способ сжигания топлива и горелка для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ сжигания топлива, включающий распыление топлива, охват его вращающимся потоком воздуха, вдуваемым тангенциально в завихритель воздуха, имеющий форму усеченного конуса, и горение, отличающийся тем, что распыление топлива производят через, по крайней мере, одну форсунку с одновременным его закручиванием и возвратом части потока топлива к форсунке, до охвата топлива вращающимся потоком воздуха воздух предварительно закручивают, подают на срез форсунки и направляют параллельно оси форсунки, образующуюся топливовоздушную смесь поджигают, направляют к оси форсунки и подсасывают к завихрителю воздуха, охват горящей топливовоздушной смеси вращающимся потоком воздуха производят после прохождения воздухом воздушного затвора в завихрителе воздуха с углом при вершине конуса 120^o, при вдувании воздуха тангенциально в завихритель воздуха поток воздуха одновременно направляют вверх по стенкам завихрителя воздуха с одновременным торможением потока воздуха.

2. Горелка для сжигания топлива, включающая корпус, по крайней мере, одну распылительную вихревую форсунку и завихритель воздуха с тангенциальным вводом воздуха, отличающаяся тем, что снабжена воздушным затвором, распылительная вихревая форсунка установлена с возможностью перемещения относительно завихрителя воздуха, при этом корпус имеет каналы для прохода воздуха с размещенными в них под углом 30^o к образующей цилиндра корпуса планками, распылительная вихревая форсунка имеет иглу, выполненную со сферической верхней частью, коническими поверхностями и прорезями, соединяющими пространство за коническими поверхностями и пространство над сферической верхней частью тангенциально к линии соединения сферической верхней части и конической поверхности, завихритель воздуха с тангенциальным вводом воздуха состоит из конуса и цилиндра, тангенциальный ввод воздуха выполнен в конусе завихрителя воздуха посредством окон с боковыми стенками, расположенными под углом 30^o к образующей поверхности конуса завихрителя воздуха, окна имеют ширину, равную толщине стенки конуса завихрителя воздуха, и высоту, равную расстоянию от верха окна до основания конуса завихрителя воздуха, угол конуса завихрителя воздуха равен 120^o, цилиндр завихрителя воздуха имеет отверстия и буртик со сферической частью, причем верх буртика расположен ниже низа окон на величину, равную диаметру отверстия, а количество окон равно количеству отверстий.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сжиганию топлива и может найти применение в нефтяной промышленности при подготовке теплоносителя для тепловой обработки скважинного и наземного оборудования.

Известен способ сжигания, включающий подогрев жидкого топлива в процессе его закрутки в цилиндрический слой тангенциальными потоками горячего газообразного агента и последующее пропускание последних через слой вращающегося топлива от периферии слоя к оси вращения. Распыл и вдувание смеси топлива и горячего агента в топку котла осуществляют за счет подачи высокоскоростного потока воздуха через внутреннюю полость цилиндрического слоя смеси топлива и горячего агента. При этом высокоскоростной поток воздуха закручивают в направлении, противоположном направлению вращения кольцевого слоя смеси топлива и горячего агента (см. патент РФ 2118750, МПК F 23 С 6/04, 1998).

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ сжигания газообразного, жидкого, а также средне- или низкокалорийного топлива, включающий распыление топлива, охват его вращающимся потоком воздуха, вдуваемым тангенциально в завихритель воздуха, имеющий форму усеченного конуса, и горение (см. опубликованные сведения о заявке на изобретение РФ 98118050, МПК F 23 С 1/08, 2000).

Указанные способы не обеспечивают высокой эффективности при сжигании топлива вследствие недостаточного перемешивания топлива и воздуха.

В изобретении решается задача повышения эффективности сжигания топлива за счет качественного перемешивания топлива и воздуха.

