RU2131557C1

RU2131557C1 - Intermittent air feeder with adjustable amplitude-frequency response (design versions)

Info

Publication number: RU2131557C1
Application number: RU97115151A
Authority: RU
Inventors: В.П. Штагер; Н.М. Кривец; М.В. Дьяков; А.Г. Бабухин; Г.Г. Суханов
Original assignee: Общество ограниченной ответственности "Энерго-аудит"
Priority date: 1997-08-20
Filing date: 1997-08-20
Publication date: 1999-06-10

Abstract

FIELD: power engineering. SUBSTANCE: air feeder has draft fan, air stream pipeline, gate valve, and electromechanical generator placed downstream of the latter. Electromechanical generator has case with air stream passage. In one version, this passage has unequal cross-sectional areas in two relatively perpendicular directions relative to air flow. Installed in passage along small cross-sectional area are two pins carrying almost ellipsoid-section flaps about unity out of round with their cross-sectional dimensions smaller than half the maximal sectional area of passage. In other version, air stream passage has symmetrical cross-sectional area perpendicular to air flow and accommodates one flap-carrying pin. EFFECT: improved combustion process irrespective of kind of fuel and type of furnace and burners used. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для улучшения горения любого вида топлива практически независимо от типа топочной и горелочной систем. The invention relates to the field of energy and can be used to improve the combustion of any type of fuel almost regardless of the type of furnace and burner systems.

Существует аналог, который реализует за счет пульсирующей подачи части воздушного потока, необходимого для горения топлива в специальной камере сгорания, вибрационного горения (См. авт. свид. СССР N 653520 от 31.07.78 г. , МКИ F 23 R 3/04). Для этого перед форсунками установлен дополнительный трубопровод подачи воздушного потока с коллекторами, расположенными симметрично относительно оси камеры и снабженными соплами, обращенными к форсункам. Пульсирующая подача воздушного потока по указанному трубопроводу осуществляется импульсно органом управления по команде от датчиков, фиксирующих пульсацию и давление в камере сгорания. There is an analogue that implements due to the pulsating supply of part of the air flow necessary for fuel combustion in a special combustion chamber, vibration combustion (See ed. Certificate of the USSR N 653520 of July 31, 78, MKI F 23 R 3/04). To do this, an additional air flow supply pipe is installed in front of the nozzles with collectors located symmetrically relative to the axis of the chamber and equipped with nozzles facing the nozzles. The pulsating air flow through the specified pipeline is carried out by the control body on command from sensors that record the pulsation and pressure in the combustion chamber.

К недостаткам приведенного аналога можно отнести:
- сложность реализации принятого способа пульсирующей подачи воздушного потока и организации в камере сгорания вибрационного горения в существующих топочных и горелочных системах;
- отсутствие возможности реализации поля амплитудно-частотных характеристик вибрационного горения с целью выбора наилучших в зависимости от режима работы топочного и горелочного устройств, типа сжигаемого топлива, способа сжигания и т.д.;
- отсутствие надежности в работе дополнительной подачи воздушного потока в пульсирующем режиме.The disadvantages of this analogue include:
- the complexity of the implementation of the adopted method of pulsating air flow and the organization in the combustion chamber of vibrational combustion in existing furnace and burner systems;
- the inability to implement the field of amplitude-frequency characteristics of vibrational combustion in order to select the best depending on the operating mode of the furnace and burner devices, type of fuel burned, method of combustion, etc .;
- lack of reliability in the operation of the additional air flow in a pulsating mode.

Наиболее близким устройством по принципу организации воздушного потока и подачи его к форсуночным и горелочным устройствам топочных систем, а также по входящим в него элементам, которое может быть принято за прототип, несмотря на отсутствие режима пульсирующей подачи воздушного потока, является устройство подачи воздушного потока в существующих топочных система (см. "Паровые котлы средней и малой мощности", издательство "Энергия", 1966 г.) и конкретно устройство подачи воздушного потока в водогрейном котле типа ДКВР (см. "Сжигание газов в топках котлов и печей и обслуживание газового хозяйства предприятий", издательство "Недра", Ленинградское отделение, 1980 г.). The closest device to the principle of organizing the air flow and supplying it to the nozzle and burner devices of the combustion systems, as well as its constituent elements, which can be taken as a prototype, despite the absence of a pulsating air flow mode, is the air flow supply device in existing furnace systems (see "Steam boilers of medium and low power", publishing house "Energy", 1966) and specifically a device for supplying air flow in a boiler type DKVR (see "Combustion of gases at the same time kah boilers and furnaces and gas management services for enterprises ", publishing house" Nedra ", Leningrad branch, 1980).

