Горелочное устройство

Горелочное устройство

Реферат

 

Изобретение относится к области энергетики, в частности горелочным устройствам, и может быть использовано в автомобильной промышленности. Для повышения интенсивности горения и предотвращения коксообразования в капиллярной структуре испарительного элемента и, следовательно, повышения надежности и мощности работы горелочного устройства на боковой поверхности сопла подачи воздуха выполнено не менее двух рядов разнесенных по высоте сопла подачи воздуха одинаковых по количеству и симметрично размещенных продольных радиальных отверстий, причем каждое отверстие верхнего ряда размещено на линии, равноудаленной от двух ближайших нижних отверстий. Дополнительно введен формирователь вихревых потоков, расположенный между соплом подачи воздуха и испарительной капиллярной структурой, имеющий осесимметричную поверхность, в котором выполнены продольные отверстия, причем отверстия на формирователе вихревых потоков смещены относительно отверстий на сопле подачи воздуха на 1/2 угла, образованного двумя соседними отверстиями последнего, а участок поверхности формирователя вихревых потоков между отверстиями имеет радиус кривизны меньший, чем расстояние от оси сопла подачи воздуха до ближайшего элемента поверхности формирователя вихревых потоков. Кроме того, формирователь вихревых потоков газоплотно или с зазором прилегает нижним основанием к испарительной капиллярной структуре, размещенной на торцевой поверхности топочной камеры, а верхним к стабилизатору пламени. Между отверстиями на поверхности формирователя вихревых потоков на месте попадания струи воздуха выполнен локальный продольный выступ длиной, равной высоте отверстий на сопле подачи воздуха. 4 ил.

Изобретение относится к области энергетики, в частности горелочным устройствам, и может быть использовано в автомобильной промышленности.

В качестве аналога было выбрано устройство "Камера сгорания горелки для отопительного прибора транспортного средства или для фильтра для улавливания частиц отработанных газов" фирмы И.Эбершпехер PCT/DE 95/00614 от 06.05.95 г. , которое имеет торцовую ограничительную стенку, круговую ограничительную стенку, штуцер для размещения свечи накаливания и штуцер для подачи необходимого для сгорания воздуха, изготовленные методом точного литья. Сопло для подачи воздуха имеет продольные прорези, с постоянной или изменяющейся к низу шириной. Данная камера сгорания выполнена по принципу испарительной камеры, т.е. имеет пористую футеровку из различных материалов. На пути потока, необходимого для сгорания воздуха, перед штуцером для подачи воздуха предусмотрено устройство для создания завихрения потока - завихритель.

Однако при эксплуатации данному устройству присуще образование углесодержащих отложений, кроме того, в камере сгорания имеются зоны с низким содержанием кислорода, что также приводит к образованию углесодержащих отложений, следовательно, снижается интенсивность горения, мощность и кпд горелки. Кроме того, данная камера сгорания может быть вмонтирована в линию отвода отработавших газов в качестве фильтра для улавливания сажи, который через определенные промежутки времени должен очищаться от отфильтрованных частиц. Такая унификация данного устройства приводит к значительному усложнению конструкции горелочного устройства [1].

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению, выбранным в качестве прототипа, является горелочное устройство [2], содержащее топочную камеру (1) с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру с торцевой ограничительной стенкой (2), в которой выполнено центральное отверстие с входящим коаксиально с осью в топочную камеру соплом подачи воздуха (3), воздух в которое подается завихрителем. С внутренней стороны цилиндрической ограничительной стенки расположена испарительная капиллярная структура (4), формирователь вихревых потоков (5), штуцер для установки свечи (6), жаровая труба (7) и стабилизатор пламени (8). На боковой поверхности сопла подачи воздуха выполнено не менее двух рядов разнесенных по высоте сопла подачи воздуха одинаковых по количеству и симметрично размещенных продольных радиальных отверстий, причем каждое отверстие верхнего ряда размещено на линии, равноудаленной от двух ближайших нижних отверстий. Формирователь вихревых потоков расположен между соплом подачи воздуха и испарительной капиллярной структурой, размещенной как на цилиндрической, так и на торцевой ограничительных стенках топочной камеры. Формирователь вихревых потоков газоплотно или с зазором прилегает нижним основанием к испарительной капиллярной структуре, размещенной на торцевой поверхности топочной камеры, а верхним - к стабилизатору пламени.

