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, штуцер для установки свечи накаливания с патрубками для подвода воздуха и топлива, жаровую трубу, стабилизатор пламени, 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 поверхности кольцевой подложки размещена испарительная капиллярная структура, а в кольцевой подложке выполнено не менее двух симметрично размещенных относительно оси топочной камеры отверстий, отличающееся тем, что дополнительно содержит полую пористую трубку, штуцер розжига, транспортирующую капиллярную структуру, полая пористая трубка установлена вдоль оси штуцера свечи накаливания, плотно прилегает к внутренней стенке штуцера свечи накаливания, который выполнен в виде цилиндрического патрубка, расположенного между торцевой ограничительной стенкой топочной камеры и кольцевой подложкой перпендикулярно цилиндрической ограничительной стенке топочной камеры, причем полая пористая трубка упирается в транспортирующую капиллярную структуру, состоящую из цилиндрического и соединительных продольных участков, цилиндрический участок размещен в нижней части сопла подачи воздуха, а соединительные продольные участки капиллярной структуры заведены в пазы кольцевой подложки и размещены на поверхности кольцевой подложки под испарительной капиллярной структурой, причем в кольцевой подложке дополнительно выполнены симметрично размещенные поперечные пазы и отверстие, в котором газоплотно размещен верхний торец штуцера розжига, соединяющий топочную камеру с полой пористой трубкой, в которую газоплотно помещен нижний торец штуцера розжига, а в испарительной капиллярной структуре над верхним торцом штуцера розжига выполнено соосное отверстие диаметром, меньшим, чем внутренний диаметр торца штуцера розжига.

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.

Известно горелочное устройство, патент РФ №2181462, 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, завихритель, штуцер для установки свечи накаливания, жаровую трубу и стабилизатор пламени. Подача топлива в топочную камеру осуществляется через штуцер свечи.

Недостатком данного устройства является уменьшение мощности горелочного устройства и увеличение вредных веществ в продуктах сгорания на стадиях розжига и переходов горения из ждущего режима в рабочий. Эти явления обусловлены полным заполнением участков капиллярной структуры жидким топливом и закипанием образовавшихся “луж”.

При кипении происходит разбрызгивание жидкой фазы и в зону горения наряду с паром поступают капли жидкого топлива. Эти капли частично испаряются, но, поскольку камеры сгорания данного типа горелочных устройств имеют сравнительно малые размеры, большая часть капель выносится с общим потоком продуктов сгорания к теплообменнику и там превращается в сажистые отложения. При этом существенно повышается уровень вредных веществ, являющихся продуктами неполного сгорания.

В качестве прототипа выбрано горелочное устройство, патент РФ №2213297, 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, испарительную капиллярную структуру, состоящую из цилиндрической и плоской частей, размещенных на внутренней поверхности топочной камеры, штуцер для установки свечи, жаровую трубу и стабилизатор пламени, 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.

Характерной особенностью данной конструкции является то, что жидкое топливо поступает к малому участку капиллярной структуры, непосредственно контактирующей с зоной горения. В момент подачи очередной порции топлива происходит заполнение локального объема капиллярной структуры жидким топливом. Далее, под действием капиллярных сил жидкая капля начинает растекаться по поверхности элементов капиллярной структуры и испаряться под действием высокой температуры зоны горения. Если объем капли топлива достаточно мал и температура в камере не очень велика, капля успевает частично испариться, частично “растечься” по капиллярной структуре до того, как прогреется до температуры закипания. В противном случае порция жидкого топлива закипает и в ней выделяются сажистые образования, которые постепенно приводят к закоксовыванию капиллярной структуры. В результате закоксовывания капиллярная структура не может обеспечить эффективное превращение жидкого топлива в пар, процесс закоксовывания ускоряется, мощность горелочного устройства уменьшается, температура выхлопных газов возрастает, содержание вредных веществ в продуктах сгорания резко увеличивается.

Для предотвращения процесса закоксовывания капиллярной структуры необходимо, чтобы поступающее жидкое топливо до выхода в область соприкосновения капиллярной структуры с зоной горения было распределено по достаточно большой площади капиллярной структуры. Известно, что критерием достаточности распределения порции жидкого топлива по объему капиллярной структуры до соприкосновения топлива с зоной горения является такое удельное количество топлива в области соприкосновения зоны горения с капиллярной структурой, при которой жидкость испаряется до достижения условия закипания.

Для достижения этой цели необходима такая конструкция горелочного устройства, в которой одна часть капиллярной структуры, соприкасающаяся с зоной горения, имеет высокую температуру, а другая, экранированная от зоны горения и охлаждаемая, имеет температуру ниже температуры кипения жидкого топлива. При этом концентрированные порции топлива подаются в “холодную” часть капиллярной структуры и далее, растекаясь по капиллярной структуре, поступают к горячей части в столь малых удельных количествах, которые испаряются, не успевая прогреться до температуры кипения.

Необходимым условием осуществления данного механизма подачи топлива к участкам капиллярной структуры, соприкасающихся с зоной горения, является наличие в камере сгорания горелочного устройства постоянно охлаждаемых элементов, посредством которых можно поддерживать температуру участков капиллярной структуры, в которые поступает топливо, ниже температуры закипания. В конструкции горелочного устройства-прототипа сопло подачи воздуха интенсивно охлаждается завихренным потоком воздуха. Так как толщина стенок в основании сопла подачи воздуха достаточно мала, то охлаждающий эффект завихренного потока предотвращает разогрев этого участка сопла от горячих верхних участков, находящихся в зоне горения.

