пищи и в других тепловых аппаратах.
Известна испарительная форсунка (например, форсунка ФК-01 (Эксплуатация технических средств приготовления и транспортирования пищи в полевых условиях. М.: ВИ, 1980 г.)) [1], содержащая вентиль, испаритель, сопло, рассекатель пламени, корытце, топливный бак, выполняющий роль воздушного ресивера. Такое техническое решение позволяет применять форсунку без источников электроэнергии, при сохранении работоспособности даже в полевых условиях. Однако в связи с тем, что топливо нагревается только на внутренней перегретой поверхности труб испарителя форсунки, возникает пленочное неэффективное кипение (Деев В.И., Куценко К.В., Лаврухин А.А., Харитонов B.C. Нестационарный кризис кипения жидкостей // Тез. докл. V Минского Междунар. Форума по тепло- и массообмену. Т. 2. Минск: Изд. ИТМО НАНБ, 2004. [2]. Из-за высокого теплового напряжения в топке проявляется эффект Лейденфроста (отделение жидкости от греющей поверхности паровой прослойкой), что приводит к перегреву наружной поверхности труб испарителя и преждевременному прогоранию, их закоксовыванию и образованию жидких смол (при конденсации их паров в низкотемпературном потоке жидкого топлива). Частично эти смолы попадают в горючую смесь в жидком состоянии, мешая нормальному горению факела и снижая его температуру. Остаток в виде нагара и жидких смол занимает часть объема труб, сокращая поверхность теплообмена, снижают коэффициент теплопередачи и эффективность испарения дизельного топлива. Такой испаритель не может обеспечить нормального процесса горения, и форсунка начинает дымить, сопло засоряется, а потом и вовсе перестает работать. Это требует частой разборки форсунки, в целях удаления высокотемпературных остатков, при температуре, недостаточной для возгонки всех составляющих фракций топлива.
Технической задачей изобретения является исключение засорения испарителя и сопла смолами, повышение эффективности сжигания топлива и коэффициента полезного действия форсунки.
Техническая задача выполняется за счет того, что капиллярная испарительная форсунка, содержащая корытце, испаритель, рассекатель пламени, воздушный ресивер, вентиль, топливный бак, сопло, отличается тем, что в качестве капиллярного жаростойкого материала используется силикагель технический гранулированный, заложенный вовнутрь испарителя без уплотнения в объеме 60% от общего объема, а также внутри испарителя неподвижно зафиксирована сетка-фильтр.
Технический результат изобретения состоит в повышении коэффициента полезного действия форсунки на 13-16%, уменьшении содержания угарного газа (СО) в уходящих газах на 40-60% и не допущении засорения испарителя и сопла, что ведет к безотказной работе (Антуфьев В.Т., Заньков П.Н., Смолянский О.В. Экспериментальные исследования капиллярно-испарительной форсунки для тепловых блоков полевых кухонь.// Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств» Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, ИХБТ, №1, 2015 г. [3]).
Новым, в предлагаемом устройстве, является применение в ней объемно-капиллярного испарения дизельного топлива при повышенных температурах, обеспечиваемое дополнительной развитой поверхностью керамической засыпки и ее повышенной теплопроводностью, что исключает задержку в трубах высококипящих фракций (парафинов и смол). В качестве капиллярного жаростойкого материала применяется силикагель технический гранулированный, заложенный в испарительную трубу форсунки без уплотнения. При свободной засыпке шарообразных частиц доля свободного объема составляет V=0,4. То есть 60% в объеме испарителя займет шарообразная засыпка силикагеля, а 40% объема - дизельное топливо. При таком уменьшении топлива, подлежащего разогреву до кипения и испарению, увеличение теплоотдающей поверхности на порядок повышается эффективность процесса и равномерность температур в потоке жидкости. За счет кипения в объеме каждой перегретой гранулы и между ними засорение капилляров практически исключено, что обеспечивает длительность эксплуатации силикагеля без замены. (Гамаюнов Н.И., Малышев В.Л. Охлаждение мениска в процессе высокотемпературного испарения жидкостей из капилляров//Промышленная теплотехника. 1986 г. Т. 8. №2. С. 49-53 [4]).
3
3
В форсунке ФК-01 из 200 см, ранее заполняемых дизельным топливом, теперь будет заполнено только 80 см, которые быстрее превратятся в перегретый пар не только от внутренней поверхности труб испарителя, но и в большей степени от прогретого зернистого материала.
Изобретение поясняется чертежом, на котором обозначено: корытце (1); испаритель (2); рассекатель пламени (3); сетка-фильтр (4); сопло (5); вентиль (6); воздушный ресивер (7); трубопровод (8).
Техническая задача достигается за счет того, что капиллярная испарительная форсунка включает воздушный ресивер (7), вентиль (6), с подводящим трубопроводом (8), испаритель (2) жидкого топлива (как вариант, в виде полой жаростойкой металлической трубы, полностью заполненной шарообразным силикагелем) и сопла (5), размещенные в топке и обогреваемых факелом пламени. Причем в целях исключения засорения сопла (5) частицами силикагеля, внутри испарителя (2) в пазы установлена сетка-фильтр (4).
