Теплогенератор на основе пульсирующего горения

 

Использование: изобретение относится к области энергетики, в частности к устройствам для сжигания топлива в пульсирующем потоке, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства. Сущность изобретения: теплогенератор на основе пульсирующего горения, содержит камеру пульсирующего горения, состоящую из камеры воспламенения, резонансной трубы, аэродинамического клапана, кожух, ресивер, воздушную трубу, между кожухом и ресивером установлен с возможностью осевого перемещения эжектор, обеспечивающий подсос определенного количества воздуха для получения рабочей смеси требуемых параметров. Регулирование параметров рабочей смеси осуществляется с помощью эжектора и расхода топлива, подаваемого в камеру воспламенения. Воздушная труба служит для охлаждения камеры воспламенения в процессе работы теплогенератора. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области энергетики, в частности к устройствам для сжигания топлива в пульсирующем потоке, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства.

Известно устройство для сжигания жидкого топлива, содержащее форсунку, камеру сгорания, топочную камеру, горелку, вентилятор, топливный насос, жалюзи, воздуховод горелки, внутренние стенки топки, экранирующие стенки и наружные стенки топки [1] Недостатком данного устройства является работа на основе стационарного горения, что приводит к недостаточно эффективному использованию энергии сжигаемого топлива, сложность конструкции, дополнительный расход энергии для создания движения продуктов сгорания.

Близким техническим решением к данному изобретению является теплогенератор с камерой пульсирующего горения для пневмосушилки сыпучих материалов. Теплогенератор включает камеру пульсирующего горения, состоящую из цилиндрической камеры воспламенения и осесимметрично присоединенной резонансной трубой с аэродинамическим клапаном, расположенным под углом 90^o к оси камеры воспламенения. Камера пульсирующего горения заключена в кожух, оканчивающийся ресивером. Для регулирования температуры рабочей смеси, состоящей из смеси продуктов сгорания и воздуха, через воздушную трубу нагнетается воздух в пространство между камерой пульсирующего горения и кожухом. Нагнетание осуществляется за счет использования импульса газа из аэродинамического клапана. Количество воздуха, поступающего через зазор между камерой пульсирующего горения и кожухом в ресивер регулируется заслонкой, расположенной в воздушной трубе [2] Недостатком данного устройства является то, что при уменьшении подачи холодного воздуха одновременно существенно уменьшается производительность теплогенератора по количеству рабочей смеси, а расход топлива при этом остается постоянным, при этом существенно уменьшается давление в ресивере, т.е. уменьшается экономичность. Кроме того при уменьшении подачи холодного воздуха ухудшается обдув холодным воздухом камеры воспламенения, что приводит к ее перегреву и уменьшению срока эксплуатации.

Технической задачей данного изобретения является повышение экономичности теплогенератора, регулирование температуры рабочей смеси путем изменения расхода топлива, увеличение срока эксплуатации.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в теплогенераторе, содержащем камеру пульсирующего горения, состоящую из камеры воспламенения, резонансной трубы и аэродинамического клапана, кожух, ресивер и воздушную трубу без заслонки дополнительно между кожухом и ресивером устанавливается эжектор с возможностью осевого перемещения, и обеспечивающий подсос воздуха через открытое входное отверстие кожуха, в котором устанавливается камер пульсирующего горения, при этом подача воздуха, необходимого для обеспечения требуемой температуры рабочей смеси, определяется диаметром горловины эжектора d_г, расстоянием от среза резонансной трубы до горловины l и импульсом продуктов сгорания G_псW_пс, вытекающих из резонансной трубы, для регулирования расхода топлива перед форсункой, работающей на жидком топливе, устанавливается регулировочно-запорный вентиль, а для улучшения охлаждения камеры воспламенения предусмотрена воздушная труба, с помощью которой осуществляется постоянный обдув холодным воздухом места соединения камеры воспламенения и резонансной трубы, которое испытывает наибольшую тепловую нагрузку, при этом в воздушной трубе отсутствует воздушная заслонка, что обеспечивает постоянный обдув камеры воспламенения независимо от режимов регулирования производительности теплогенератора.

На фиг. 1 изображен общий вид теплогенератора с камерой пульсирующего горения, на фиг. 2 вид А фиг. 1 (кожух, эжектор и ресивер показаны в разрезе).

Теплогенератор включает камеру пульсирующего горения 1, состоящую из камеры воспламенения 2, тангенциально присоединенную к ней, резонансной трубы 3, расположенный осесимметрично с камерой воспламенения и под углом 90^oC к резонансной трубе аэродинамический клапан 4, топливную форсунку 5, регулировочно-запорный вентиль 6, свечу зажигания 7, трубку для подачи пускового воздуха 8. Камера пульсирующего горения 1 установлена в кожухе 9, к нему с помощью телескопического соединения 10 и разъемов 11 крепится эжектор 12, оканчивающийся ресивером 13, для подачи воздуха на охлаждение камеры воспламенения 2 имеется воздушная труба 14, в которую воздух нагнетается выхлопными газами из аэродинамического клапана и подается на обдув камеры воспламенения 2 в место, где к ней присоединяется резонансная труба.

