ТОПКА ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ГОРЕНИЯ

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в котлах пульсирующего горения для упрощения конструкции топки с обеспечением полноты сгорания топлива при низкой концентрации NO_x и СО в выхлопных газах, а также обеспечения мягкого без хлопков розжига.

Известна 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, МПК₇ F23C 11/04, опубл. 27.10.2001 г.).

Недостатками устройства являются сложность конструкции и необходимость индивидуальной регулировки положения дефлектора-стабилизатора горения, расположенного на выходе воздухопровода в камеру сгорания. Кроме того, наличие дефлектора вызывает аэродинамическое сопротивление в тракте подачи топливно-воздушной смеси в камеру сгорания, что снижает добротность колебательной системы при пульсирующем горении.

Наиболее близкой к предложенному изобретению является пульсирующая вихревая топка, содержащая 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, при этом 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, кроме того, 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 (патент РФ №2414646, МПК F23C 15/00, опубл. 20.03.2011).

Недостатками известной пульсирующей вихревой топки являются сложность конструкции, увеличенный габаритный размер в радиальном направлении.

Задачей изобретения является упрощение конструкции с обеспечением полноты сгорания топлива при низкой концентрации NO_x и СО в выхлопных газах.

Поставленная задача решается топкой пульсирующего горения, содержащей камеру сгорания с запальным устройством для розжига, ограниченную боковыми стенками, открытым торцом с одной стороны и закрытым торцом с другой стороны, смесительное устройство, сообщающееся с камерой сгорания посредством канала подачи топливно-воздушной смеси, трубопроводы подачи воздуха и топлива с дозирующими отверстиями и обратными клапанами, причем 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. В отличие от прототипа канал подачи топливно-воздушной смеси из смесительного устройства в камеру сгорания соединен с отверстием, выполненным в закрытом торце камеры сгорания, при этом продольная ось канала подачи топливно-воздушной смеси расположена под углом к плоскости закрытого торца камеры сгорания и пересекает поверхность боковой стенки камеры сгорания.

Согласно изобретению:

- запальное устройство для розжига расположено на закрытом торце камеры сгорания;

- топка содержит корпус камеры сгорания, охватывающий ее с образованием полости для охлаждающей жидкости, причем внутри полости расположены выхлопные каналы;

- участок трубопровода подачи воздуха, в котором размещено смесительное устройство, окружен корпусом с образованием газовой полости, сопряженной с трубопроводом подачи топлива и ограниченной кольцевой крышкой с одной стороны и закрытым торцом камеры сгорания с другой стороны, причем газовая полость сообщается с полостью смесительного устройства посредством дозирующих отверстий, которые расположены по периметру трубопровода подачи воздуха на заданном расстоянии, например, от закрытого торца камеры сгорания;

- дозирующие отверстия распределены как минимум на две группы, разделенные установленной в газовой полости не замкнутой кольцевой перегородкой с образованием в газовой полости прохода, который расположен на удалении от места сопряжения газовой полости с трубопроводом подачи топлива.

Технический результат изобретения достигается благодаря следующему.

Предложенная конструкция топки пульсирующего горения, когда продольная ось канала подачи топливно-воздушной смеси из смесительного устройства в камеру сгорания расположена под углом и пересекает поверхность боковой стенки камеры сгорания, обеспечивает образование потока продуктов горения, который имеет характер закрученного по спирали вдоль охлаждаемой жидкостью боковой стенки камеры сгорания. Это способствует снижению температур в зоне горения топливно-воздушной смеси и, соответственно, снижению выбросов NO_x, а благодаря улучшенному перемешиванию продуктов горения обеспечивается полнота сгорания и снижение выбросов СО.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения предложенная конструкция топки пульсирующего горения, когда группируют взаимное расположение дозирующих отверстий и разделяют их кольцевой не замкнутой перегородкой, обеспечивает мягкий без хлопков розжиг топки пульсирующего горения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 схематично показана топка пульсирующего горения, продольный разрез;

на фиг.2 схематично показана топка пульсирующего горения с газовой полостью вокруг смесительного узла, продольный разрез;

на фиг.3 схематично показана топка пульсирующего горения с кольцевой не замкнутой перегородкой в газовой полости, продольный разрез;

на фиг.4 схематично показан общий вид топки пульсирующего горения с охватывающим камеру сгорания корпусом;

на фиг.5 показана осциллограмма розжига топки пульсирующего горения с разделяющей дозирующие отверстия перегородкой в начальный момент с последующим рабочим режимом.

Топка пульсирующего горения (фиг.1, 2, 3) содержит камеру сгорания 1 с запальным устройством 2, ограниченную боковыми стенками 3, открытым торцом 4 с одной стороны (показано на фиг.4) и закрытым торцом 5 с другой стороны, трубопровод подачи воздуха 6 с обратным воздушным клапаном 7 и дозирующими отверстиями 8, трубопровод подачи топлива 9 с обратным топливным клапаном 10, смесительное устройство 11, размещенное в продолжении трубопровода подачи воздуха 6 путем сопряжения его с трубопроводом подачи топлива 9 на уровне дозирующих отверстий 8 и сообщающееся с камерой сгорания 1 через отверстие, выполненное в закрытом торце 5. На выходе смесительного устройства образован канал 12 подачи топливно-воздушной смеси в камеру сгорания 1, продольная ось 13 которого расположена под углом к плоскости закрытого торца 5 камеры сгорания и пересекает поверхность ее боковой стенки 3.