Устройство, принятое за прототип, состоит из дутьевого вентилятора, трубопровода для воздушного потока и шибера. The device adopted for the prototype consists of a blower fan, a pipeline for air flow and a gate.

Недостатком устройства, принятого за прототип, является отсутствие пульсирующей подачи воздушного потока с целью организации режима вибрационного горения, позволяющего улучшить горение топлива, а именно уменьшить физический и химический недожог и коэффициент стехиометрии. The disadvantage of the device adopted for the prototype is the lack of a pulsating air flow in order to organize vibration combustion, which improves fuel combustion, namely, to reduce the physical and chemical underburning and stoichiometry coefficient.

Целью предлагаемого изобретения является:
- реализация в существующих топочных и горелочных системах в их устройстве воздушного потока дополнительного элемента, позволяющего организовать пульсирующий воздушный поток с регулируемой амплитудно-частотной характеристикой и в результате этого получить в камере сгорания регулируемое вибрационное горение;
- реализация регулируемого вибрационного горения в существующих топочных и горелочных устройствах без нарушения принятых на них способах перемешивания топлива с воздухом;
- за счет регулируемого вибрационного горения усилить качество смешения топлива с воздухом по всей длине факела особенно при гетерогенном горении.The aim of the invention is:
- the implementation in the existing furnace and burner systems in their device of the air flow of an additional element, which makes it possible to organize a pulsating air flow with adjustable amplitude-frequency characteristic and as a result obtain controlled vibrational combustion in the combustion chamber;
- the implementation of controlled vibration combustion in existing furnace and burner devices without violating the methods adopted for mixing fuel with air;
- due to controlled vibrational combustion, to enhance the quality of mixing fuel with air along the entire length of the flame, especially with heterogeneous combustion.

Указанная цель достигается тем, что известное устройство, содержащее дутьевой вентилятор, трубопровод для прохождения воздушного потока, шибер, с целью реализации пульсирующей подачи воздушного потока с регулируемой амплитудно-частотной характеристикой после шибера дополнено электрическим генератором имеющим корпус с каналом для прохождения воздушного потока неодинаковым по размерам в двух взаимно перпендикулярных направлениях в сечении, перпендикулярном направлению воздушного потока, в канале вдоль малого размера сечения параллельно друг другу на подшипниках, закрепленных в корпусе электромеханического генератора, установлены две оси с закрепленными на них заслонками по форме в поперечном сечении, близкой к эллипсоидальной, с эксцентриситетом около единицы и поперечным размером менее половины максимального поперечного размера канала, на внешней стороне корпуса канала обе оси между собой объединены синхронизирующим двухшестеренным редуктором с одинаковыми шестернями, на внешней стороне корпуса редуктора установлен для вращения одной из осей электродвигатель с системой управления его частотой вращения. This goal is achieved by the fact that the known device containing a blower fan, a pipe for air flow, a gate, in order to implement a pulsating air flow with adjustable amplitude-frequency characteristic after the gate, is supplemented by an electric generator having a housing with a channel for air flow passage of unequal size in two mutually perpendicular directions in a section perpendicular to the direction of air flow in a channel along a small section size parallel to Two axes are mounted on bearings fixed to the housing of the electromechanical generator, with dampers mounted on them in a cross section close to ellipsoidal, with an eccentricity of about one and a transverse dimension of less than half the maximum transverse dimension of the channel, both the axes are interconnected by a synchronizing two-gear gearbox with the same gears; on the outside of the gearbox housing, electric motors are installed to rotate one of the axes spruce with a control system for its speed.

Для слабых воздушных потоков известное устройство дополнено электромеханическим генератором, имеющим корпус с каналом для прохождения воздушного потока с симметричным сечением, перпендикулярным направлению воздушного потока, в канале на подшипниках, закрепленных в корпусе электромеханического генератора, установлена одна ось с закрепленной на ней заслонкой, на внешней стороне корпуса электромеханического генератора установлен электродвигатель с системой управления его частотой вращения. For weak air flows, the known device is supplemented by an electromechanical generator having a housing with a channel for air flow with a symmetrical section perpendicular to the direction of the air flow, in the channel on bearings mounted in the housing of the electromechanical generator, there is one axis with a shutter fixed to it, on the outside an electric motor with a control system for its speed is installed.