Недостатками данного горелочного устройства являются ограничения по скорости смешения компонентов горючей смеси и соответственно по наращиванию мощности горелочного устройства, обусловленные особенностями конструкции сопла подачи воздуха.

Техническим результатом является повышение скорости смешения, а следовательно, мощности и кпд горелочного устройства.

Технический результат достигается тем, что сопло подачи воздуха выполнено в виде цилиндра или усеченного конуса с многорядными продольными щелевыми отверстиями, у края которых на пути истечения воздушных струй размещены направляющие лопасти, причем у части рядов отверстий направляющие лопасти расположены на внешней поверхности сопла, а у остальных - на внутренней.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого горелочного устройства, включающий топочную камеру с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру (1), с торцевой ограничительной стенкой (2), в которой выполнено центральное отверстие с входящим коаксиально с осью в топочную камеру соплом подачи воздуха (3), причем на его боковой поверхности выполнено не менее двух рядов разнесенных по высоте сопла одинаковых продольных щелевых отверстий, у края которых на пути истечения воздушных струй размещены направляющие лопасти (4), завихритель потока воздуха (5), с внутренней стороны цилиндрической и торцевой ограничительных стенок расположена испарительная капиллярная структура (6), формирователь вихревых потоков (7), штуцер для установки свечи (8), жаровую трубу (9), стабилизатор пламени (10).

На фиг. 2 дан общий вид и сечение сопла подачи воздуха с направляющими лопастями.

На фиг. 3 изображено двухрядное сопло, формирующее противоположно закрученные вихревые потоки.

На фиг.4 дана схема трехрядного сопла с сечениями каждого ряда.

Основным назначением сопла подачи воздуха горелочного устройства является преобразование закрученного потока воздуха внутри сопла подачи воздуха в совокупность прямоточных потоков, истекающих из щелевых отверстий на боковой поверхности. В щели происходит "развихрение" струи воздуха, втекающей в щель, и ее трансформация в прямолинейно движущийся поток.

Однако "развихрение" воздушного потока на продольных отверстиях сопла имеет ряд существенных ограничений и недостатков.

Во-первых, принципиальным недостатком является то, что внутренние, не прилегающие к поверхности сопла завихренные слои выходят через верхний срез сопла подачи воздуха и не участвуют в горении. Следовательно, для обеспечения требуемой мощности тепловыделения приходится прокачивать через сопло подачи воздуха поток значительно больший, чем требуется при условии участии в горении всего поступающего в сопло воздуха. Вследствие этого воздух, не расходуемый в горении, отбирает часть теплоты и тем самым дополнительно снижает кпд горелочного устройства.

Во-вторых, величина базы развихрения ограничена толщиной сопла, увеличение же толщины приводит к резкому возрастанию аэродинамического сопротивления для протекания воздуха, что соответственно снижает массу и энергию вытекающих струй.

В-третьих, существуют большие технологические трудности при попытках придать базе развихрения сложную криволинейную форму, требуемую для получения развихренного прямолинейного потока, имеющего как радиальные, так и продольные относительно сопла подачи воздуха составляющие.

С целью повышения полноты и скорости смешения компонентов сопло подачи воздуха предлагаемого устройства имеет направляющие лопасти, которые значительно увеличивают длину пути развихрения и дополнительно выводят потоки, не прилегающие к внутренней поверхности сопла, что и позволяет эффективно выводить завихренный поток воздуха через боковые отверстия (фиг.2), причем направляющие лопасти выполнены как на внешней, так и внутренней поверхности сопла. Использование различных сочетаний ориентации в пространстве направляющих лопастей на внутренней и внешней поверхностях сопла за счет подбора угла наклона и формы поверхности направляющих лопастей позволяет организовать различные пространственные структуры воздушных струй в зоне горения. Одной из наиболее эффективных конфигураций, истекающих из боковых щелей сопла подачи воздуха струй, является движение закрученных в противоположных направлениях потоков в зоне горения сформированными воздушными струями соседних рядов (фиг.3).

Устройство работает следующим образом.

