ПАРОГЕНЕРАТОР (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к тепловым энергетическим установкам, а именно к парогенераторам, использующим в качестве компонентов топлива кислород и водород с добавлением балластной воды, и может быть использовано в паросиловых установках, где в качестве рабочего тела используется водяной пар. Изобретение также может быть использовано в химической технологии, где часто требуется получение водяного пара при различных давлениях и температурах.

Одной из проблем в данной области техники является создание эффективных и надежных парогенераторов. В частности существует проблема охлаждения камеры сгорания. Известно, что в камерах сгорания подобных парогенераторов водород-кислородное топливо сжигается при стехиометрическом соотношении компонентов топлива K_m=m_O2/m_H2=8, это означает, что температура в камере сгорания составляет около 3400 К. Такая высокая температура требует эффективного охлаждения камеры сгорания. В парогенераторах обычно используется вода, расходы которой достаточно велики. Таким образом, для надежного охлаждения камеры сгорания должны быть предусмотрены специальные средства.

Известны парогенераторы, работающие на топливе недород (окислитель) и водород (горючее), камера сгорания которых охлаждается одним из компонентов топлива. Например, подобные устройства защищены патентами RU №2358190 и RU №2358191, где в качестве охладителя используется горючее (водород), который затем подается в смесительную головку,

К недостаткам подобного решения можно отнести то, что, несмотря на исключительно высокие охлаждающие свойства водорода (высокая теплоемкость), для эффективного охлаждения камеры сгорания, где температура при стехиометрическом соотношении топлива достигает 3400 К, необходима трудоемкая конструкция охлаждающего тракта.

Известны устройства, подобные устройству защищенному патентом RU №2371594. Предлагаемое устройство содержит камеру сгорания, запальное устройство, испарительную камеру, устройство подвода воды в верхней части камеры сгорания, выполненное в виде втулки с тангенциальными каналами для закрутки воды. Охлаждение камеры сгорания осуществляется за счет создания водяной вихреобразной оболочки, внутри которой сжигают компоненты топлива. Водяная оболочка, защищающая стенку камеры сгорания, свертывается в промежуточном сопле. Испарение воды осуществляется в испарительной камере.

В качестве прототипа может быть рассмотрено устройство, защищенное патентом RU №2300049. Согласно данному решению парогенератор работает на компонентах топлива кислород и водород с добавлением балластной воды. Парогенератор включает смесительную головку с узлом зажигания, охлаждаемую камеру сгорания с рабочим каналом, камеру смешения с соплом и подводящие магистрали. Балластная вода обеспечивает наружное охлаждение камеры сгорания и подается в камеру смешения под углом к оси парогенератора.

Рассмотрим общие недостатки, характерные для всех рассмотренных технических решений.

В рассмотренных выше парогенераторах для перемешивания продуктов сгорания с балластной водой используется принцип эжекции (подсасывания) водяной пелены, поступающей из тракта охлаждения, скоростной струей продуктов сгорания, истекающей из промежуточного сопла. Принцип эжекции работает при условии высокой скорости рабочего (эжектирующего) потока, то есть в данном случае потока продуктов сгорания. Поэтому для его реализации требуется сопло с около критическим перепадом давления, в котором ускоряется поток продуктов сгорания топлива. Это означает, что давление в камере сгорания в 1,5-2 раза выше, чем в камере смешения, что потребует дополнительных усилий при обеспечении надежности охлаждения. Необходимо также отметить, что в данном случае давление генерируемого пара ограничивается возможностями системы подачи компонентов топлива.

Кроме того, использование принципа эжекции для эффективного дробления водяной пелены, перемешивания и испарения капель требует значительной длины камеры смешения, что увеличивает габаритные размеры устройства. При этом расход продуктов сгорания топлива должен быть примерно равен или больше расхода балластной воды.