В частном случае изобретения (фиг.2) участок трубопровода подачи воздуха, в котором размещено смесительное устройство 11, окружен корпусом 14 с образованием газовой полости 15, сопряженной с трубопроводом подачи топлива 9. Газовая полость с одной стороны ограничена крышкой 16, а с другой стороны - закрытым торцом 5 камеры сгорания, при этом газовая полость 15 сообщается с полостью смесительного устройства 11 посредством дозирующих отверстий 8, которые располагают по периметру трубопровода подачи воздуха 6 на заданном расстоянии, например, от закрытого торца 5 камеры сгорания 1.

Кроме того, в другом частном случае реализации изобретения (фиг.3) дозирующие отверстия 8 в трубопроводе подачи воздуха 6 располагают по периметру трубопровода подачи воздуха 6 на заданном расстоянии, например, от закрытого торца 5 камеры сгорания и распределяют как минимум на две группы, разделенные не замкнутой кольцевой перегородкой 17 с образованием прохода 18, который расположен на удалении от места сопряжения газовой полости 15 с трубопроводом подачи топлива 9.

Согласно изобретению топка пульсирующего горения содержит корпус 19, охватывающий ее с образованием полости 20 для охлаждающей жидкости. Внутри полости расположены выхлопные каналы 21 для выхода дымовых газов из камеры сгорания (фиг.4).

Работа топки пульсирующего горения осуществляется следующим образом.

Через обратный клапан 7 по трубопроводу 6 подают воздух, а через обратный клапан 10 по трубопроводу 9 в смесительное устройство 11 подают топливо, например природный газ, под давлением, большим атмосферного. В устройстве 11 происходит смешивание топлива с воздухом, в результате чего образуется топливно-воздушная смесь. Топливно-воздушная смесь поступает по каналу 12 в камеру сгорания 1, в последней, по мере наполнения ее топливно-воздушной смесью, включают запальное устройство 2, от чего топливно-воздушная смесь мгновенно воспламеняется. В результате этого рабочее давление Рраб (фиг.5) в камере сгорания 1 мгновенно повышается до давления, большего давления воздуха и топлива в трубопроводах 6 и 9. При этом обратные клапаны 7 и 10 мгновенно закрываются, и горячий продукт сгораемой топливно-воздушной смеси направляется на охлаждаемую жидкостью боковую стенку 3 камеры сгорания 1, после чего направленный поток продуктов горения перемещается к открытому торцу 4 камеры сгорания 1 в выхлопные каналы 21.

После выхлопа продуктов горения через выхлопные каналы 21 давление в камере сгорания 1 резко уменьшается до величины Рразр (фиг.5), меньше атмосферного, при этом обратные клапаны 7 и 10 открываются под воздействием возникшего разрежения, а воздух и топливо опять устремляются в устройство 11, где смешиваются. Топливно-воздушная смесь направляется по каналу 12 в камеру сгорания 1 и мгновенно воспламеняется от горячих продуктов предшествующего горения топливно-воздушной смеси. Давление в камере сгорания 1 мгновенно повышается до Рраб, под его воздействием обратные клапаны 7 и 10 закрываются. Горячий продукт сгораемой топливно-воздушной смеси под давлением Рраб ударяется об охлаждаемую жидкостью стенку 3 камеры 1 и затем перемещается к выхлопным каналам. При выхлопе продуктов горения давление в камере сгорания 1 снова резко уменьшается до Рразр, обратные клапаны открываются. Процесс повторяется.

Пульсирующие потоки сгораемой топливно-воздушной смеси характеризуются высокими скоростями перемещения. Продольная ось 13 канала 12 подачи топливно-воздушной смеси в камеру сгорания расположена под углом к плоскости закрытого торца 5 и пересекает поверхность боковой стенки 3 камеры сгорания 1, а камера сгорания обычно имеет форму, близкую к цилиндрической, поэтому поток образовавшихся продуктов горения имеет характер закрученного по спирали вдоль охлаждаемой жидкостью боковой стенки камеры сгорания, что способствует более эффективному перемешиванию продуктов горения и снижению температур в зоне горения. Это обеспечивает полноту сгорания и снижение выбросов СО и NO_x.

Для одного из вариантов исполнения топки пульсирующего горения с газовой полостью 15 (фиг.3) дозирующие отверстия 8 распределены на группы, при этом каждая отдельная группа дозирующих отверстий расположена на соответствующем заданном расстоянии, например, от торца 5 камеры сгорания 1. Дозирующие отверстия разделены кольцевой не замкнутой перегородкой 17, разделяющей газовую полость на части, связанные между собой проходом 18. При подаче топлива из трубопровода 9 в полость 15 часть топлива попадает в смесительное устройство 11 через одну группу дозирующих отверстий 8, расположенных между закрытым торцом 5 и кольцевой не замкнутой перегородкой 17, а другая часть топлива с некоторой задержкой во времени попадает в смесительное устройство 11 через другую группу отверстий 8, расположенных за перегородкой 17. Для устройств пульсирующего горения, имеющих большую номинальную тепловую мощность, за счет разделения потоков топливного газа, поступающих в устройство 11, такое группирование и подбор взаимного расположения дозирующих отверстий позволяет получать в начальный момент при поджоге топливно-воздушной смеси от запального устройства плавный и мягкий без хлопков розжиг (фиг.5). Кроме того, такая распределенная во времени в пределах отдельного периода колебаний подача топлива способствует еще большей полноте сгорания топливно-воздушной смеси и уменьшению выбросов СО.

Таким образом, изобретение позволяет упростить конструкцию топки пульсирующего горения, обеспечить полноту сгорания топлива при низкой концентрации NO_x и СО в выхлопных газах.