Жидкотопливное горелочное устройство

Изобретение относится к теплоэнергетике, к ротационным горелочным устройствам на жидком топливе, например, на жидких горючих смесях, эмульсиях, нефти, газовом конденсате, а также на всех видах мазута. Может использоваться в системах теплоснабжения для промышленных предприятий, жилых объектов и инфраструктуры, находящихся вне зоны централизованного теплоснабжения, изолированных от линий подачи топлива.

Известна ротационная горелка для жидкого топлива по патенту РФ на изобретение №2083921, F23D 11/04, 1997. ротационная горелка содержит корпус с полым валом внутри для подачи жидкого топлива. На одном конце вала расположена форсунка и разбрызгиватель, установленный в корпусе соосно с полым валом с возможностью принудительного вращения от привода. Горелка содержит вентилятор подачи первичного воздуха, каналы подачи вторичного и третичного воздуха. Разбрызгиватель выполнен в виде втулки с конической внутренней поверхностью, расширяющейся в направлении открытого торца, у другого закрытого торца размещена форсунка с возможностью подачи топлива на коническую поверхность. Недостатком является необходимость использования дополнительного вентилятора, нагнетающего необходимое количество воздуха, достаточного для распыла, обеспечивающего горение жидкого топлива. Также недостатком является низкая полнота сгорания топлива, в частности мазута, вызывающая быстрый износ элементов устройства, снижающая его КПД.

Известна ротационная горелка для жидкого топлива по патенту РФ на изобретение №2203449, F23D 11/04, 2003. Горелка содержит установленный на корпусном элементе двигатель, с валом которого связаны смонтированные соосно разбрызгивающий стакан и рабочее колесо вентилятора подачи первичного воздуха. В объем разбрызгивающего стакана открыт выходной конец топливоподающей трубки, соединенной входным концом с системой подачи жидкого топлива. Вал двигателя выполнен со сквозной соосной проточкой, через которую пропущена топливоподающая трубка. Разбрызгивающий стакан установлен на ступице рабочего колеса вентилятора. Недостатком является малый расход воздуха, поступающего с вентилятора, которого недостаточно для мелкого распыливания топлива, обеспечивающего необходимую полноту сгорания топлива.

В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбрана горелка для сжигания жидкого топлива по патенту РФ на изобретение №2248503, F23D 11/04, 2004. Горелка содержит корпус с размещенным внутри полым валом для подачи топлива. Вал установлен с возможностью вращения, на валу закреплены лопатки вентилятора, привод, форсунка, установленная в конусном стакане. Вал выполнен полым для прохода топлива к форсунке, размещен соосно с полым валом горелки и соединен с ним. Недостатком также является низкое давление воздуха в зоне распыла топлива, F23D 11/04, крупные частицы топлива при распыле, приводящие к неполному сгоранию топлива, снижают эффективность горения. Кроме того, в устройстве не предусмотрен механизм регулирования расхода топлива.

Технической задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности горения топлива.

Технический результат заключается в повышении степени сгорания топлива. Технический результат достигается за счет того, что в жидкотопливном горелочном устройстве, содержащем корпус, полый вал, на выходном конце полого вала установлен конусный распыливающий стакан, распыливающий стакан размещен внутри неподвижного выходного патрубка, входной конец полого вала выполнен с возможностью введения в него жидкого топлива, согласно изобретению полый вал является валом частотного электродвигателя, который используют в качестве привода, на полом валу со стороны входного конца установлено рабочее колесо первого вентилятора, на полом валу со стороны выходного конца установлено рабочее колесо второго вентилятора, первый вентилятор соединен воздушными каналами со вторым вентилятором и с выходным отверстием корпуса, выходной патрубок соединен с фланцевой крышкой второго вентилятора с образованием конфузора с кольцевым выходным отверстием, второй вентилятор соединен воздушным каналом с выходным отверстием конфузора, частотный электродвигатель связан с блоком управления, который связан с датчиками давления и с устройством подачи топлива.

В жидкотопливном горелочном устройстве на входе первого вентилятора установлен воздухозаборник.

