Результат интеллектуальной деятельности: ГАЗОГЕНЕРАТОР

Изобретение относится к топливной энергетике, а именно к газогенераторным устройствам, в основном использующим отходы лесопереработки. Изобретение преимущественно может быть использовано для питания двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС), а также для газификации и теплоснабжения в промышленности, сельском хозяйстве, для автономных поселений и т.д.

Известны конструкции газогенераторов, содержащих вертикально расположенный корпус, дутьевой канал с отверстиями (фурмами), канал отвода газа и разделительную перегородку (колосниковую решетку). [2, 3, 4]. Технические и конструктивные параметры газогенераторов рассчитывались из условия обеспечения генераторным газом ДВС на режиме максимальной мощности, т.е. для максимальной производительности по генераторному газу. На переходных режимах работы ДВС, а также режимах неполной его загрузки энергетическая ценность генераторного газа снижается. Это происходит вследствие снижения скорости воздушного дутья через фурмы, т.к. снижается объем просасываемого ДВС воздуха через газогенератор, а суммарное проходное сечение фурм остается неизменным. Ввиду этого падает температура в реакционной зоне газогенератора, уменьшается ее активная площадь, снижаются скорости восстановительных реакций, так как данные реакции протекают с поглощением теплоты. Также следует отметить большую инерционность процесса газификации.

Недостатками данных газогенераторов является следующее:

- снижение энергетической ценности генераторного газа на переходных режимах, а также режимах неполной его загрузки;

- низкая эффективность процесса газификации и, как следствие, снижение однородности состава генераторного газа на переходных режимах, а также режимах неполной его загрузки;

- большая инерционность процесса газификации в газогенераторе, вследствие чего низкая «приемистость» ДВС при резком возрастании его загрузки.

Прототипом предлагаемого газогенератора является газогенератор, содержащий вертикально расположенный корпус, индивидуальные дутьевые каналы с фурмами на конце, канал отвода газа [1].

У прототипа [1] невозможно индивидуальное управление дутьевыми фурмами в процессе работы газогенератора. Конструктивные параметры газогенератора рассчитаны из условия обеспечения генераторным газом ДВС на режиме максимальной мощности, то есть для максимальной производительности по генераторному газу. На переходных режимах работы ДВС, а также режимах неполной его загрузки энергетическая ценность генераторного газа снижается. Это происходит вследствие снижения скорости воздушного дутья через фурмы, так как снижается объем просасываемого ДВС воздуха через газогенератор, а суммарное проходное сечение фурм остается неизменным. Ввиду этого падает температура в реакционной зоне газогенератора, уменьшается ее активная площадь, снижаются скорости восстановительных реакций.

Недостатками данного газогенератора является следующее:

- снижение энергетической ценности газа на переходных режимах, а также режимах неполной его загрузки;

- низкая эффективность процесса газификации и, как следствие, снижение однородности состава генераторного газа на переходных режимах, а также режимах неполной его загрузки;

- большая инерционность процесса газификации в газогенераторе.

Техническим результатом изобретения является повышение энергетической ценности генераторного газа на переходных режимах, повышение эффективности процесса газификации, снижение инерционности газогенератора.

Для достижения указанного технического результата газогенератор содержит цилиндрическую камеру газификации 4, установленную вертикально. Верхняя часть камеры газификации снабжена загрузочным люком с запорным механизмом 5. Нижняя часть камеры газификации снабжена зольниковой решеткой 13 и зольниковым люком 14. Атмосферный воздух, необходимый для процесса газификации, подается по воздушному патрубку 1 через трехходовой электромагнитный клапан 2 в воздушный коллектор 3 и далее через систему электромагнитных клапанов 6 индивидуально к дутьевым фурмам, расположенным в зоне фурменного пояса 12, по трубкам 8. Камера газификации вместе с газовым резервуаром 9 помещена в термоизоляционный футляр 10 и внешний защитный кожух 11. Для удобства обслуживания камера газификации установлена на опоры 15. Отбор генераторного газа осуществляется в верхней части газового резервуара через газоотводный патрубок 7. Для розжига газогенератора используется технологический люк 16. Вентилятор 19, обратный клапан 18 и воздушный резервуар 17 являются форсажным воздушным контуром, который используется как при первоначальном розжиге газогенератора, так и для снижения инерционности процесса газификации в газогенераторе. Схема общего вида газогенератора представлена на рисунке 1.

