УСТРОЙСТВО ПУЛЬСАЦИОННОГО СЖИГАНИЯ КУСКОВОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Полезная модель относится к топкам для слоевого пульсационного сжигания преимущественно кускового топлива, может быть также использована в газификационных камерах для сжигания отходов, и обеспечивает возможность снижения уровня шума до уровня требований санитарных норм за счет использования «U» образной резонансной воздухоподающей трубы и других конструктивных элементов.
Известны топки, в которых интенсификация процессов горения достигается за счет акустических колебаний газа, проходящего через слой топлива.
Одно из таких устройств [1] представляет собой вертикальную цилиндрическую шахту с двумя параллельно расположенными горизонтальными колосниковыми решетками и размещенным между ними слоем топлива, в котором с целью интенсификации процесса горения над верхней решеткой внутри шахты установлена труба, сечение которой меньше сечения шахты не более чем в 4 раза. Недостатком этого устройства является сильный шум, возникающий вследствие излучения звука на открытых концах шахты и открытом выходе резонансной трубы. Это приводит к потерям акустической энергии, отрицательно сказывается на амплитуде колебаний газа и степени интенсификации процесса горения топлива.
Известно также устройство (стр. 183-194 [2]), взятое в качестве прототипа, состоящее из укороченной шахты-камеры сгорания, воздухоподающей трубы и резонансной (дымовой) трубы. Так как межтрубные пространства закрыты, и диаметр воздухоподающей трубы не превышает половины диаметра шахты, потери акустической энергии меньше, чем в устройстве-аналоге.
Недостатками прототипа является то, что уровень шума остается по-прежнему высоким, достигает 130 дБ, так как на открытых концах труб звук по-прежнему свободно излучается в окружающую среду. Указанный уровень шума в соответствии с Санитарными нормами СН 2.2.4/2.1.8.562-96 (Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки) является негативным фактором и жестко нормируется (Таб.), при этом указанными нормами запрещается даже кратковременное пребывание работника в зонах с уровнями звукового давления свыше 135 дБ в любой октавной полосе.
Таблица
Предельно допустимые уровни звука и эквивалентные уровни звука на рабочих местах для трудовой деятельности разных категорий тяжести и напряженности, дБА
Категория напряженности трудового процесса
Категория тяжести т
рудового процесса
легкая физическая нагрузка
средняя физическая нагрузка
тяжелый труд 1 степени
тяжелый труд 2 степени
тяжелый труд 3 степени
Напряженность легкой степени
80
80
75
75
75
Напряженность средней степени
70
70
65
65
65
Напряженный труд 1 степени
60
60
-
-
-
Напряженный труд 2 степени
50
50
-
-
-
Таким образом, заявленная цель является актуальной проблемой при эксплуатации указанных устройств.
Цель заявленного технического решения заключается в снижении уровня шума, излучаемого при пульсационном горении кускового твердого топлива, до приемлемого уровня. В заявленном техническом решении цель реализована посредством использования резонансной воздухоподающей «U» образной трубы, имеющей одинаковое поперечное сечение с имеющейся, например, у аналогов, при этом резонансная воздухоподающая «U» образная труба примерно в 3 раза длинней резонансной дымовой трубы, а их концы соединяются общей размещенной в верхней части устройства емкостью, имеющей отверстие в верхней части для выхода продуктов сгорания и боковое отверстие в нижней части, предназначенное для поступления атмосферного воздуха в топку через резонансную воздухоподающую «U» образную трубу.
Сущность заявленного технического решения заключается в том, что устройство для пульсационного сжигания кускового твердого топлива, содержащее цилиндрическую камеру сгорания с двумя параллельно расположенными колосниковыми решетками и размещенным между ними слоем кускового топлива, резонансной дымовой трубой, установленной над верхней решеткой, резонансной воздухоподающей трубой, установленной под нижней решеткой, отличается тем, что резонансная воздухоподающая труба выполнена «U» образной, снабжена в нижней части лючком, и примерно в 3 раза длинней резонансной дымовой трубы, при этом концы указанных резонансных труб соединены общей цилиндрической резонансной емкостью, имеющей верхнее отверстие для выхода продуктов сгорания и боковое отверстие для поступления атмосферного воздуха в «U» образную резонансную воздухоподающую трубу.
Схема устройства, реализующего цель изобретения, представлена на Фиг., на которой схематично изображено предлагаемое устройство в разрезе.
Устройство состоит из резонансной емкости 1, воздухоподающей резонансной трубы 2, отверстия 3 для извлечения продуктов сгорания топлива, отверстия 6 для подачи топлива, колосниковой решетки 4, слоя топлива 5, дожигательной решетки 7, бункера 8, дымовой резонансной трубы 9, лючка 10 для удаления золы, размещенного в нижней части «U» образной резонансной трубы 2.