Из графика фиг.1, где приведена зависимость температуры продуктов сгорания от массовой доли балластной воды при соотношении компонентов топлива (кислород:водород) K_m=8, видно, что условие m_пс≥m_Н2O (где m_пc и m_Н2O - расходы продуктов сгорания топлива и воды соответственно) ограничивает значения температуры генерируемого пара.

Таким образом, характерным недостатком для всех устройств с промежуточным соплом, работающим по принципу эжекции, является трудность организации эффективного перемешивания и испарения водяной пелены.

К недостаткам выбранного прототипа можно также отнести напряженный температурный режим камеры сгорания. Конструкция промежуточного сопла рассматриваемого прототипа предполагает наличие центрирующих ребер. Поэтому на начальном участке камеры смешения возможны разрывы водяной пелены и, следовательно, не исключено воздействие высокотемпературных продуктов сгорания на стенки камеры смешения в районе разрывов пелены.

Указанные недостатки устраняются в предлагаемом изобретении, задачей которого является интенсификация испарения балластной воды за счет ее лучшего перемешивания с продуктами сгорания топлива в широком диапазоне температур и давлений генерируемого пара, а также повышение надежности охлаждения камеры сгорания.

Достижение поставленной задачи решается двумя вариантами конструкций парогенератора.

В первом варианте изобретения предлагается конструкция парогенератора, который состоит из расположенных соосно и последовательно смесительной головки с узлом зажигания, охлаждаемой камеры сгорания, камеры смешения с соплом, внутренние полости которых образуют единый рабочий канал, а также включает подводящие магистрали окислителя, горючего и балластной воды. Смесительная головка снабжена расположенной в канале подвода окислителя по оси головки центробежной форсункой подвода части балластной воды. Между камерой сгорания и камерой смешения расположен узел ввода оставшейся части балластной воды, представляющий собой цилиндрическую вставку, снабженную центробежной форсункой, расположенной по оси камеры сгорания и направленной внутрь рабочего канала камеры сгорания.

Парогенератор по второму варианту состоит также из расположенных соосно и последовательно смесительной головки с узлом зажигания, охлаждаемой камеры сгорания, камеры смешения с соплом, внутренние полости которых образуют единый рабочий канал, а также включает подводящие магистрали окислителя, горючего и балластной воды. Смесительная головка снабжена расположенной в канале подвода окислителя по оси головки центробежной форсункой подвода части балластной воды. Между камерой сгорания и камерой смешения расположен узел ввода оставшейся части балластной воды, и отличается от первого варианта тем, что конструкция узла подачи балластной воды представляет собой вставку, имеющую внутренний сужающийся участок, диаметр которого на входе равен диаметру рабочего канала камеры сгорания. На поверхности сужающего участка вставки равномерно по окружности расположены под углом к оси камеры сгорания три или более центробежных форсунок, направленных внутрь рабочего канала камеры сгорания.

Применение центробежных форсунок для распыливания балластной воды в обоих вариантах конструкции парогенератора позволяет интенсифицировать процесс испарения балластной воды. Этот эффект достигается за счет того, что центробежная форсунка позволяет получить тонкую (порядка 0,2-0,4 мм) пелену воды, легко дробящуюся на мелкие капли, которые эффективно испаряются. Таким образом, в камере сгорания образуются продукты сгорания трехкомпонентного топлива (кислород, водород и вода) с температурой, пропорциональной доле добавляемой балластной воды (фиг.1), что снижает тепловую нагрузку на конструкцию камеры сгорания. Применение нескольких равномерно расположенных на сужающемся участке узла ввода балластной воды центробежных форсунок, в конструкции парогенератора по второму варианту, позволяет добиться более равномерного распыления воды по сечению рабочего канала, и, следовательно, более равномерного температурного поля генерируемого пара.