Газогенератор работает следующим образом. Камера газификации заполняется небольшой, затравочной порцией древесного угля (для первого запуска газогенератора, если газогенератор ранее работал, то древесный уголь не нужен) и твердым топливом для газификации (древесина или отходы ее переработки). После загрузки верхний и нижний люки должны быть герметично закрыты. Блок управления газогенератора переводится в позицию «запуск 1», при этом запускается вентилятор для создания избыточного давления в воздушном резервуаре. Через технологический люк осуществляется розжиг древесного угля, находящегося на зольниковой решетке. Блок управления газогенератора переводится в позицию «запуск 2», при этом открываются трехходовой электромагнитный клапан, пропуская воздух под давлением из воздушного резервуара в воздушный коллектор, и электромагнитные клапаны управления дутьевыми фурмами. Воздух, попадая через фурмы в камеру газификации в районе фурменного пояса, начинает взаимодействовать с древесным углем. Температура в реакционной зоне возрастает. Когда газогенератор выйдет на рабочий режим и из газоотборного патрубка пойдет горючий генераторный газ, блок управления газогенератора переводится в позицию «автомат» и производится запуск ДВС, работающего совместно с данным газогенератором. При этом трехходовой электромагнитный клапан перекрывает воздушный резервуар, соединяя воздушный коллектор с атмосферой, вентилятор создает определенное избыточное давление в воздушном резервуаре и отключается, электромагнитные клапаны фурм открываются и закрываются в зависимости от режима работы ДВС.

В случае резкого возрастания нагрузки на ДВС, в работу автоматически включается форсажный воздушный контур. При этом трехходовой электромагнитный клапан перекрывает доступ к атмосферному воздуху, присоединяя воздушный резервуар с избыточным давлением к воздушному коллектору. Запускается вентилятор. Открываются все электромагнитные клапаны фурм. Возрастает объем производства генераторного газа, что позволяет ДВС быстрее справится с пиком нагрузки и найти новый равновесный режим работы. Далее трехходовой электромагнитный клапан перекрывает воздушный резервуар, соединяя воздушный коллектор с атмосферным воздухом, вентилятор создает определенное избыточное давление в воздушном резервуаре и отключается, электромагнитные клапаны фурм открываются и закрываются в зависимости от режима работы ДВС.

По выработке топлива в камере газификации, камера загружается снова и цикл повторяется.

В газогенераторе используется принцип параметрического регулирования рабочего процесса в плоскости фурменного пояса. Газогенератор отличается от традиционных газогенераторов наличием индивидуального подвода воздуха к каждой дутьевой фурме, это позволяет не только повысить эффективность процесса газификации в газогенераторе за счет подогрева воздуха, подаваемого в реакционную зону через фурмы, но и при помощи системы электромагнитных клапанов изменять число задействованных фурм, поддерживая постоянной скорость истечения воздушного факела из фурмы при различных режимах работы газогенератора. Для поддержания температуры и рабочей площади реакционной зоны постоянными на переходных (не номинальных) режимах происходит чередование в работе фурм. Также возможен и импульсный режим работы дутьевых фурм. Для улучшения приемистости ДВС при переходных режимах газогенератор снабжен форсажным воздушным контуром.

На рисунке 2 представлена схема распределения факела воздушного дутья из фурм газогенератора, использующего принцип параметрического регулирования рабочего процесса в плоскости фурменного пояса:

а) номинальный режим (ДВС работает на полную мощность, расход генераторного газа максимальный);

б) ½ номинального режима;

в) режим холостого хода ДВС.

На рисунке 3 представлены факелы сжигаемого генераторного газа, полученные при различных режимах работы газогенератора, выбранного в качестве прототипа.

Структура пламени факела сжигаемого генераторного газа показывает изменение качественного и количественного состава генераторного газа при изменении скорости и объема воздушного дутья в газогенераторе, выбранного в качестве прототипа.

Факел «А» получен при расходе генераторного газа 75% от номинального.

