Вихревое горелочное устройство
VORTEX BURNER

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к горелочным устройствам для универсального сжигания в них различных топлив, включая непроектные и некондиционные.
Основными задачами при создании горелочных устройств являются высокая эффективность горения и максимально возможное снижение вредных выбросов. С целью повышения эффективности горения, то есть снижения неполноты сгорания, наиболее распространенный способ это применение вихревого движения в пространстве горения. С целью снижения выбросов окислов азота широко известен способ сжигания органического топлива в условиях паровой газификации углерода топлива с образованием водяного газа (синтез-газа), то есть с впрыском воды или пара в топочное пространство.
Известно горелочное устройство (аналог), использующее для горения жидкого топлива перегретый водяной пар (Пат. 2523591 Российская Федерация. Горелочное устройство. / Вигриянов М.С., Алексеенко С.В., Ануфриев И.С, Шарыпов О.В.; опубл. 20.07.2014, Бюл №20. 6 с.), содержащее цилиндрический корпус, паровую форсунку, вмонтированную в торец корпуса, паропровод, соединенный с паровой форсункой и камеру газогенерации и топливную форсунку. В конструкцию встроен парогенератор, состоящий из бачка испарителя, паросепаратора и трубок пароперегревателя.
Недостатком данной конструкции является то, что парогенератор, включая пароперегреватель, находится в зоне горения и как следствие потребляет часть теплоты, выделяющейся при возгорании пламени, снижая общий температурный уровень пламени.
Известно, что уровень температуры пламени оказывает прямое воздействие на скорость горения и полноту сгорания топлива, то есть позволяет получить более низкое содержание угарного газа в продуктах сгорания.
Наиболее близким техническим решением является горелочное устройство (прототип) (Пат. 2864700 Europian Union. - Device for burning fuel / Baubek Askar, Baubek Nariman.; опубл. 29.04.2015. 12 с.), содержащее внешнюю цилиндрическую камеру предварительного возгорания топлива, внутреннюю цилиндрическую выходную камеру-сопло, которая заглублена во внешнюю цилиндрическую камеру и выступает вовнутрь пространства горения, а также два патрубка, осуществляющие тангенциальную раздельную подачу топлива и воздуха в камеру возгорания топлива. Тангенциальная подача обеспечивает интенсивный вихрь и способствует полноте сгорания топлива. Устройство также содержит водяную рубашку для охлаждения внешней части выходной камеры-сопла, которая перегревается в ходе трения горящей топливно-воздушной смеси о стенку изнутри.
Недостатками такого устройства являются:
- необходимость в потребителе тепловой энергии в виде горячей воды, поступающей из водяной рубашки;
- высокий уровень выбросов оксидов азота из-за наличия локальных высокотемпературных зон;
- уменьшение крутки факела во внутренней трубе за счет трения о стенки и преобразования динамической энергии потока в теплоту, как следствие низкая эффективность горения.
Настоящее изобретение направлено на решение следующих задач: -повышение эффективности сжигания топлива;
x
- снижение вредных выбросов NO и СО.
Поставленная задача решается тем, что в горелочном устройстве, содержащем внешнюю цилиндрическую камеру возгорания топлива, внутреннюю цилиндрическую выходную камеру-сопло, патрубки тангенциального раздельного подвода топлива и воздуха, водяная рубашка системы охлаждения внешней части выходного сопла переводится в режим парогенератора путем подбора расхода воды, а также организация дополнительной, внутренней закрутки факела за счет щелевого тангенциального подвода топливно-воздушной среды во внутреннюю цилиндрическую выходную камеру-сопло. Выходная камера-сопло устанавливается внутри внешней цилиндрической камеры по всей длине и снабжается продольными отверстиями для тангенциального прохода и дробления капель топлива при использовании жидкого топлива. Продольные отверстия обеспечивают дополнительную закрутку топливно-воздушной смеси при входе во внутреннюю выходную камеру-сопло. Получаемый собственный пар подается тангенциально на вход парового сопла, вмонтированного в корпус камеры возгорания. Водяная рубашка совмещает в себе функции охлаждения выходной камеры-сопла и парогенератора.
Второй вариант обеспечения дополнительной закрутки топливно-воздушной смеси при входе во внутреннюю выходную камеру-сопло взамен продольных щелевых отверстий - это два тангенциальных окна прямоугольного сечения, установленных противоположно относительно оси выходной камеры-сопла на входе во внутреннюю часть цилиндрической выходной камеры-сопла. Ширина входных окон равна половине радиуса внутренней цилиндрической выходной камеры.
Предлагаемое изобретение поясняется фигурами 1, 2, 3.
На фигуре 1 изображен вид горелочного устройства с боку (вариант с продольными щелевыми отверстиями).
На фигуре 2 изображен вид горелочного устройства с фронта (вариант с продольными щелевыми отверстиями).
На фигуре 3 изображен вид горелочного устройства с боку (вариант с двумя окнами).
На фигуре 4 изображен вид горелочного устройства с фронта (вариант с двумя окнами).
Горелочное устройство состоит из внешней цилиндрической камеры возгорания топлива 1, внутренней цилиндрической выходной камеры-сопла 2, которая установлена внутри внешней цилиндрической камеры 1 по всей длине, патрубка тангенциального подвода топлива 3 и патрубка тангенциального подвода воздуха 4, водяной рубашки 5 системы охлаждения выходной камеры-сопла 2, которая является одновременно парогенератором, паропровода 6 и парового сопла 8.
Внутренняя выходная камера-сопло снабжена продольными отверстиями 7 (фигуры 1, 2) для тангенциального направления потока внутрь и дополнительной внутренней закрутки факела, а также для недопуска крупных капель в активную зону горения и/или их дробления.
Для второго варианта внутренняя выходная камера-сопло снабжена двумя противоположно установленными относительно оси окнами прямоугольного сечения 9 (фигура 3) с шириной входных окон, равной половине радиуса внутренней цилиндрической выходной камеры-сопла. Назначение окон аналогично продольным щелевым отверстиям.
Настоящее изобретение работает следующим образом. Воздух и топливо раздельно подаются во внешнюю цилиндрическую камеру возгорания 1 через патрубок тангенциального подвода топлива 3 и патрубок тангенциального подвода воздуха 4. Внутри цилиндрической камеры 1 происходит образование топливно-воздушной смеси за счет интенсивного вихревого движения внутри камеры возгорания 1, что спровоцировано тангенциальным подводом топлива и воздуха. Также происходит предварительная термическая обработка смеси (испарение жидких фракций, выделение летучих веществ) и возгорание летучих паров топлива. Далее уже горящая топливно-воздушная смесь поступает снова тангенциально во внутреннюю выходную камеру-сопло 2 через продольные отверстия 7 (фигура 2) или входные окна 9 (фигура 4), за счет чего осуществляется дополнительная закрутка потока. Внешняя часть выходной камеры-сопла 2 непосредственно ближе к соплу перегревается за счет излучения от продуктов горения и конвективной передачи тепла при их контакте со стенкой. Для охлаждения выходной камеры в водяную рубашку 5 подается вода, которая, закипая, преобразуется в пар. Далее насыщенный или перегретый пар (возможны оба варианта) по паропроводу 6 подается в паровое сопло 8. Пар поступает в пространство горения, где обеспечивает паровую газификацию и как следствие снижение выбросов оксидов азота. В итоге полезно усваивается теплота от потерь в окружающую среду, а не в пространстве горения.