На фиг. 1 схематично показана топочная система с устройством для пульсирующей подачи воздушного потока большой мощности с регулируемой амплитудно-частотной характеристикой, которая состоит из дутьевого вентилятора 1, трубопровода для воздушного потока 2, шибера 3, электромеханического генератора 4, трубопровода для подачи топлива 5, форсуночного или горелочного устройства 6, корпуса котла 7, зоны горения 8, теплообменника 9, трубопровода для потока уходящих газов 10, вытяжного вентилятора 11. In FIG. 1 schematically shows a combustion system with a device for pulsating supply of an air stream of high power with an adjustable amplitude-frequency characteristic, which consists of a blower fan 1, a pipeline for air flow 2, a gate 3, an electromechanical generator 4, a pipeline for supplying fuel 5, a nozzle or a burner device 6, the boiler body 7, the combustion zone 8, the heat exchanger 9, the pipeline for the exhaust gas flow 10, exhaust fan 11.

На фиг. 2 схематично показан электромеханический генератор для воздушного потока большой мощности, с помощью которого реализуется пульсирующая подача воздушного потока с регулируемой амплитудно-частотной характеристикой. Он состоит из корпуса 12, канала 13 для прохождения воздушного потока, подшипников 14, двух валов 15, двух заслонок 16, соединительной муфты 17, электродвигателя 18, системы управления частотой вращения двигателя 19, синхронизирующего редуктора с двумя одинаковыми шестернями 20. In FIG. 2 schematically shows an electromechanical generator for high-power air flow, with which a pulsating air flow with an adjustable amplitude-frequency characteristic is realized. It consists of a housing 12, a channel 13 for the passage of air flow, bearings 14, two shafts 15, two dampers 16, a coupling 17, an electric motor 18, a speed control system for the engine 19, a synchronizing gearbox with two identical gears 20.

Пульсирующая подача воздушного потока (см. фиг. 1) с регулируемой амплитудно-частотной характеристикой создается следующим образом; дутьевой вентилятор 1 создает непрерывный воздушный поток, который по трубопроводу 2 через шибер 3, регулирующий количество проходящего воздуха, направляется в электромеханический генератор 4, в котором за счет вращающихся заслонок происходит частичное перекрытие воздушного потока, который дальше направляется по трубопроводу на форсуночные или горелочные 6 устройства топочной или горелочной систем. Перекрытие воздушного потока заслонками происходит с частотой вращения электродвигателя. Регулировка частоты вращения электродвигателя проводится с помощью системы управления 19 (см. фиг. 2). Суммарная площадь заслонок, которые являются сменными, составляет определенный процент от площади поперечного сечения канала для прохождения воздушного потока в электромеханическом генераторе и выбирается из условия отсутствия отрыва или проскока факела горения от устья горелочного устройства. В целях самопроизвольной установки заслонки по направлению воздушного потока в случае остановки электродвигателя она в сечении, перпендикулярном оси вращения, имеет форму, близкую к эллипсу, с эксцентриситетом, близким к единице. Две заслонки в одном электромеханическом генераторе используются только с целью уменьшения потребной мощности электродвигателя, т.к. при такой схеме для вращения заслонок удается эффективно использовать энергию набегающего воздушного потока, который за счет неодинакового размера сечения воздушного канала в корпусе электромеханического генератора в основном из основного трубопровода направляется в среднюю часть канала и тем самым давит в основном на ту полуплоскость заслонок, которая движется по ходу набегающего воздушного потока. Одновременное перекрытие и открытие обеими заслонками сечения канала 13 электромеханического генератора осуществляется с помощью синхронизирующего двухшестеренчатого редуктора, который к тому же реализует вращение заслонок в разном направлении, что позволяет использовать энергию набегающего воздушного потока для вращения обеих заслонок. Как показывают расчеты и результаты физического моделирования, предлагаемая схема электромеханического генератора с двумя заслонками позволяет уменьшить габариты и не менее чем в 5 - 6 раз уменьшить потребную мощность электродвигателя по отношению к электромеханическому генератору с одной заслонкой. Так, например, для водогрейного котла типа ДКВР, устройство подачи воздушного потока которого принято за прототип, электродвигатель электромеханического генератора имеет мощность около 1 кВт при мощности дутьевого вентилятора 30 кВт. A pulsating air flow (see Fig. 1) with adjustable amplitude-frequency characteristic is created as follows; the blower fan 1 creates a continuous air flow, which is sent through a pipe 2 through a gate 3, regulating the amount of passing air, to an electromechanical generator 4, in which due to the rotating dampers there is a partial overlap of the air flow, which is then sent through the pipeline to the nozzle or burner 6 devices furnace or burner systems. Overlapping of the air flow by the shutters takes place with the rotational speed of the electric motor. The adjustment of the rotational speed of the electric motor is carried out using the control system 19 (see. Fig. 2). The total area of the flaps, which are interchangeable, is a certain percentage of the cross-sectional area of the channel for the passage of air flow in an electromechanical generator and is selected from the condition that there is no separation or breakthrough of the flame from the mouth of the burner device. For the purpose of spontaneous installation of the damper in the direction of the air flow in the case of an electric motor stop, it has a cross section perpendicular to the axis of rotation, which has a shape close to an ellipse, with an eccentricity close to unity. Two dampers in one electromechanical generator are used only to reduce the required motor power, because With this scheme, it is possible to efficiently use the energy of the incident air flow to rotate the dampers, which, due to the uneven size of the cross section of the air channel in the body of the electromechanical generator, is mainly sent from the main pipeline to the middle part of the channel and thereby presses mainly on the half-plane of the dampers that moves along running air flow. Simultaneous overlapping and opening of the cross section of the channel 13 of the electromechanical generator by both flaps is carried out using a synchronizing two-gear reducer, which also implements the rotation of the flaps in different directions, which allows the energy of the incoming air flow to be used to rotate both flaps. As calculations and the results of physical modeling show, the proposed scheme of an electromechanical generator with two shutters makes it possible to reduce the dimensions and reduce the required motor power by at least 5-6 times in relation to an electromechanical generator with one shutter. So, for example, for a water-heating boiler of the DKVR type, the air flow supply device of which is taken as a prototype, the electromechanical generator electric motor has a power of about 1 kW with a blower fan power of 30 kW.