Факел «Б» получен при расходе генераторного газа 50% от номинального.

Факел «В» получен при расходе генераторного газа 25% от номинального.

Факел «Г» получен при максимальной производительности газогенератора по генераторному газу (100% расходе генераторного газа).

При снижении объема потребления генераторного газа снижается температура в реакционной зоне газогенератора. Это приводит к тому, что продукты сухой перегонки древесины, содержащие сложные по структуре химических связей компоненты (спирты, смолы и т.д.), не подвергаются термическому разложению в реакционной зоне газогенератора. Длина и структура факела меняется, пламя приобретает оранжевый цвет, появляется копоть на окружающих факел поверхностях. Для сравнения также приведен факел сжигаемого генераторного газа, при максимальной производительности газогенератора по генераторному газу (100% расходе генераторного газа). Пламя голубоватого цвета, на окружающих факел поверхностях нет копоти.

Так как основным потребителем генераторного газа является ДВС, для определения качественных характеристик генераторного газа было проведено индицирование ДВС. (Индицирование - измерение давления в цилиндре двигателя при его работе.)

Результаты экспериментов показаны в таблице.

Результаты экспериментов показали следующее.

При использовании заявляемого газогенератора повышается эффективность процесса газификации, о чем свидетельствует данные, приведенные в таблице. Анализ данных, указанных в таблице, показывает уменьшение изменения давления в цилиндре ДВС на переходных режимах работы по сравнению с выбранным в качестве прототипа газогенератором, что говорит о повышении энергетической ценности генераторного газа. Так как давление в цилиндре ДВС при прочих равных условиях зависит от энергетической ценности генераторного газа, подаваемого в цилиндры двигателя.

На рисунке 4 представлена графическая зависимость состава выхлопных газов и частоты вращения коленчатого вала ДВС при резком увеличении нагрузки на ДВС при работе с газогенератором, выбранным в качестве прототипа. Время переходного процесса по стабилизации частоты вращения коленчатого вала ДВС составляет 31 секунду.

На рисунке 5 представлена графическая зависимость состава выхлопных газов и частоты вращения коленчатого вала ДВС при резком увеличении нагрузки на ДВС при работе с заявляемым газогенератором.

Время переходного процесса частоты вращения коленчатого вала ДВС составляет 7 секунд, что подтверждает снижение инерционности заявляемого газогенератора по сравнению с газогенератором, выбранным в качестве прототипа. Длительность переходного процесса снижается в 4 раза, что подтверждает снижение инерционности заявляемого газогенератора по сравнению с прототипом.

Использование параметрического регулирования рабочего процесса в плоскости фурменного пояса в генераторе позволило:

- оптимизировать температуру в реакционной зоне газогенератора, и, как следствие, активная площадь реакционной зоне газогенератора остается практически неизменной на всех режимах работы ДВС, скорость воздушного дутья в фурме остается постоянной за счет изменения количества задействованных дутьевых фурм, так как каждой дутьевой фурмой управляет свой электромагнитный клапан;

- введение в конструкцию газогенератора форсажного воздушного контура улучшает «приемистость» ДВС при резком возрастании его загрузки.

Проведенные исследования по патентным и научно-техническим источникам свидетельствуют, что предлагаемое устройство неизвестно и не следует явным образом из изученного уровня техники, следовательно, соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Заявляемый газогенератор может быть изготовлен в условиях любого предприятия, с использованием стандартного отечественного или импортного оборудования, известных технологий и материалов.

Таким образом, заявляемый газогенератор соответствует критерию «промышленная применимость».

Предлагаемая совокупность существенных признаков сообщает заявляемому газогенератору новые свойства, позволяющие получить указанный технический результат.

Источники информации

1. Патент US 2011/0023363 A1.

2. Н.Г. Юдушкин. Газогенераторные тракторы /Теория, конструкция, расчет/ М. - 1955 г. МАШГИЗ, 16 п.л.

3. Г.Г. Токарев. Газогенераторные автомобили. М. - 1955 г. МАШГИЗ, 13 п.л.

4. И.С. Мезин. Транспортные газогенераторы. ОГИЗ СЕЛЬХОЗГИЗ. М. - 1948 г.