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, формирователь вихревых потоков, расположенный между соплом подачи воздуха и испарительной капиллярной структурой, состоящей из цилиндрической и плоской частей, размещенных на внутренней поверхности топочной камеры, штуцер для установки свечи, жаровую трубу и стабилизатор пламени, отличающееся тем, что дополнительно содержит кольцевую подложку, размещенную с зазором над торцевой поверхностью топочной камеры и по внутреннему диаметру примыкающую к соплу подачи воздуха, а по внешнему к цилиндрической поверхности топочной камеры, на кольцевой подложке размещена плоская часть испарительной капиллярной структуры, причем со стороны, противоположной точке ввода топлива, по линии соприкосновения с цилиндрической поверхностью топочной камеры выполнен щелевой паз, а внутри дополнительной полости, образованной кольцевой подложкой и торцевой поверхностью топочной камеры, размещена дополнительная испарительная капиллярная структура, примыкающая к цилиндрической стенке топочной камеры, а в кольцевой подложке выполнено не менее двух симметрично размещенных относительно оси топочной камеры отверстий с вставленными в них патрубками, соединяющими дополнительную полость с зоной горения топочной камеры.

Описание изобретения к патенту

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

Известна испарительная горелка встроенного отопителя автомобиля, патент DE 4003090 C1 фирмы WEBASTO [1]. Испарительная горелка работает на жидком топливе. В ее конструкции 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.

Однако данное устройство позволяет обеспечить равномерность распределения топлива по испарительному элементу только при одновременном выполнении двух условий. Первое - горелочное устройство ориентировано перпендикулярно поверхности земли, и второе - испарительный элемент выполнен в виде диска и топливо подается в центральную точку.

Данные условия не реализуются при горизонтальной ориентации горелочных устройств и в широко распространенных устройствах с центральным вводом воздуха в топочную камеру, в которых испарительный элемент выполнен в виде кольца.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению, выбранным в качестве прототипа, является горелочное устройство [2], 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, формирователь вихревых потоков, расположенный между соплом подачи воздуха и испарительной капиллярной структурой, состоящей из цилиндрической и плоской частей, размещенных на внутренней поверхности топочной камеры, штуцер для установки свечи накаливания, жаровую трубу и стабилизатор пламени. Подача топлива в топочную камеру осуществляется через штуцер свечи.

Конструкция топочной камеры горелочных устройств испарительного типа должна обеспечить выполнение двух основных функций: перевод в паровую фазу достаточного количество топлива и его полное сгорание.

Максимальная, предельно достижимая мощность топочной камеры определяется ее размерами, конструкцией сопла подачи воздуха, формирующего пространственную структуру воздушных струй, количеством и скоростью закрученного в сопле потока воздуха.

Фактически же реализуемая мощность определяется количеством паров, поступающих в зону горения топочной камеры.

В известных устройствах пар формируется путем испарения из пористой капиллярной структуры. Возможность формирования интенсивного потока пара обусловлена большой суммарной площадью поверхности элементов, составляющих испарительную структуру.

Жидкое топливо растекается по поверхности элементов капиллярной структуры, и процесс испарения осуществляется из жидкой пленки, образующейся на этой поверхности. Важной особенностью испарения из поверхностных пленок является отсутствие кипения. До определенного предела с увеличением количества поступающего жидкого топлива увеличивается суммарная площадь жидкой пленки на элементах капиллярной cтруктуры и, соответственно, суммарный поток пара.

Однако при некотором количестве жидкого топлива вся поверхность элементов капиллярной структуры оказывается покрыта пленкой, и дальнейшее увеличение жидкости приводит к заполнению объемных участков испарительного элемента. В результате вместо большой площади поверхности "утопленных" в этих объемах элементов капиллярной структуры формируется несоизмеримо меньшая площадь поверхности, заполненных жидким топливом объемных участков. Очевидно, что дальнейшее увеличение количества жидкого топлива приведет к еще большей степени заполнения объема испарительного элемента, дальнейшему уменьшению суммарной площади поверхности жидкости и соответственно уменьшению потока пара, генерируемого испарительной капиллярной структурой. К уменьшению потока пара при увеличении количества поступающего жидкого топлива приводит и неравномерность в распределении топлива по объему испарительной капиллярной структуры, возникающая при горизонтальном размещении горелочного устройства. В этом случае топливо подается в верхнюю точку капиллярной структуры, и результирующее распределение по объему капиллярной структуры определяется действием капиллярных сил, силой тяжести, вязкостью и интенсивностью испарения. В процессе работы горелочного устройства устанавливается динамическое равновесие между растекающимся и стекающим вниз жидким топливом и его испарением с поверхности элементов капиллярной структуры. В нормальном "штатном" режиме работы топливо успевает испариться до поступления к нижним точкам капиллярной структуры. Однако в ряде случаев, например при повторных запусках или внезапных отключениях, не успевшее испариться топливо скатывается вниз и заполняет объем нижней части испарительной капиллярной структуры. Причем, поскольку при этом уменьшается скорость испарения в этой области, то процесс постепенного заполнения нижней части капиллярной структуры жидкой фазой имеет тенденцию к самоускорению. В результате в нижней части топочной камеры формируется "лужа" жидкого топлива.

