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 торцевой частей, размещенных на внутренней поверхности топочной камеры, штуцер для установки свечи, жаровую трубу и стабилизатор пламени, отличающееся тем, что дополнительно содержит размещенные друг над другом соосные с соплом подачи воздуха два кольцевых элемента, между которыми размещена торцевая часть испарительной капиллярной структуры, по внутреннему диаметру примыкающие к соплу подачи воздуха, а по внешнему - к цилиндрической части испарительной капиллярной структуры, нижний кольцевой элемент размещен на торцевой поверхности топочной камеры, в кольцевых элементах, в торцевой части испарительной капиллярной структуры и торцевой ограничительной стенке топочной камеры выполнены соосные отверстия, соединяющие топочную камеру со штуцером свечи накаливания, причем отверстия в кольцевых элементах имеют диаметры больше, чем диаметр отверстия в торцевой части испарительной капиллярной структуры, на верхней поверхности нижнего кольцевого элемента вокруг соосного отверстия выполнена кольцеобразная концентрическая канавка и не менее двух соосных с соплом подачи воздуха кольцеобразных канавок, соединенных между собой симметрично размещенными радиальными канавками, причем одна из радиальных канавок проходит в направлении, соединяющем ось сопла подачи воздуха с осью отверстия патрубка ввода топлива, торцевая часть испарительной капиллярной структуры имеет форму плоского кольца с перпендикулярными расположенными симметрично оси сопла подачи воздуха выступами, в верхнем кольцевом элементе выполнены щелевые отверстия, конгруентные сечению перпендикулярных выступов на торцевой части испарительной капиллярной структуры.

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, 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.

Характерной особенностью горелочных устройств испарительного типа являются сравнительно малые размеры топочной камеры. Топливо в зону горения топочной камеры поступает в виде пара, что обеспечивает возможность эффективного горения с высокой мощностью тепловыделения.

Соответственно в тех нагревательных устройствах, где важное значение имеют габариты, например а автономных автомобильных предпусковых подогревателях, широко применяются горелочные устройства именно испарительного типа. Однако существенным недостатком, снижающим надежность работы известных устройств испарительного типа, является зависимость процесса горения от расположения испарительной капиллярной структуры относительно точки ввода жидкого топлива. В большинстве случаев испарительная капиллярная структура выполнена в виде плоского диска или кольца. Ввод топлива осуществляется либо в центр диска, либо в верхнюю точку на внешнем диаметре кольцевой испарительной капиллярной структуры. Распределение топлива по объему капиллярной структуры определяется совокупным действием ряда факторов, среди которых определяющее значение имеют капиллярные свойства испарительной структуры, сила тяжести, вязкость и температура испарения жидкого топлива, интенсивность отвода паров от поверхности капиллярной структуры в зону горения, интенсивность и характер ее прогрева.

С учетом вышеизложенного в известных устройствах осуществляется один из трех вариантов распределения жидкого топлива по объему испарительной капиллярной структуры (см. фиг.1).

При распределении, соответствующем фиг.1а, масса жидкого топлива распределена между объемной фазой полностью заключенной внутри испарительной капиллярной структуры и поверхностной фазой в виде тонкой пленки, покрывающей поверхность элементов капиллярной структуры. Совокупная поверхность капиллярной структуры характеризуется очень большой площадью поверхности и соответственно большая суммарная площадь жидкой пленки формирует интенсивный поток пара. Выделяющаяся при этом теплота обеспечивает температуру жидкого топлива в пределах ниже температуры кипения.

Это обстоятельство имеет принципиальное значение, поскольку при кипении происходит разбрызгивание жидкой фазы. Вследствие малых размеров топочной камеры капли жидкости не успевают испариться и с потоком продуктов сгорания попадают на поверхность теплообменника и выхлопной трубы, где образуют сажистые выделения. Кроме того, часть мелких испаряющихся капель попадает с выхлопными газами в атмосферу. На самой же испарительной капиллярной структуре в результате кипения выделяются смолистые вещества, приводящие к ее постепенному закоксовыванию.

При распределении жидкого топлива, соответствующего 1б и 1в, часть объемной фазы выступает за пределы испарительной структуры и в силу малой (по сравнению с суммарной площадью элементов капиллярной структуры) площади поверхности теплота испарения не может скомпенсировать нагрев объемной жидкой фазы и предотвратить процесс закипания. В результате вступают в действие все отмеченные выше процессы, сопровождающие кипение жидкого топлива в топочной камере горелок испарительного типа.