Силикагель является не только интенсификатором теплопередачи от перегретых стен испарителя (2) в объем топлива, но и дополнительной развитой поверхностью капиллярного кипения жидкости и превращения ее в перегретый пар (Хрусталев Д.К., Денисевич С.В. Теплопередача при испарении и конденсации в тепловой трубе с комбинированной капиллярно-пористой структурой. Тепловые трубы и теплообменники с капиллярно-пористыми структурами. Минск, 1986 г. с. 39-50) [5]. Это приводит к тому, что пары топлива, перемещающиеся к соплу (5), уже полностью имеют испаренные фракции смол, и в пламени форсунки отсутствует топливо в капельной форме, снижавшее ранее эффективность сгорания и повышающее степень химического недожога.
Силикагель имеет многочисленные поры: каверны (макропоры), макрокапилляры и микрокапилляры. Относительно высокая теплоемкость силикагеля, составляющая 920 Дж/(кг K), и теплопроводность при +30°С, равная 0,25 Вт/(м K), что на 30% выше, чем у дизельного топлива, способствует интенсификации процессов испарения (Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии (часть I). М.: Химия, 1995. 400 с. ) [6].
Форсунка работает следующим образом: при создании повышенного давления в топливном баке, дизельное топливо через вентиль (6), трубопровод (8) поступает в испаритель (2), где первоначально испаряется под действием пламени в корытце, а затем за счет нагрева труб от пламени факела. При этом кипение происходит не только на внутренней поверхности труб испарителя (2), но и в объеме каждой перегретой гранулы и между ними, обеспечивая более высокий температурный режим процесса (Койбагаров С.X. Нестационарное испарение жидкости с поверхности пористого тела. Наука и техника Казахстана, №3 2010 г. ) [7].
В таблице «Результаты эксперимента, проведенного на заводе «Спецтехмаш» г. Всеволожск, Ленинградской обл., в сентябре-декабре 2015 года», на технических средствах транспортирования и приготовления пищи, в полевых условиях, представлены положительные эффекты от применения капиллярной испарительной форсунки:
время закипания воды в котлах сократилось на 10-15%, что снижает трудозатраты персонала;
снизилась дымность уходящих газов в 2,5 раза;
уменьшился расход дизельного топлива на 15-35%. (Антуфьев В.Т., Заньков П.Н., Смолянский О.В. Экспериментальные исследования капиллярно-испарительной форсунки для тепловых блоков полевых кухонь.// Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств». Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, ИХБТ, 2015 г, №1) [3];
повысилась мобильность кухни.
Незначительно повышенная температура факела и применение объемного капиллярно-испарительного кипения в трубах форсунки существенно снижает в них количество отложений и смол, частоту технического обслуживания тепловых блоков и форсунок. Это предотвращает накопление тяжелых фракций топлива в испарителе (2) и отложений кокса и смолы в его стенках. Модернизированная форсунка при этом не только увеличивает удельную производительность по пару дизельного топлива в 1,7-2 раза, но и его температуру на выходе из сопла (по замерам на 50-70°С). Таким образом, высококипящие фракции дизельного топлива не будут забивать испаритель в виде смол и кокса, что происходит через 90-100 часов работы на серийно выпускаемых испарительных форсунках. Для испытанной форсунки характерен голубой, почти невидимый для глаза, цвет пламени, показывающий отсутствие в пламени твердых сажевых частичек, которые, ранее не успев догореть, соприкасались с относительно холодными стенками пищеварочных котлов и стенок газохода и откладывались в виде сажевого налета.
Благодаря применению силикагеля шарообразного в зоне его контакта с нагревательной стенкой, происходит сильный отток теплоты от поверхности трубы испарителя через тонкую прослойку дизельного топлива к шарику, что приводит к значительному (до 35°С) снижению температуры поверхности, соприкасающейся с дизельным топливом, находящимся в прослойке между ними. То есть более низкая температура на поверхности трубы исключит эффект Лейденфроста, интенсифицирует возникновение и рост паровых пузырьков не только на поверхности нагревателя, но и в объеме засыпки. Циркуляция жидкого топлива увеличится, что положительно сказывается на испарении и подготовке перегретой горючей смеси на выходе из сопла.
С учетом вышеприведенных доводов считаем, что отличительные признаки предлагаемой капиллярно испарительной форсунки подтверждают соответствие изобретения критерию "существенные отличия". Использование отличительных признаков в предлагаемом устройстве подтверждает его соответствие критерию "новизна".
Список литературы
1. Эксплуатация технических средств приготовления и транспортирования пищи в полевых условиях. Руководство. ВИ, 1980 г.
2. Деев В.И., Куценко К.В., Лаврухин А.А., Харитонов B.C. Нестационарный кризис кипения жидкостей // Тез. докл. V Минского Междунар. Форума по тепло- и массообмену. Т. 2. Минск: Изд. ИТМО НАНБ, 2004.
3. Антуфьев В.Т., Заньков П.Н., Смолянский О.В. Экспериментальные исследования капиллярно-испарительной форсунки для тепловых блоков полевых кухонь// Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств» Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, ИХБТ, №1, 2015 г.
4. Гамаюнов Н.И., Малышев В.Л. Охлаждение мениска в процессе высокотемпературного испарения жидкостей из капилляров//Промышленная теплотехника. Т. 8. №2, 1986 г. С. 49-53.
5. Хрусталев Д.К., Денисевич С.В. Теплопередача при испарении и конденсации в тепловой трубе с комбинированной капиллярно-пористой структурой. Тепловые трубы и теплообменники с капиллярно-пористыми структурами. Минск, 1986 г. С. 39-50.
6. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии (часть I). М.: Химия, 1995. С. 400
7. Койбагаров С.X. Нестационарное испарение жидкости с поверхности пористого тела. Наука и техника Казахстана, №3 - 2010 г.