В цилиндрической вертикально расположенной камере сгорания (на Фиг. поз. не указана), диаметр которой примерно равен ее высоте, установлена колосниковая решетка 4 с расположенным на ней слоем топлива 5. В стенке камеры сгорания имеется отверстие 6 для загрузки топлива из бункера 8 и отверстие с крышкой для удаления золы и шлаков 3. Нижний конец резонансной дымовой трубы 9 располагается над дожигательной решеткой 7, а нижний «Шобразно изогнутый конец воздухоподающей резонансной трубы 2 находится под колосниковой решеткой 4. При этом воздухоподающая резонансная труба 2 имеет «U» образный вид и плавно изгибается на 180° с возможностью обеспечения подачи воздуха в топку в нижней ее части, а в месте изгиба оснащена лючком 10 для удаления мелких фракций золы, попадающих в нее из топки.
В верхней части устройства установлена вертикально расположенная цилиндрическая резонансная емкость 1, являющаяся общей для резонансных труб 2 и 9 и имеющая объем примерно равный объему камеры сгорания. На верхней крышке резонансной емкости 1 имеется круглое отверстие расположенное над выходным сечением резонансной дымовой трубы 2, предназначенной для выхода продуктов сгорания топлива в атмосферу (на фиг. поз. не показана) и отверстие, размещенное в правой боковой нижней части резонансной емкости 1, над воздухоподающей резонансной трубой 9 (на фиг. поз также не указана).
Заявленное устройство работает следующим образом. После загрузки и воспламенения топлива на колосниковой решетке 4 происходит самовозбуждение акустических колебаний газа во всех элементах устройства. Во время работы устройства отверстия 6 для загрузки топлива из бункера 8 и 3 с крышкой для удаления золы и шлаков закрываются. Пульсации расхода воздуха приводят к периодическому тепловыделению в зоне горения. Если в момент наибольшего сжатия газа в камере сгорания ему сообщается максимальное количество теплоты, а в момент наибольшего разрежения - минимальное количество теплоты, происходит усиление случайных пульсаций газа и установление колебаний с одной из резонансных частот системы. Горячие продукты сгорания движутся вверх по дымовой трубе 9, поступают в емкость 1 и через ее верхнее отверстие выходят в атмосферу. Более плотный холодный воздух, поступающий из бокового отверстия емкости 1, движется по воздухоподающей трубе 2 вниз, а затем, развернувшись вверх, проходит через слой топлива 5, обеспечивая поступление кислорода в зону горения. В результате в емкости 1 образуются два конвективных противоположно направленных течения - холодного воздуха в нижней части, поступающего в топку, и горячих дымовых газов в верхней части, поступающих в атмосферу.
С точки зрения акустики предлагаемое устройство является резонатором, имеющим дискретный ряд собственных частот. В устройстве-прототипе с короткой воздухоподающей трубой возбуждаются колебания газа с первой, наименьшей частотой дискретного ряда резонансных частот (стр. 43 абз. 3 [2]).
В предлагаемом устройстве значительное удлинение воздухоподающей трубы приводит к снижению первой частоты настолько, что перестает выполняться фазовое условие возбуждения колебаний газа. Вторая частота также понижается и становится близкой к значению первой частоты (стр. 112-116, стр. 124-125 [2]), которое было в случае короткой воздухоподающей трубы (в прототипе). Таким образом, происходит самовозбуждение колебаний газа. После сжатия в камере сгорания по резонансным трубам с равными поперечными сечениями распространяются звуковые волны одинаковой амплитудой и частотой. Длина дымовой резонансной трубы близка к ¼ длины звуковой волны. Длину воздухоподающей резонансной трубы выбирают такой, что она в 3 раза больше длины дымовой резонансной трубы. В этом случае разность хода звуковых волн равна половине длины волны. Из физики известно, что при интерференции таких волн происходит их взаимное наложение и как следствие этого ослабление звуковой энергии (шума). В результате амплитуда колебаний давления газа в емкости, а, следовательно, уровень шума, излучаемого из отверстий емкости, имеют минимальные значения. Тем самым достигается заявленный технический результат (эффект), заявленный в цели - значительное снижение уровня шума, излучаемого при пульсационном горении кускового твердого топлива.
Информация, приведенная в тексте описания:
1. а.с. №556274 СССР. Устройство для сжигания кускового твердого топлива в пульсирующем потоке. / Ф.Н. Имамутдинов, Т.И. Назаренко // Б.И. 1981. №4.
2. Ларионов, В.М. Автоколебания газа в установках с горением. / В.М. Ларионов, Р.Г. Зарипов // Казань: Изд-во Казан, гос. технич. ун-та. - 2003. 226 с.