Технический результат обеспечивается использованием в устройстве двух вентиляторов - первого вентилятора низкого давления на входе и второго вентилятора высокого давления на выходе. Рабочее колесо первого вентилятора низкого давления установлено на полом валу частотного электродвигателя со стороны всасывания воздуха в корпус горелочного устройства, т.е. на валу до входа его во входное отверстие корпуса двигателя, который используют в качестве привода. Второй вентилятор высокого давления установлен на полом валу привода с противоположной стороны корпуса двигателя, т.е. на выходной части вала двигателя. Выход первого вентилятора низкого давления соединен воздушным каналом со входом второго вентилятора высокого давления и с выходным отверстием корпуса горелочного устройства, за счет этого происходит разделение на две части потока воздуха от первого вентилятора. Одна часть направляется непосредственно к факелу горелки для обеспечения притока воздуха, необходимого для горения. Вторая часть подается на вход второго вентилятора, образуя при этом ступенчатое повышение давления воздуха подаваемого для распыливания топлива, стекающего со стенок стакана под действием центробежных сил, возникающих при вращении до 8000 об/мин.

Размещение распыливающего стакана в неподвижном выходном патрубке, являющемся выходом конфузора, и соединение вентилятора высокого давления воздушным каналом с выходным отверстием конфузора, позволяет направить поток воздуха повышенного давления в зону разбрызгивания топлива. Это позволяет получить мелкодисперсный распыл жидкого топлива на выходе из устройства, что обеспечивает повышение степени сгорания топлива и способствует повышению эффективности работы горелочного устройства. Кроме того, использование в устройстве двух вентиляторов, размещенных на одном валу частотного электродвигателя, исключает использование дополнительного вентилятора для подачи наружного воздуха в устройство, за счет чего исключается расход энергии на отдельный привод дополнительного вентилятора. Исключается дополнительная кинематическая связь между дополнительным вентилятором и его отдельным приводом, что увеличивает многократно, до 18000 часов, наработку на отказ горелочного устройства, в отличие от имеющихся аналогов, где вал раскручивается через шкивы приводными ремнями. Наличие связи блока управления с приводным устройством, с датчиками давления, установленными в корпусе вблизи каждого из вентиляторов и с устройством подачи топлива позволяет сократить энергозатраты на регулирование расхода с помощью шиберных заслонок дополнительного вентилятора. Все это позволяет значительно увеличить частоту вращения полого вала и добиться более высоких оборотов. В результате работы горелочного устройства создается тончайшая пленка топлива, равномерно распределенная по внутренней поверхности распыливающего стакана, при отрыве этой пленки от кромки стакана образуется чрезвычайно тонкая равномерная пленка, которая обеспечивает сжигание тяжелых видов топлив практически без механического недожога.

На фигуре 1 представлена схема жидкотопливного горелочного устройства.

На фигуре 2 представлен выходной конец конфузора с распыливающим стаканом.

Жидкотопливное горелочное устройство содержит электродвигатель 1, установленный в корпусе 2. Со стороны входной части устройства на полом валу 3 электродвигателя 1 установлено рабочее колесо 4 первого вентилятора, со стороны выходной части устройства на полом валу 3 установлено рабочее колесо 5 второго вентилятора. Первый вентилятор снабжен воздухозаборником 6. Полый вал 3 выполнен с возможностью подачи в него жидкого топлива, для этого он соединен с линией подачи топлива 7, регулятором расхода топлива 8, исполнительным механизмом 9, функцией которого является регулирование подачи топлива. Корпус 2, с которым соединен фланец 10 второго вентилятора, соединен с выходным патрубком 11 с образованием зазора 12 для прохождения воздушного потока от вентилятора 4. Фланец 10 второго вентилятора соединен с корпусом 2 и с неподвижным патрубком. Неподвижный патрубок и соединенный с ним фланец 10 второго вентилятора образуют конфузор 14. На выходном конце полого вала 3 вокруг отверстия для выхода топлива закреплен распыливающий стакан 13. Выходной конец полого вала 3 с распыливающим стаканом 13 помещен внутрь неподвижного патрубка. На линии подачи топлива 7 установлено устройство подачи топлива, включающее отсечной клапан 15, манометр 16, расходомер 17. Первый и второй вентиляторы связаны с блоком управления 21, через который соединены с датчиком температуры 18, с датчиком низкого давления 19 и с датчиком высокого давления 20.