Задача решается за счет того, что в способе сжигания топлива, включающем распыление топлива, охват его вращающимся потоком воздуха, вдуваемым тангенциально в завихритель воздуха, имеющий форму усеченного конуса, и горение, распыление топлива производят через, по крайней мере, одну форсунку с одновременным его закручиванием и возвратом части потока топлива к форсунке, до охвата топлива вращающимся потоком воздуха воздух предварительно закручивают, подают на срез форсунки и направляют параллельно оси форсунки, образующуюся топливовоздушную смесь поджигают, направляют к оси форсунки и подсасывают к завихрителю воздуха, охват горящей топливовоздушной смеси вращающимся потоком воздуха производят после прохождения воздухом воздушного затвора в завихрителе воздуха с углом при вершине конуса 120^o, при вдувании воздуха тангенциально в завихритель воздуха поток воздуха одновременно направляют вверх по стенкам завихрителя воздуха с одновременным торможением потока воздуха.

Известно горелочное устройство, включающее корпус, конфузорно-диффузорный насадок, топливную камеру и форсунки (см. патент РФ 2166694, МПК F 23 D 5/00, 2001).

Известное устройство не обеспечивает высокий коэффициент полезного действия вследствие небольшого закручивания и перемешивания воздушного и топливного потоков.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является горелочное устройство, включающее корпус, распылительные вихревые форсунки и завихритель воздуха с тангенциальным вводом воздуха (см. авторское свидетельство СССР 387187, МПК F 23 D 11/00, 1973).

Недостатком известного устройства является небольшой коэффициент полезного действия из-за малого количества воздуха, потребляемого при сгорании топлива, и небольшого закручивания и перемешивания воздушного и топливного потоков.

В изобретении решается задача повышения коэффициента полезного действия горелки за счет качественного перемешивания топлива и воздуха.

Задача решается за счет того, что горелка для сжигания топлива содержит корпус, по крайней мере одну распылительную вихревую форсунку, завихритель воздуха с тангенциальным вводом воздуха, воздушный затвор, причем распылительная вихревая форсунка установлена с возможностью перемещения относительно завихрителя воздуха, при этом корпус имеет каналы для прохода воздуха с размещенными в них под углом 30^o к образующей цилиндра корпуса планками, распылительная вихревая форсунка имеет иглу, выполненную со сферической верхней частью, коническими поверхностями и прорезями, соединяющими пространство за коническими поверхностями и пространство над сферической верхней частью тангенциально к линии соединения сферической верхней части и конической поверхности, завихритель воздуха с тангенциальным вводом воздуха состоит из конуса и цилиндра, тангенциальный ввод воздуха выполнен в конусе завихрителя воздуха посредством окон с боковыми стенками, расположенными под углом 30^o к образующей поверхности конуса завихрителя воздуха, окна имеют ширину, равную толщине стенки конуса завихрителя воздуха, и высоту, равную расстоянию от верха окна до основания конуса завихрителя воздуха, угол конуса завихрителя воздуха равен 120^o, цилиндр завихрителя воздуха имеет отверстия и буртик со сферической частью, причем верх буртика расположен ниже низа окон на величину, равную диаметру отверстия, а количество окон равно количеству отверстий.

Сущность изобретения

При сгорании топлива часть его сгорает не полностью. Следствием этого является малая эффективность сжигания топлива и невысокий коэффициент полезного действия горелки. Основной причиной такого явления считается некачественное перемешивание топлива и воздуха.

В предложенном изобретении решается задача повышения эффективности сжигания топлива и коэффициента полезного действия горелки за счет качественного перемешивания топлива и воздуха.

Задача решается следующим образом.

Распыляют топливо через, по крайней мере, одну распылительную вихревую форсунку с одновременным его закручиванием и возвратом части потока топлива к распылительной вихревой форсунке. В качестве топлива может быть использовано жидкое или газообразное топливо, например, мазут или метан. Воздух закручивают и часть его подают на срез распылительной вихревой форсунки и направляют параллельно ее оси. Образующуюся топливовоздушную смесь поджигают, направляют к оси распылительной вихревой форсунки и подсасывают к завихрителю воздуха. Вторую часть закрученного воздуха пропускают через воздушный затвор и направляют в завихритель воздуха. Завихритель воздуха имеет форму усеченного конуса с углом при вершине конуса 120^o. Воздух в завихритель воздуха вдувают тангенциально и одновременно направляют вверх по стенкам завихрителя воздуха с одновременным торможением потока воздуха. В завихрителе воздуха производят охват горящей топливовоздушной смеси вращающимся потоком воздуха.