Большая часть процесса перемешивания и испарения балластной воды в предлагаемых устройствах протекает в камере сгорания, а в камере смешения в основном происходит доперемешиваине и окончательное выравнивание поля температур генерируемого пара. Это позволяет уменьшить продольный размер камеры смешения, а значит, и снизить общий габаритный размер парогенератора.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.2 и фиг.3 изображен общий вид парогенератора по варианту один и по варианту два соответственно. Согласно фигуре 2 парогенератор содержит:

1 - магистраль подвода горючего (водорода); 2 - смесительная головка; 3 - отверстия подачи горючего (водорода) в камеру сгорания; 4 - камера сгорания; 5 - магистраль подвода окислителя (кислорода); 6 - канал подвода окислителя; 7 - электросвеча узла зажигания; 8 -тракт охлаждения камеры сгорания; 9 - магистрали подачи балластной воды в тракт охлаждения камеры сгорания; 10 - центробежная форсунка смесительной головки; 11 - центробежная форсунка узла ввода балластной воды - 12; 13 - камера смешения; 14 - сопло; 15 - рабочий канал.

Парогенератор по варианту 2, поясняемый чертежом (фиг.3), имеет те же обозначения, что и на фиг.1, но узел ввода оставшейся части балластной воды в этом случае оснащен тремя или более центробежными форсунками 11, направленными внутрь рабочего канала камеры сгорания.

Предложенный парогенератор работает следующим образом:

Горючее (водород) по магистрали 1 подается в смесительную головку 2 и через отверстия 3 - в расширяющейся конической части головки поступает в камеру сгорания 4, заполняя при этом все внутренние полости смесительной головки, в том числе канал подвода окислителя (кислорода) 6. Подается напряжение на электросвечу 7 узла зажигания. Включается подача кислорода, который по магистрали 5 поступает канал подвода окислителя 6, при этом поступающий в камеру сгорания 4 кислород выталкивает перед собой горючее (водород), заполнившее канал подвода окислителя 6. Таким образом, через область пробоя искры электросвечи 7 проходят смеси водорода и кислорода в широком диапазоне соотношений, в момент прохождения оптимальной смеси происходит воспламенение. Тем самым обеспечивается надежное воспламенение компонентов топлива. Одновременно с подачей кислорода по магистрали 9 подается балластная вода в тракт охлаждения 8 камеры сгорания 4. После охлаждения камеры сгорания балластная вода собирается и разделяется на два потока, меньший и больший, меньший поступает к центробежной форсунке 10 смесительной головки 2 и внедряется в поток продуктов сгорания. Большая часть балластной воды поступает к центробежной форсунке 11 узла ввода 12, расположенной в конце рабочего канала 15 камеры сгорания 4 также по оси устройства и поступает в камеру сгорания против потока продуктов сгорания. В камере смешения 13 происходит окончательное перемешивание продуктов сгорания и балластной воды и выравнивание температурного поля получаемого водяного пара, который сбрасывается через сопло 14, обеспечивающее необходимый уровень давления в парогенераторе.

По второму варианту изобретения большая часть балластной воды после тракта охлаждения камеры сгорания поступает в узел ввода балластной воды 12 и через три или более центробежных форсунок 11 внедряется против потока продуктов сгорания под оптимальным углом к оси устройства. При этом обеспечивается более интенсивное перемешивание продуктов сгорания и балластной воды и, следовательно, более равномерное температурное поле генерируемого пара.

Ввод воды непосредственно в камеру сгорания парогенератора при помощи центробежных форсунок обеспечивает ее интенсивное перемешивание с продуктами сгорания компонентов топлива и интенсивное испарение балластной воды, одновременно снижается температура в рабочем канале камеры сгорания и, следовательно, тепловая нагрузка на камеру сгорания. Отсутствие промежуточного сопла в предлагаемом устройстве позволяет получать водяной пар в широком диапазоне температур и давлений в системе подачи компонентов топлива и парогенераторе. При этом обеспечивается более равномерное поле температур пара при меньших длинах камеры сгорания и камеры смешения.

Предложенная конструкция парогенератора обеспечивает получение водяного пара заданных параметров при обеспечении работоспособности конструкции с точки зрения надежного охлаждения, что подтверждается экспериментами, проведенными авторами на предлагаемом парогенераторе.