Жидкотопливное горелочное устройство работает следующим образом. С одновременным пуском частотного электродвигателя 1 из линии подачи топлива 7 внутрь полого вала 3 электродвигателя 1 подают жидкое топливо такое, как все виды мазутов, в том числе тяжелые мазуты марок 100 и 200, нефть, дизельное топливо, стабилизированный газовый конденсат,; масла, смолы. Через воздухозаборник 6 большой объем воздуха из окружающей среды поступает на рабочее колесо 4 первого вентилятора - вентилятора низкого давления, на выходе которого образуется поток воздуха давлением около 2 кПа. На воздухозаборнике 6 установлена шиберная заслонка, которая служит для изменения максимальной мощности для разных теплопроизводящих агрегатов, отличающихся по мощностным характеристикам и аэродинамическому сопротивлению камеры сгорания. Поток воздуха направляется по воздушному каналу вдоль электродвигателя 1. Воздушный канал, соединяющий первый вентилятор со вторым, образован зазором между внутренней поверхностью корпуса 2 и наружной поверхностью электродвигателя 1. Поток воздуха проходит в этом зазоре и делится далее на две части. Одна часть сохраняет направление вдоль внутренних стенок корпуса 2 и выходит через выходное отверстие корпуса 2, подавая воздух для горения топлива. Вторая часть потока от первого вентилятора поступает на рабочее колесо 5 второго вентилятора - вентилятора высокого давления. Происходит каскадное увеличение давления воздуха на выходе второго вентилятора до 7 кПа. Такое давление необходимо для качественного распыла топлива, поступающего из выходного отверстия полого вала 3 в распыливающий стакан 13. Внутренняя поверхность стенок распыливающего стакана 13 выполнена конусной. Оптимальный угол раскрытия створа распыливающего стакана составляет 18° в средней его части и 36° - на выходе, у кромки стакана 13. Это позволяет создать тонкую пленку топлива, сходящую с кромки стакана 13. Топливная жидкость, которая выходит из выходного отверстия полого вала электродвигателя 1 под действием центробежной силы, закручивается и растекается вдоль стенок распыливающего стакана 13. Центробежная сила создается за счет вращения полого вала 3, на котором установлен распыливающий стакан 13. Между стенками конфузора 14 и распыливающим стаканом 13 идет воздушный поток воздуха высокого давления от вентилятора 5 для распыливания топлива. По зазору между выходным патрубком 11 и конфузором 14 идет поток воздуха низкого давления от вентилятора 4 для горения. Поток воздуха повышенного давления, попадающий на внешние стенки стакана 13, ускоряется, выходит через кольцевую выходную щель конфузора 14 и равномерно разбивает топливную пленку, сходящую с кромки распыливающего стакана 13, на мелкие частицы. Кольцевая выходная щель конфузора 14 образована зазором между кромками распыливающего стакана 13 и неподвижного патрубка. Изменение расхода воздуха, подаваемого на горение, производят при помощи изменения частоты вращения вентиляторов низкого и высокого давления, работающих от одного привода. Датчик низкого давления 19 определяет давление в корпусе 2 вблизи первого вентилятора - вентилятора низкого давления, датчик высокого давления 20 - вблизи второго вентилятора. При настройке датчика высокого давления задается более высокое значение давления до 7 кПа для работы системы управления. Сигналы с датчиков 19 и 20 передаются на блок управления 21, после чего происходит автоматическое регулирование частоты вращения вала электродвигателя 1. Электродвигатель 1 плавно изменяет число оборотов от 2000 до 8000 об/мин при помощи частотного преобразователя. Сигналы с блока управления 21 подаются также на устройство подачи топлива 8 и на исполнительный механизм 9, в результате чего происходит регулируемая подача жидкого топлива внутрь полого вала 3. Изменение мощности горелочного устройства происходит плавно, без рывков за счет изменения частоты вращения рабочих колес 4 и 5 на валу 3 электродвигателя 1. За счет такого изменения частоты вращения вала 3 с рабочими колесами 4 и 5 изменяется расход воздуха, подаваемый в зону горения и на распыл топливной пленки.

За счет особенностей конструктивного исполнения горелочного устройства, выражающихся в использовании двух вентиляторов, размещенных на одном приводном валу электродвигателя, резко возрастает его мощность. Типоразмеры горелочных устройств унифицированы по подаче воздуха в диапазоне от 150 до 5000 кВт. Устройство не требовательно к фильтрации топлива и позволяет сжигать загрязненные и особо вязкие горючие жидкости, содержащие взвешенные твердые частицы с размером зерна, доходящим до 0,2 мм, что невозможно при использовании аналогов. Устройство позволяет использовать все имеющиеся горючие жидкости с вязкостью до 44 сСт и с температурой нагрева топлива до 100°С для особо тяжелых горючих жидкостей. Основными преимуществами заявляемого устройства являются частотный привод вращения вентиляторов подачи воздуха, выполнение вала электродвигателя полым, наличие вентиляторов первичного и вторичного воздуха, электронное регулирование подачи и учета топлив, программируемая и настраиваемая связь топливо-воздух в зависимости от выбранного топлива.

Таким образом, изобретение позволяет улучшить эффективность работы устройства за счет повышения степени сгорания топлива.