При формировании участков, где жидкое топливо находится не в виде тонкой пленки, распределенной по поверхности элементов испарительной капиллярной структуры, а в виде объемного образования в форме "лужи", наряду с испарением с поверхности возникает процесс кипения. При кипении происходит разбрызгивание жидкой фазы, и в зону горения поступают жидкие капли топлива. Эти капли частично испаряются, но поскольку топочные камеры испарительных горелочных устройств имеют сравнительно малые размеры, большая часть капель выносится с общим потоком продуктов сгорания к теплообменнику и там превращается в сажистые отложения.

Эти отложения резко снижают теплообмен между горячими продуктами сгорания и циркулирующей в теплообменнике жидкостью и, соответственно, снижается теплопроизводительность отопителя, использующего данное горелочное устройство. Кроме того, поскольку капли продолжают гореть и вне зоны горения топочной камеры, то в выхлопных газах существенно повышается уровень вредных веществ, являющихся продуктами неполного сгорания.

В топочной камере в области "лужи" происходит закоксовывание участков капиллярной структуры и образование несгораемых отложений на стенках топочной камеры.

Предлагаемое устройство позволяет повысить мощность горелочного устройства за счет увеличения потока пара, поступающего в зону горения, и предотвратить возможность образования "луж" в нижних участках топочной камеры.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение мощности горелочного устройства.

Технический результат достигается тем, что 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, формирователь вихревых потоков, расположенный между соплом подачи воздуха и испарительной капиллярной структурой, состоящей из цилиндрической и плоской частей, размещенных на внутренней поверхности топочной камеры, штуцер для установки свечи, жаровую трубу и стабилизатор пламени, дополнительно содержит кольцевую подложку, размещенную с зазором над торцевой поверхностью топочной камеры, по внутреннему диаметру примыкающую к соплу подачи воздуха, а по внешнему - к цилиндрической поверхности топочной камеры, на подложке размещена плоская часть испарительной капиллярной структуры, причем со стороны, противоположной точке ввода топлива по линии соприкосновения с цилиндрической поверхностью топочной камеры, выполнен щелевой паз, а внутри дополнительной полости, образованной кольцевой подложкой и торцевой поверхностью топочной камеры, размещена дополнительная испарительная капиллярная структура, примыкающая к цилиндрической стенке топочной камеры, а в кольцевой подложке выполнено не менее двух симметрично размещенных относительно оси топочной камеры отверстий с вставленными в них патрубками, соединяющими дополнительную полость с зоной горения топочной камеры.

Конструкция предлагаемого устройства представлена на чертеже.

На чертеже (1)- цилиндрическая ограничительная стенка топочной камеры, (2) - торцевая ограничительная стенка топочной камеры, (3) - сопло подачи воздуха, (4) - испарительная капиллярная структура, (5) - формирователь вихревых потоков, (6) - штуцер для установки свечи накаливания, (7) - жаровая труба, (8) - стабилизатор пламени, (9) - кольцевая подложка, (10) - дополнительная испарительная капиллярная структура, (11) - щелевой паз в кольцевой подложке, (12) - патрубки.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В момент включения горелочного устройства в испарительную капиллярную структуру (4) подается жидкое топливо. Под действием капиллярных сил и сил тяжести жидкое топливо растекается по поверхности элементов капиллярной структуры (4).

На первой стадии в области, прилегающей к свече накаливания (6), происходит испарение части топлива, формирование горючей смеси и ее воспламенение на раскаленной поверхности свечи.

На второй стадии при образовании пламени в зоне горения происходит разогрев и испарение из пленок жидкого топлива, покрывающих элементы испарительной капиллярной структуры (4).

Уменьшение в результате испарения толщины поверхностных пленок топлива на элементах капиллярной структуры (4) приводит к возникновению интенсивных капиллярных сил, обеспечивающих "перекачку" объемной массы жидкого топлива в поверхностно распределенные пленки. В результате жидкое топливо, растекаясь по поверхности элементов капиллярной структуры, испаряется и переходит в паровую фазу. Если же количество поступающего топлива больше, чем скорость испарения, то часть топлива стекает вниз и через паз (11) в кольцевой подложке (9) поступает в дополнительную полость на дополнительную испарительную капиллярную структуру (10), размещенную на цилиндрической стенке топочной камеры(1). Высокая температура стенок топочной камеры, существенно превосходящая температуру испарения топлива, обеспечивает формирование паров топлива, заполняющих дополнительную полость. В результате возрастает давление в дополнительной полости, и через патрубки (12) пар поступает в зону горения топочной камеры. Таким образом, реализуемое в предлагаемом устройстве удаление излишков топлива через паз (11) в кольцевой подложке в дополнительную полость, последующее его испарение и вывод формирующихся паров в зону горения устраняют возможность образования и закипания "лужи" жидкого топлива и увеличивает мощность горелочного устройства за счет увеличения общего потока, поступающего в зону горения.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент фирмы WEBASTO DE 4003090 C1.

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