горелочное устройство

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, 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, штуцер для установки свечи, жаровую трубу и стабилизатор пламени, отличающееся тем, что дополнительно введена кольцевая подложка, по внутреннему диаметру газоплотно примыкающая к соплу подачи воздуха, а по внешнему соприкасающаяся с цилиндрической ограничительной стенкой, в кольцевой подложке со стороны, примыкающей к торцевой ограничительной стенке топочной камеры, выполнены дугообразная полость и криволинейный канал, соединенный с внутренней полостью сопла подачи воздуха посредством отверстия, выполненного на боковой поверхности сопла подачи воздуха, криволинейный канал проходит вдоль нижней точки внешней торцевой поверхности подложки в области стекания жидкого топлива до дугообразной полости, в стенке, отделяющей дугообразную полость от испарительной капиллярной структуры, выполнен ряд сквозных отверстий, внутри криволинейного канала вдоль участка, проходящего через нижнюю точку кольцевой подложки, относительно патрубка ввода топлива по направлению движения воздуха газоплотно с внутренней поверхностью криволинейного канала размещено коническое сопло, в стенке кольцевой подложки, отделяющей область стекания топлива от участка внутренней полости криволинейного канала, выполнено отверстие.

Описание изобретения к патенту

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

Известна испарительная горелка встроенного отопителя автомобиля [1], работающая на жидком топливе. Между передней стенкой опорной конструкции для корпуса с адсорбирующей поверхностью, к которому подается горючее, и корпусом с адсорбирующей поверхностью расположен делительный диск с отверстиями, причем отверстия равномерно распределены по всей поверхности диска. Такая конструкция позволяет достичь равномерного распределения топлива на основе капиллярного эффекта между опорной конструкцией и делительным диском. Диск выполнен из стали при помощи перфорирования и имеет толщину 0,1 мм.

Данное устройство позволяет улучшить характеристики горения при равномерном распределении горючего и выработанного тепла через корпус с адсорбирующей поверхностью только на начальной стадии. Кроме того, при работе устройства образуются сажистые выделения, которые закоксовывают адсорбирующую поверхность делительного диска.

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 (9). С внутренней стороны цилиндрической ограничительной стенки расположена испарительная капиллярная структура (4), формирователь вихревых потоков (5), штуцер для установки свечи (6), жаровая труба (7), стабилизатор пламени (8), завихритель (9). Подача топлива в топочную камеру осуществляется через штуцер свечи (6).

Недостатком описанного выше горелочного устройства является то, что при его горизонтальном размещении часть топлива под действием силы тяжести стекает вниз, причем количество скапливающегося жидкого топлива зависит от длительности розжига. При затрудненном розжиге, характерном для очень низких температур, накопившееся топливо достигает количества, которое не успевает испариться на начальной стадии горения и переходит в состояние кипения, при котором образуются сажистые выделения, ведущие к быстрому закоксовыванию адсорбирующей поверхности испарительной капиллярной структуры. Соответственно снижается надежность работы горелочного устройства.

Основным условием надежной работы горелочных устройств испарительного типа является полное испарение поступающего топлива в капиллярной структуре испарительного элемента. Если же количество поступающего в топочную камеру в каждую единицу времени жидкого топлива больше, чем количество, превращенное в паровую фазу, то неиспарившаяся часть топлива стекает по стенкам камеры сгорания и в последствии закипает. При кипении жидкого топлива происходят не менее двух процессов, снижающих надежность и работоспособность горелочных устройств. Первый - "разбрызгивание" жидкости в процессе кипения. Формирующиеся капли топлива, попадая в топочную камеру, не успевают испариться и с потоком газообразных продуктов сгорания поступают в теплообменник, где осаждаются на стенках в виде сажистых образований, резко снижающих эффективность теплоотвода и, соответственно, общую теплопроизводительность отопителя с данным горелочным устройством.