Если к цилиндрической поверхности тонкостенного либо выполненного из материала с высокой теплопроводностью основания сопла подачи воздуха прижать часть капиллярной структуры, к которой подается жидкое тепло, то возможность закипания будет предотвращена.

Предлагаемое устройство позволяет повысить ресурс горелочного устройства за счет эффективного испарения жидкого топлива без закипания и выделения сажистых веществ, ведущих к закоксовыванию капиллярной структуры испарительного элемента.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение ресурса горелочного устройства.

Технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство содержит 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, штуцер для установки свечи накаливания с патрубками для подвода воздуха и топлива, жаровую трубу, стабилизатор пламени, 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 поверхности кольцевой подложки размещена испарительная капиллярная структура, а в кольцевой подложке выполнены не менее двух симметрично размещенных относительно оси топочной камеры отверстий, дополнительно введены полая пористая трубка, штуцер розжига, транспортирующая капиллярная структура, полая пористая трубка установлена вдоль оси штуцера свечи накаливания, плотно прилегает к внутренней стенке штуцера свечи накаливания, который выполнен в виде цилиндрического патрубка, расположенного между торцевой ограничительной стенкой топочной камеры и кольцевой подложкой перпендикулярно цилиндрической ограничительной стенке топочной камеры, причем полая пористая трубка упирается в транспортирующую капиллярную структуру, состоящую из цилиндрического и соединительных продольных участков, цилиндрический участок размещен в нижней части сопла подачи воздуха, а соединительные продольные участки капиллярной структуры заведены в пазы кольцевой подложки и размещены на поверхности кольцевой подложки под испарительной капиллярной структурой, причем в кольцевой подложке дополнительно выполнены симметрично размещенные поперечные пазы и отверстие, в котором газоплотно размещен верхний торец штуцера розжига, соединяющий топочную камеру с полой пористой трубкой, в которую газоплотно помещен нижний торец штуцера розжига, а в испарительной капиллярной структуре над верхним торцом штуцера розжига выполнено соосное отверстие диаметром меньшим, чем внутренний диаметр торца штуцера розжига.

На фиг.1 изображено горелочное устройство, поперечный разрез, на фиг.2 – разрез А-А на фиг.1, на фиг.3 – разрез Б-Б на фиг.1.

(1) - цилиндрическая ограничительная стенка топочной камеры, (2) - торцевая ограничительная стенка топочной камеры, (3) - сопло подачи воздуха, (4) - испарительная капиллярная структура, (5) - свеча накаливания, (6) - штуцер для установки свечи накаливания, (7) - жаровая труба, (8) - стабилизатор пламени, (9) - кольцевая подложка, (10) - транспортирующая капиллярная структура, (11) - патрубок подачи топлива, (12) - патрубок подачи воздуха, (13) - полая пористая трубка, (14) - штуцер розжига, (15) - завихритель.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В момент запуска устройства включается свеча накаливания (5), после разогрева свечи из патрубка подачи топлива (11) в полую пористую трубу (13) поступает топливо, одновременно с этим из патрубка подачи воздуха (12) поступает струя воздуха, часть топлива под действием тепла от свечи накаливания (5) испаряется и, смешиваясь с воздушной струей из патрубка подачи воздуха (12), проникающей через полую пористую трубку (13), воспламеняется на раскаленной поверхности свечи. Образуется факел пламени, через штуцер розжига (14) поступает в топочную камеру. Основная масса топлива через пористую трубку (13) поступает к транспортирующей капиллярной структуре (10) и, распространяясь под действием капиллярных сил, поступает к испарительной капиллярной структуре (4), размещенной на кольцевой подложке (9). Синхронно с подачей топлива через завихритель (15) в сопло подачи воздуха (3) подается воздух, необходимый для образования в топочной камере горючей смеси. Факел пламени из штуцера розжига (14) разогревает прилегающий к его верхнему торцу участок испарительной капиллярной структуры (4), поступающее к этому участку топливо испаряется и усиливает горение в топочной камере. Это в свою очередь усиливает испарение топлива и в результате горелка “разгорается” и переходит в стационарный режим горения. Все элементы горелочного устройства разогреваются, однако закипания топлива не происходит поскольку участок транспортирующей капиллярной структуры (10), к которому поступают порции топлива, во-первых, охлаждается через тонкую стенку основания сопла подачи воздуха (3) завихренным потоком воздуха, во-вторых, он экранирован от зоны горения испарительной капиллярной структурой (4) и кольцевой подложкой (9). И далее, распределяясь по большой суммарной площади поверхности элементов капиллярной структуры, жидкое топливо поступает к нагретым до высокой температуры участкам испарительной капиллярной структуры (4) в пленочной фазе, которая испаряется, не закипая.

Таким образом, данное устройство обеспечивает образование и сгорание паровоздушной смеси без закипания жидкого топлива и соответственно без обусловленного закипанием закоксовывания капиллярной структуры. В результате существенно возрастает ресурс горелочного устройства.