Существующие ограничения на допустимые пределы ориентации отопителей с известными горелочными устройствами испарительного типа обусловлены тем, что при поворотах отопителей относительно оси в устройствах изменяется характер распределения жидкого топлива (см. фиг.2). Очевидно, что если топливо подается не в верхнюю точку, то, во-первых, распределение топлива осуществляется не симметрично, во-вторых, большая часть объемной фазы скапливается в нижней части испарительного элемента и при некотором угле поворота формируется "лужа".

Для повышения надежности работы горелочных устройств испарительного типа необходимо изменить конструкцию испарительной капиллярной структуры таким образом, чтобы при широком диапазоне изменения положения горелочного устройства в пространстве жидкое топливо оставалось локализованным внутри капиллярной структуры.

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 торцевой частей, размещенных на внутренней поверхности топочной камеры, жаровую трубу, стабилизатор пламени и штуцер для установки свечи накаливания, дополнительно содержит размещенные друг над другом соосные с соплом подачи воздуха два кольцевых элемента, между которыми размещена торцевая часть испарительной капиллярной структуры, по внутреннему диаметру примыкающие к соплу подачи воздуха, а по внешнему - к цилиндрической части испарительной капиллярной структуры, нижний кольцевой элемент размещен на торцевой поверхности топочной камеры, в кольцевых элементах, в торцевой части испарительной капиллярной структуры и торцевой ограничительной стенке топочной камеры выполнены соосные отверстия, соединяющие топочную камеру со штуцером свечи накаливания, причем отверстия в кольцевых элементах имеют диаметры больше, чем диаметр отверстия в торцевой части испарительной капиллярной структуры, на верхней поверхности нижнего кольцевого элемента вокруг соосного отверстия выполнена кольцеобразная концентрическая канавка и не менее двух соосных с соплом подачи воздуха кольцеобразных канавок, соединенных между собой симметрично размещенными радиальными канавками, причем одна из радиальных канавок проходит в направлении, соединяющем ось сопла подачи воздуха с осью отверстия патрубка ввода топлива, торцевая часть испарительной капиллярной структуры имеет форму плоского кольца с перпендикулярными расположенными симметрично оси сопла подачи воздуха выступами, в верхнем кольцевом элементе выполнены щелевые отверстия конгруентные сечению перпендикулярных выступов на торцевой части испарительной капиллярной структуры.

Конструкция предлагаемого устройства представлена на фиг.3:

1 - цилиндрическая ограничительная стенка топочной камеры, 2 - торцевая ограничительная стенка топочной камеры, 3 - сопло подачи воздуха, 4 - цилиндрическая часть испарительной капиллярной структуры, 5 - формирователь вихревых потоков, 6 - штуцер свечи накаливания, 7 - жаровая труба, 8 - стабилизатор пламени, 9 - верхний кольцевой элемент, 10 - торцевая часть испарительной капиллярной структуры с перпендикулярными выступами, 11 - нижний кольцевой элемент, 12 - соосное отверстие; 13 - свеча накаливания; 14 - патрубок ввода топлива.

Устройство работает следующим образом.

В предлагаемой конструкции испарительная капиллярная структура состоит из трех элементов. Первый элемент - перпендикулярные выступы на торцевой части испарительной капиллярной структуры 10. Эти выступы в топочной камере ориентированы вдоль воздушных струй, формируемых нижним рядом отверстий сопла подачи воздуха 3. Высокая температура в рабочей зоне топочной камеры и интенсивное обдувание воздушными струями из сопла подачи воздуха 3 обеспечивают высокую мощность испарения.

Второй элемент - плоская часть торцевой испарительной капиллярной структуры 10 экранирована от рабочего объема топочной камеры верхним кольцевым элементом 9 и непосредственного участия в формировании паров топлива не принимает.

Функция этого элемента капиллярной структуры состоит в доставке жидкого топлива к перпендикулярным выступам из системы сообщающихся канавок в нижнем кольцевом элементе 11. Исключение составляет небольшой неэкранированный верхним кольцевым элементом участок поверхности вокруг отверстия над свечой накаливания 13, испарение с которого служит для осуществления начальной стадии розжига.

Третий элемент - цилиндрическая часть испарительной капиллярной структуры 4.

При полном заполнении всех каналов жидкое топливо равномерно распределено по всему объему капиллярной структуры и не зависит от ориентации испарительного элемента в пространстве.

Для поддержания данного равномерного распределения необходимо, чтобы количество поступающего жидкого топлива было несколько больше, чем количество топлива, превращаемого в пар на перпендикулярных выступах 10. В этом случае весь объем плоской части капиллярной структуры и все канавки полностью заполнены жидким топливом.

Избыточное количество топлива перетекает в цилиндрическую часть испарительной капиллярной структуры 4, растекается по поверхности ее и, испаряясь, поступает в зону горения.

Источники информации

1. Патент фирмы WEBASTO DE 4003090 С1.

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