На фиг.1 представлена горелка для сжигания топлива, продольный разрез;

на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;

на фиг.3 - завихритель воздуха;

на фиг.4 - разрез В-В на фиг.3;

на фиг.3 - разрез С-С на фиг.4;

на фиг.6 - распылительная вихревая форсунка, продольный разрез;

на фиг.7 - игла распылительной вихревой форсунки, вид сверху.

Горелка для сжигания топлива (фиг.1) включает корпус 1, воздушный затвор 2, завихритель 3 воздуха, турбокомпрессор 4 и распылительную вихревую форсунку 5.

Турбокомпрессор 4 состоит из корпуса 6 турбокомпрессора с окнами 7, турбины 8 с лопастями 9, размещенной на валу 10, соединенном с электродвигателем 11.

Корпус 1 цилиндрической формы (фиг.1 и 2) имеет каналы 12 с размещенными в них планками 13, расположенными под углом =30^o к образующей цилиндра корпуса 1, и отверстия 14.

Завихритель 3 воздуха (фиг. 3-5) состоит из конуса 15 завихрителя 3 воздуха с углом конуса завихрителя 3 воздуха =120^o, с толщиной стенки а, и цилиндра 16 завихрителя 3 воздуха. Конус 15 завихрителя 3 воздуха имеет тангенциально направленные окна 17 с нижними и верхними стенками, выполненными под углом =30^o к линии, параллельной основанию конуса 15, и боковыми стенками, расположенными под углом =30^o к образующей поверхности конуса 15 завихрителя 3 воздуха.

Окна 17 имеют на наружной поверхности конуса 15 завихрителя 3 воздуха ширину b, равную толщине стенки а, и высоту с, равную расстоянию от верха окна 17 до основания конуса 15. Окна 17 в поперечном сечении имеют трапецеидальную форму (фиг.4). Цилиндр 16 завихрителя 3 воздуха имеет отверстия 18 и буртик 19 со сферической внутренней частью. Верх буртика 19 расположен ниже низа окон 17 на величину ж, равную диаметру отверстия 18. Количество окон 17 равно количеству отверстий 18.

Распылительная вихревая форсунка 5 (фиг.6 и 7) состоит из иглы 20, корпуса 21 и накладки 22. Корпус 21 установлен с возможностью перемещения вдоль оси горелки. Игла 20 выполнена со сферической верхней частью 23, коническими поверхностями 24 и 25 и прорезями 26, соединяющими пространство за коническими поверхностями 24 и 25 и пространство над сферической верхней частью 23. Прорези 26 выполнены тангенциально к линии соединения сферической верхней части 23 и конической поверхности 24. В корпусе 21 распылительной вихревой форсунки 5 выполнено отверстие 27 для подвода топлива.

Горелка работает следующим образом.

От электродвигателя 11 вращение передается на вал 10 и турбину 8. Под действием турбины 8 воздух из атмосферы засасывается через окна 7 корпуса 6 турбокомпрессора 4 и под действием лопастей 9 направляется в каналы 12 корпуса 1, где под действием планок 13 закручивается и поступает под воздушный затвор 2. В воздушном затворе 2 происходит сглаживание колебаний (пульсаций) воздуха после турбокомпрессора 4 и разворот потока воздуха на обратное направление, что еще больше способствует закручиванию потока воздуха. Воздух проходит через отверстия 14 корпуса 1 с формированием восходящего закрученного потока воздуха и через отверстия 18 и окна 17 завихрителя 3 воздуха. Воздух после отверстий 14 обтекает распылительную вихревую форсунку 5. Таким образом, до охвата топлива вращающимся потоком воздух предварительно закручивают, подают на срез распылительной вихревой форсунки 5 и направляют параллельно оси распылительной вихревой форсунки 5. Кроме того, часть воздуха после прохождения воздушного затвора 2 поступает в завихритель 3 воздуха.