В момент запуска горелочного устройства к испарительному элементу (6), выполненному в виде металловолокнистой структуры через штуцер для установки свечи (8) подводится жидкое горючее. Под действием капиллярных сил горючее впитывается и растекается по поверхности металлических волокон. При нагревании пропитанного топливом испарительного элемента (6) осуществляется интенсивное испарение. С участков поверхности испарительного элемента (6), размещенных на торцевой ограничительной стенке (2), пары горючего поступают непосредственно в топочную камеру (1). Струи воздуха из продольных отверстий на боковой поверхности сопла подачи воздуха (3) попадают на направляющие лопатки (4), которые значительно увеличивают величину пути развихрения, кроме того, дополнительно выводят потоки, не прилегающие к внутренней поверхности сопла, что и позволяет равномерно выводить завихренный поток воздуха через боковые отверстия.

В зависимости от формы и ориентации направляющих лопастей формируются различные пространственные структуры воздушных струй и соответственно различные механизмы их взаимодействия и влияния на интенсивность смешения и горения горючей смеси.

При плоской форме направляющих лопастей и ориентации их по нормали по отношению к поверхности сопла подачи воздуха формируются прямолинейно движущиеся радиальные, воздушные струи. При этом механизм перемешивания и горения аналогичен соответствующим процессам в горелочном устройстве - прототипе. В момент запуска горелочного устройства к испарительному элементу (6), выполненному, например, в виде металловолоконной структуры - через штуцер для установки свечи (8) подводится жидкое топливо. Под действием капиллярных сил горючее впитывается и растекается по поверхности металлических волокон. При нагревании пропитанного топливом испарительного элемента (6) осуществляется интенсивное испарение. С участков поверхности испарительного элемента пары горючего поступают непосредственно в топочную камеру (1). Струи воздуха из продольных отверстий на боковой поверхности с сопла подачи воздуха (3), попадая на поверхность формирователя вихревых потоков (7), образуют вихревые зоны. Турбулентный характер вихревых зон обеспечивает эффективное перемешивание паров горючего с воздухом. При поджиге данной горючей смеси осуществляется интенсивное горение с выделением тепловой энергии.

Наличие двух и более рядов отверстий на боковой поверхности сопла подачи воздуха (3), смещенных друг относительно друга, приводит к формированию по высоте топочной камеры кольцевых слоев со смещенными по фазе вихревыми зонами. При смещении рядов отверстий на сопле подачи воздуха вихревые зоны верхнего и находящегося под ним соседнего нижнего слоя будут размещаться друг под другом в противоположных направлениях. При этом на границе раздела слоев возникает еще более высокая турбулизация и как следствие еще более интенсивное горение.

Следует отметить, что действие описанного механизма перемешивания и турбулизации воздушных потоков основано на взаимодействии воздушных струй, истекающих из отверстий на сопле с формирователем вихревых потоков, эффективность этого взаимодействия в определяющей степени зависит от энергии, с которой воздушные струи набегают на поверхность формирователя вихревых потоков. Очевидно, что с увеличением размеров топочной камеры, что необходимо для повышения мощности горелочного устройства, длина пути движения воздушных струй, истекающих из сопла, увеличивается и соответственно уменьшается их энергия при достижении поверхности формирователя вихревых потоков.

Вследствие этого действенность описанных выше механизмов обеспечения горения существенно снижается, а при размерах топочной камеры соответствующих мощности горелочных устройств более 12...14 кВт практически исчезает.

Наличие в предлагаемом горелочном устройстве лопастного сопла подачи воздуха позволяет сформировать требуемую для эффективного перемешивания и горения структуру воздушных струй не за счет фактического отражения от поверхности удаленного формирователя вихревых потоков, а непосредственно в зоне горения.

Одним из наиболее эффективных способов перемешивания и горения, достигаемых с использованием многорядного лопастного сопла, является организация вихревых противофазных потоков, формируемых соседними рядами отверстий с соответствующей формой и ориентацией примыкающих к ним лопастей.

На фиг.4 представлена конструкция трехрядного лопастного сопла с сечениями, показывающими форму направляющих лопастей в каждом из рядов. Два нижних ряда формируют струи с противофазной закруткой относительно оси сопла, а верхний ряд направляющих лопастей обеспечивает формирование радиальных струй, удаленных от внутренней поверхности сопла слоев закрученного в завихрителе потока воздуха.