В самой же камере, в зоне кипения жидкого топлива в результате термического крекинга происходит закоксовывание капиллярной структуры испарительного элемента.

Распределение жидкого топлива по капиллярной структуре испарительного элемента определяется множеством факторов, среди которых основными являются: действие капиллярных сил, сила тяжести, интенсивность испарения, вязкость, которые, в свою очередь, зависят от температуры и давления в топочной камере.

Обычно рабочая часть капиллярной структуры испарительного элемента имеет форму диска, кольца или цилиндра с кольцевым дном. Топливо подается в одну или несколько верхних точек и далее, под действием силы тяжести и капиллярных сил растекается по капиллярной структуре.

Капиллярная структура за счет капиллярных сил способна удержать в своих пределах определенное количество топлива. Это количество зависит от характеристик самой капиллярной структуры (для металловойлока определяющими параметрами являются диаметр проволоки, размер пор, величина смачиваемости и т.д.), удельного веса и вязкости топлива. Изменение условий и, прежде всего, температуры и давления в топочной камере существенным образом влияет на скорость испарения и течения жидкого топлива. Соответственно, при поступлении количества топлива, большего, чем способна удержать капиллярная структура, часть топлива стекает к нижней точке топочной камеры, образуя "лужу", которая при разогреве камеры начинает кипеть, вызывая отмеченные вредные последствия.

При использовании для розжига горелочного устройства свеч накаливания необходимо обеспечить в области раскаленной поверхности свечи достаточное количество топлива для образования горючей смеси.

Поскольку процесс образования устойчивого пламени осуществляется в течение достаточно длительного времени, которое в случае повторных запусков еще больше увеличивается, то существует высокая вероятность стекания к нижним точкам топочной камеры значительного количества жидкого топлива, которое не может быть удержано в капиллярной структуре испарительного элемента.

Для предотвращения вредных последствий кипения жидкого топлива необходимо устранить возможность скапливания жидкого топлива в нижних точках топочной камеры. Поскольку возможности уменьшения подачи топлива на стадии розжига ограничены условиями надежного воспламенения, то предотвращение накапливания жидкого топлива может быть достигнуто за счет откачивания стекающих с капиллярной структуры излишков жидкого топлива. При этом возможны два варианта. В первом стекающие излишки топлива выводятся из топочной камеры. Для этого требуется дополнительный топливный насос, дополнительный топливопровод для слива откачиваемого из топливной камеры топлива, дополнительный топливный бачок, что неизбежно усложнит конструкцию и процесс эксплуатации горелочного устройства и снизит надежность работы отопителей, использующих подобные горелочные устройства.

Однако в ряде случаев при использовании топлива с малой вязкостью и при условии повышенной влажности, когда возможны срывы пламени с многократным повторением процесса розжига, вывод излишков топлива из камеры может оказаться необходимым для обеспечения работоспособности горелочного устройства.

Другим возможным решением является перекачка излишков топлива обратно в капиллярную структуру испарительного элемента. При условии, что скорость перекачки топлива больше, чем скорость стекания, - это обеспечивает существенное увеличение количества топлива, находящегося внутри капиллярной структуры.

Достоинством такого решения является то, что оно может быть достигнуто без вывода топлива из топочной камеры. Для этой цели может быть использована энергия небольшой части воздушного потока, вводимого в топочную камеру посредством сопла подачи воздуха. С учетом характерной высокой скорости закрученного в сопле потока воздуха естественным является организация процесса перекачки стекающего жидкого топлива по принципам функционирования струйных насосов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности работы горелочного устройства.