В распылительную вихревую форсунку 5 топливо подается через отверстие 27 по пространству между корпусом 21 распылительной вихревой форсунки 5 и иглой 20, по прорезям 26 в сферическую верхнюю часть 23 иглы 20. Коническая поверхность 24, контактирующая с накладкой 22, служит для предотвращения неконтролируемого поступления топлива в сферическую верхнюю часть 23. Коническая поверхность 25 служит для вывода прорезей 26 в пространство между корпусом 21 и иглой 20.

Топливо под действием прорезей 26, выполненных тангенциально к линии соединения сферической верхней части 23 и конической поверхности 24, закручивается и поднимается вверх от распылительной вихревой форсунке 5, а под действием сферической верхней части 23 приобретает обратное движение к распылительной вихревой форсунки 5, т.е. происходит возврат части потока топлива к распылительной вихревой форсунке 5. В результате создается эллипсовидное движение вверх-вниз и одновременно круговое движение по часовой стрелке при виде сверху на распылительную вихревую форсунку 5. Над распылительной вихревой форсункой 5 происходит смешивание топлива с воздухом, выходящим из отверстий 14. Здесь топливовоздушная смесь поджигается.

Далее топливовоздушная смесь поступает в завихритель 3 воздуха. В завихритель 3 воздуха также подается воздух через отверстия 18 и окна 17. В завихрителе 3 воздуха происходит охват горящей топливовоздушной смеси вращающимся потоком воздуха. Горящее топливо и воздух смешиваются и под действием восходящего потока поднимаются вверх вдоль центральной оси. Под действием буртика 19 со сферической внутренней частью топливовоздушная смесь направляется к оси распылительной вихревой форсунки 5 и завихрителя 3 воздуха, при этом ее движение вверх ускоряется. Воздух направляется вверх и вдоль стенок конуса 15. За счет тангенциального расположения окон 17 и за счет расположения окон 17 под углом и воздух закручивается вдоль стенок конуса 15, а за счет угла конусности возникает поток, возвратный к центру конуса 15. За счет угла конусности происходит подсос топливовоздушной смеси к завихрителю 3 воздуха. За счет трапецеидальной формы окон 17 происходит торможение потока воздуха. Таким образом, поток топливовоздушной смеси затормаживается, приобретает вращение по часовой стрелке вдоль стенок конуса 15, движение вверх вдоль стенок конуса 15, движение вверх по центру конуса 15 и возвратное движение сверху вниз по оси конуса 15.

В результате образуется вращающийся огненный шар с максимальной температурой пламени на внешней поверхности, где обычно и располагаются нагреваемые элементы, например трубы теплообменника.

За счет перемещения распылительной вихревой форсунки 5 вдоль оси горелки достигается необходимая форма факела и его расположение, регулируется температура пламени.

Соотношение ширины b и толщины стенки а, высоты с и расстояния от верха окна 17 до основания конуса 15, величины углов , , и , расположение верха буртика 19 ниже низа окон 17 на величину ж, равную диаметру отверстия 18, количество окон 17 и количество отверстий 18, которые составляют величину, равную 6, или 9, или 10, или 12, определяет получение необходимой формы горящего шара.

Оптимальное количество окон 17 равно 6, или 9, или 10, или 12. Оптимальное количество распылительных вихревых форсунок 5 равно от 1 до 4. Оптимальная точность выполнения углов , , и равна до 4^o.

В результате применения данной горелки удается повысить коэффициент полезного действия на 3-4%. При аналогичном расходе топлива предложенная горелка обеспечивает температуру нагрева пара на 50-70^oС выше аналогичных горелок.

Применение предложенной горелки позволит повысить коэффициент полезного действия горелки.