Сопло изготовлено из тонкостенной листовой стали, направляющие лопасти сформированы вырубным штампом с последующей формовкой поверхности и угла ориентации. Данная конструкция обладает существенно меньшим аэродинамическим сопротивлением, чем щелевые сопла, по необходимости изготавливаемые в виде толстостенного цилиндра или усеченного конуса.

Благодаря возможности легко варьировать пространственной структурой воздушных струй в зоне горения путем изменения угла наклона и формы направляющих лопастей удалось подобрать конфигурацию направляющих лопастей сопла, при которой обеспечивается полное сгорание горючей смеси с максимальным тепловыделением.

Проведенные эксперименты показали, что данная трехрядная конструкция наиболее эффективна для горелочных устройств испарительного типа, работающих на дизельном топливе в диапазоне мощности от 7 до 20 кВт.

Горелочные устройства с такой мощностью могут быть с успехом применены, в частности, в моделях предпусковых отопителей для большегрузных автомобилей.

Источники информации 1. Конвенционная заявка 2420 -214828 на патент с приоритетом от 15.05.94 г. фирма И. Эбершпрехер, ФРГ, РСТ/DE 95/00614 от 6.05. 95.

2. Положительное решение о выдаче по заявке 2001113644/06 от 23.05.2001.

Формула изобретения

Горелочное устройство, содержащее топочную камеру с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру, с торцевой ограничительной стенкой, в которой выполнено центральное отверстие с входящим коаксиально с осью в топочную камеру соплом подачи воздуха, на боковой поверхности которого выполнено не менее двух рядов разнесенных по высоте сопла одинаковых по количеству и симметрично размещенных продольных щелевых отверстий, причем каждое отверстие верхнего ряда размещено на линии, равноудаленной от двух ближайших нижних отверстий, завихритель потока воздуха, формирователь вихревых потоков, расположенный между соплом подачи воздуха и испарительной капиллярной структурой, размещенной как на цилиндрической, так и на торцевой ограничительных стенках топочной камеры, с внутренней стороны цилиндрической ограничительной стенки расположена испарительная капиллярная структура, штуцер для установки свечи, жаровую трубу и стабилизатор пламени, отличающееся тем, что сопло подачи воздуха выполнено в виде цилиндра или усеченного конуса с многорядными продольными щелевыми отверстиями, у края которых на пути истечения воздушных струй размещены направляющие лопасти, причем у части рядов щелевых отверстий направляющие лопасти расположены на внешней поверхности сопла, а у остальных на внутренней.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

QZ4A - Регистрация изменений (дополнений) лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Кордит Евсей Аврумович

Вид лицензии*: НИЛ

Лицензиат(ы): Общество с ограниченной ответственностью "АДВЕРС"

Характер внесенных изменений (дополнений):Изменения касаются условий выплаты вознаграждения.

Дата и номер государственной регистрации договора, в который внесены изменения: 01.09.2005 № РД0001876

Извещение опубликовано: 10.03.2008        БИ: 07/2008

* ИЛ - исключительная лицензия НИЛ - неисключительная лицензия

PC4A - Регистрация договора об уступке патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Прежний патентообладатель:Кордит Евсей Аврумович

(73) Патентообладатель:Кордит Пётр Евсеевич

(73) Патентообладатель:Кордит Евсей Аврумович

Договор № РД0071654 зарегистрирован 25.10.2010

Извещение опубликовано: 10.12.2010        БИ: 34/2010

QZ4A Государственная регистрация изменений в зарегистрированный договор

Дата и номер государственной регистрации договора, в который внесены изменения: 17.11.2010 № РД0072628

Вид договора: лицензионный

Лицо(а), передающее(ие) исключительное право: Кордит Евсей Аврумович (RU), Кордит Пётр Евсеевич (RU)

Лицо, которому предоставлено право использования: Общество с ограниченной ответственностью "АДВЕРС" (RU)

Дата и номер государственной регистрации изменений, внесенных в зарегистрированный договор: 15.12.2011 РД0091829

Изменения:Изменения касаются выплаты лицензионных выплат.

Дата публикации: 27.01.2012