Технический результат достигается тем, что в 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, 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, штуцер для установки свечи, жаровую трубу и стабилизатор пламени, дополнительно введена кольцевая подложка, по внутреннему диаметру газоплотно примыкающая к соплу подачи воздуха, а по внешнему соприкасающаяся с цилиндрической ограничительной стенкой, в кольцевой подложке со стороны, примыкающей к торцевой ограничительной стенке топочной камеры, выполнены дугообразная полость и криволинейный канал, соединенный с внутренней полостью сопла подачи воздуха посредством отверстия, выполненного на боковой поверхности сопла подачи воздуха, криволинейный канал проходит вдоль нижней точки внешней торцевой поверхности подложки в области стекания жидкого топлива до дугообразной полости, в стенке, отделяющей дугообразную полость от испарительной капиллярной структуры, выполнен ряд сквозных отверстий, внутри криволинейного канала вдоль участка, проходящего через нижнюю точку кольцевой подложки относительно патрубка ввода топлива, по направлению движения воздуха газоплотно с внутренней поверхностью криволинейного канала размещено коническое сопло, в стенке кольцевой подложки, отделяющей область стекания топлива от участка внутренней полости криволинейного канала, выполнено отверстие.

На фиг.1 представлен прототип предлагаемого технического решения.

На фиг.2 представлено предлагаемое горелочное устройство.

Устройство содержит 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), воздух в которое подается завихрителем (9). С внутренней стороны цилиндрической ограничительной стенки расположена испарительная капиллярная структура (4), формирователь вихревых потоков (5), штуцер для установки свечи (6), жаровая труба (7), стабилизатор пламени (8), кольцевая подложка (10), дугообразная полость со сквозными отверстиями (11).

На фиг. 3 изображено сечение горелочного устройства, представленного на фиг.2, по плоскости А-А. Дугообразная полость (11), сквозные отверстия в этой полости (12), криволинейный канал (13), коническое сопло (14), отверстие для стекания жидкого топлива в полость криволинейного канала (15).

На фиг.4 изображена циклограмма работы горелочного устройства.

Работа предлагаемого устройства осуществляется в соответствии с циклограммой, представленной на фиг. 4. В момент запуска t₀ включается воздухонагнетающее устройство на максимальной мощности и до момента t₁ осуществляется продувка топочной камеры, после чего мощность воздухонагнетающего устройства уменьшается до небольшой величины и до момента t₅ (при котором регистрируется факт воспламенения) остается постоянной.

После завершения продувки (момент времени t₁) начинается разогрев свечи накаливания, который продолжается до момента времени t₂.

После разогрева свечи до максимальной температуры (момент времени t₂) в момент времени t₃ включается топливный насос и при средней мощности работает до момента t₄.

При этом происходит насыщение топливом капиллярной структуры испарительного элемента. Часть жидкого топлива удерживается в капиллярной структуре, оставшаяся стекает к нижней точке топочной камеры. Поскольку в этот период воздухонагнетательное устройство работает в режиме минимальной мощности, скорость закрученного потока в сопле подачи воздуха мала и, соответственно, мала скорость потока воздуха в криволинейном канале (13) (фиг.3), и перекачка стекающего из капиллярной структуры топлива в полость (11) практически не происходит.

В момент возгорания воздушной смеси происходит отключение свечи накаливания, начинается синхронное нарастание мощности воздухонагнетательного устройства и топливного насоса. Возрастание мощности воздушного потока в сопле приводит к возрастанию мощности воздушной струи из конического сопла 14 (фиг. 3) и соответствующего возрастания скорости перекачки скапливающегося в результате стекания из капиллярной структуры топлива в дугообразную полость 11 (фиг.3) и, далее, перехода его через отверстие 12 (фиг.3) обратно в капиллярную структуру.

В результате откачивающего действия, обеспечиваемого струей воздуха, вытекающей из сопла 14 (фиг.3), к моменту полного разогрева топочной камеры все жидкое топливо оказывается в капиллярной структуре.

Отсутствие в нижних точках топочной камеры стекающего на стадии розжига жидкого топлива устраняет опасность формирования сажистых образований в теплообменнике и закоксовывание капиллярной структуры, которые возникают при кипении жидкого топлива.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент фирмы WEBASTO DE 4003090 С₁.

2. Кордит Е.А. Патент РФ 2181462 "Горелочное устройство".