Рабочая смесь заданных параметров, которая собирается в ресивере, направляется из него к месту использования. Если в месте использования рабочей смеси требуется смесь с высоким давлением и малой скоростью, то выход из ресивера делается в виде соединительного патрубка соответствующего параметра, если рабочая смесь должна иметь большую скорость, то выход из ресивера делается в виде сопла 15.

Теплогенератор работает следующим образом. С помощью трубки 8 через аэродинамический клапан 4 подается воздух в камеру воспламенения 2, включается электросвеча 7, затем открывается запорно-регулировочный вентиль 6 и жидкое топливо через форсунку 5 подается в камеру воспламенения 2. После достижения устойчивого пульсирующего горения в камере пульсирующего горения отключается подача воздуха через трубку 8 и электросвеча 7. Продукты сгорания выбрасываются периодически с частотой 50-70 Гц из резонансной трубы с большой скоростью и высокой температурой 900-1100^oC. Проходя через горловину d_г эжектора 12 продукты сгорания создают разряжение в кожухе 9, и холодный воздух через входное отверстие кожуха, обтекая камеру воспламенения 2 и резонансную трубу 3, поступает в ресивер 13 после смешения воздуха и продуктов сгорания в эжекторе 12, образуя рабочую смесь определенной температуры t_рс и давления p_рс.

Во время пульсирующего горения в камере воспламенения 2 из аэродинамического клапана 4 периодически выбрасывается струя газа с высокой скоростью. Эта струя направляется в воздушную трубу 14 и обеспечивает подсос в нее холодного окружающего воздуха. Воздушная труба 14 изогнута таким образом, чтобы выходящий из нее воздух был направлен по оси резонансной трубы и обтекал преимущественно место соединения камеры воспламенения 2 и тангенциально присоединенную к ней резонансную трубу 3. Тем самым обеспечивается хороший обдув и, следовательно, улучшается теплосъем с наиболее теплонапряженного участка конструкции камеры пульсирующего горения. Кроме того создается дополнительный подпор воздуха на входе в кожух 9 теплогенератора.

Регулирование параметров теплогенератора, таких как температура t_рс, давление p_рс, расход G_рс рабочей смеси осуществляется в два этапа. Так как предлагаемое техническое решение теплогенератора с камерой пульсирующего горения предполагает многоцелевое использование, как для сушки материалов с различными физико-химическими свойствами, так и для отопительных агрегатов, то первоначально экспериментальным путем настройка на рабочий диапазон параметров рабочей смеси осуществляется подбором диаметра горловины d_г эжектора и расстояния l_м от среза резонансной трубы до горловины эжектора, обеспечивающим максимальные для заданного процесса значения параметров t_пс, W_пс, G_пс при максимальном расходе топлива G_т. Для этой цели используются телескопическое соединение 10 и разъемы 11. Возможность такого пути регулирования базируется на теории струйных аппаратов, которая показывает, что l f(u, d_рт) где u=G_в/G_пс коэффициент эжекции. Этот этап регулирования необходим, так как нет теории расчета эжекторов с пульсирующими потоками. Дальнейшее регулирование осуществляется в процессе работы и может осуществляться двумя путями.

1. При постоянном расходе топлива G_т, изменяя расстояние l от максимального l_м, определенного в процессе настройки до l=0, когда срез резонансной трубы совпадает с сечением горловины эжектора.

2. При фиксированном l путем изменения расхода топлива G_т за счет изменения давления перед топливной форсункой 5 с помощью запорно-регулировочного вентиля 6.

В первом случае при максимальном расстоянии l_м обеспечивается максимальное количество подсасываемого с помощью эжектора воздуха G_в, что соответствует максимальному коэффициенту эжекции u и дает максимальный расход рабочей смеси G_рс и давления p_рс в ресивере 13. При l=0 обеспечивается минимальный коэффициент эжекции u и, соответственно, минимальный расход рабочей смеси G_рс и давления p_рс.

Во втором случае при постоянном расстоянии l изменение расхода топлива G_т приводит к изменению расхода продуктов сгорания G_nc и скорости продуктов сгорания W_пс, вытекающих из резонансной трубы, т.е. изменяется импульс продуктов сгорания G_псW_пс. Это приводит к тому, что изменяется количество подсасываемого воздуха G_в и, как следствие, меняется расход рабочей смеси G_рс и ее давление p_рс в ресивере.

Температура рабочей смеси зависит от количества подсасываемого с помощью эжектора воздуха G_в и расхода топлива G_т, поэтому требуемое значение температуры рабочей смеси t_рс достигается сочетанием обоих способов регулирования при постоянном диаметре горловины эжектора d_г.

Возможность регулирования параметров продуктов сгорания, вытекающих из резонансной трубы путем изменения давления топлива перед форсункой, подтверждены авторами экспериментально (А.с. N 1774210, G 01 M 15/00, 1992). Например, при изменении давления перед топливной форсункой p_ф в 2,5 раза, расход топлива G_т изменяется в 1,52 раза, расход продуктов сгорания из резонансной трубы G_пс в 1,66 раза, импульс продуктов сгорания G_псW_пс в 2,15 раза, скорость истечения продуктов сгорания W_пс в 1,3 раза. На всех режимах регулирования камера пульсирующего горения работала устойчиво.

Предлагаемый теплогенератор с камерой пульсирующего горения по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества: установка эжектора между кожухом и ресивером повышает экономичность теплогенератора, т.е. снижается расход топлива для получения рабочей смеси на входе из ресивера требуемого расхода и давления. Это подтверждается зарегистрированным 20.03.86 открытием N 314 (Челомей В.Н. Избранные труды, М. Машиностроение, 1989), которое свидетельствует о том, что установка эжектора в пульсирующем воздушно-реактивном двигателе увеличивает тягу на 120-140% т.е. импульс рабочей смеси G_рсW_рс, следовательно, для получения расхода рабочей смеси и давления, одинакового с прототипом, в предлагаемом теплогенераторе потребуется топлива на 20-40% меньше.

Кроме того возможность регулирования параметров рабочей смеси расходом эжектируемого воздуха G_в и расходом топлива G_т позволяет выбрать наиболее экономичные режимы сжигания топлива по сравнению с прототипом, так как в прототипе регулирование осуществляется только изменением расхода воздуха, подаваемого в ресивер, путем изменения положения воздушной заслонки, то при уменьшении расхода воздуха повышается температура рабочей смеси, но одновременно уменьшается производительность теплогенератора, так как уменьшается расход рабочей смеси при постоянном расходе топлива и наоборот, если увеличивается производительность, понижается температура. В предлагаемом теплогенераторе удается реализовать возможности прототипа и расширить их, т.е. можно уменьшить производительность по рабочей смеси путем приближения горловины эжектора к сечению выхлопа резонансной трубы, а температуру оставить неизменной путем понижения расхода топлива, и наоборот, можно изменить температуру рабочей смеси путем регулирования расхода топлива через форсунку, а расход рабочей смеси оставить неизменным, изменив расстояние между выхлопным сечением резонансной трубы и горловиной эжектора.

В прототипе максимальная температура рабочей смеси может быть достигнута при полностью закрытой воздушной заслонке в воздушной трубе, при этом движение холодного воздуха в кожухе отсутствует и камера воспламенения перегревается, что приводит к снижению срока ее службы или удорожанию конструкции, так как камеру воспламенения надо будет выполнять из дорогостоящих жаростойких сталей. В предлагаемом теплогенераторе на всех режимах регулирования камера воспламенения принудительно обдувается холодным воздухом с помощью воздушной трубы, которая не имеет воздушной заслонки. В кожух также поступает минимальное количество холодного воздуха даже при l=0, так как предусматривается зазор между горловиной эжектора и диаметром резонансной трубы и, следовательно, обеспечивается поток воздуха в кожухе вдоль резонансной трубы, поэтому конструкцию камеры пульсирующего горения можно изготавливать из более дешевых материалов и увеличить срок ее службы.

Так как в прототипе возможности регулирования параметров рабочей смеси ограничены, то для различных областей применения каждый раз надо проектировать камеру пульсирующего горения на новый расход топлива, а регулирование выполняет только задачу согласования параметров рабочей смеси с заданным процессом. Однако проектирование и доводка камер пульсирующего горения имеет целый ряд трудностей из-за того, что рабочий процесс в этих устройствах недостаточно изучен.

Предлагаемая конструкция теплогенератора позволяет ограничиться проектированием и отладкой нескольких типоразмеров камер пульсирующего горения, отличающиеся по количеству сжигаемого в них топлива, промежуточные характеристики теплогенератора можно достичь, устанавливая эжекторы с различным диаметром горловины, а задачу согласования параметров теплогенератора с параметрами процесса, в которых будет использоваться рабочая смесь, решать путем регулирования расхода воздуха и расхода топлива.

По предложенному техническому решению спроектированы и изготовлены две камеры пульсирующего горения, одна рассчитана на сжигание до 0,016 кг/с (50 л/ч) дизельного топлива, вторая до 0,0024 кг/с (10 л/ч).

Установка сопла 15 в выходном сечении ресивера позволяет получать высокоскоростной поток для различных производственных процессов. Это расширяет функциональные возможности теплогенератора.

Формула изобретения

1. Теплогенератор на основе пульсирующего горения, содержащий камеру пульсирующего горения, состоящую из камеры воспламенения, резонансной трубы, аэродинамического клапана, кожух, ресивер, воздушную трубу, отличающийся тем, что между кожухом и ресивером установлен с возможностью осевого перемещения эжектор, обеспечивающий подсос определенного количества воздуха для получения рабочей смеси требуемых параметров.

2. Теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что регулирование параметров рабочей смеси осуществляется с помощью эжектора и расхода топлива, подаваемого в камеру воспламенения.

3. Теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что воздушная труба служит для охлаждения камеры воспламенения в процессе работы теплогенератора и регулирования параметров.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2