На фиг. 3 схематично показана топочная система с устройством для пульсирующей подачи воздушного потока малой мощности с регулируемой амплитудно-частотной характеристикой, которая состоит из дутьевого вентилятора 1, трубопровода для воздушного потока 2, шибера 3, электромеханического генератора 4, трубопровода для подачи топлива 5, форсуночного или горелочного устройства 6, корпуса котла 7, зоны горения 8, теплообменника 9, трубопровода для потока уходящих газов 10, вытяжного вентилятора 11. In FIG. 3 schematically shows a furnace system with a device for pulsating supply of a low-power air stream with an adjustable amplitude-frequency characteristic, which consists of a blower fan 1, a pipe for air flow 2, a gate 3, an electromechanical generator 4, a pipe for supplying fuel 5, a nozzle or a burner device 6, the boiler body 7, the combustion zone 8, the heat exchanger 9, the pipeline for the exhaust gas flow 10, exhaust fan 11.

На фиг. 4 схематично показан электромеханический генератор для воздушного потока малой мощности, с помощью которого реализуется пульсирующая подача воздушного потока с регулируемой амплитудно-частотной характеристикой. Он состоит из корпуса 12, канала 13 для прохождения воздушного потока, подшипников 14, вала 15, заслонки 16, соединительной муфты 17, электродвигателя 18, системы управления частотой вращения двигателя 19. In FIG. 4 schematically shows an electromechanical generator for a low-power air stream, with which a pulsating air flow with an adjustable amplitude-frequency characteristic is realized. It consists of a housing 12, a channel 13 for air flow, bearings 14, a shaft 15, a damper 16, a coupling 17, an electric motor 18, a speed control system of the engine 19.

Пульсирующая подача воздушного потока (см. фиг. 3) с регулируемой амплитудно-частотной характеристикой создается следующим образом: дутьевой вентилятор 1 создает непрерывный воздушный поток, который по трубопроводу 2 через шибер 3, регулирующий количество проходящего воздуха, направляется в электромеханический генератор 4, в котором за счет вращающейся заслонки происходит частичное перекрытие воздушного потока, который дальше направляется по трубопроводу на форсуночные или горелочные 6 устройства топочной или горелочной систем. Перекрытие воздушного потока заслонкой происходит с частотой вращения электродвигателя. Регулировка частоты вращения электродвигателя проводится с помощью системы управления 19 (см. фиг. 4). Площадь заслонки, которая является сменной, составляет определенный процент от площади поперечного сечения канала для прохождения воздушного потока в электромеханическом генераторе и выбирается из условия отсутствия отрыва или проскока факела горения от устья горелочного устройства. A pulsating air flow (see Fig. 3) with an adjustable amplitude-frequency characteristic is created as follows: a blower fan 1 creates a continuous air flow, which is sent through a pipe 2 through a gate 3 regulating the amount of passing air to an electromechanical generator 4, in which due to the rotating damper, a partial overlap of the air flow occurs, which is then routed through the pipeline to the nozzle or burner 6 devices of the furnace or burner system. Overlapping of the air flow by the shutter occurs with the frequency of rotation of the electric motor. The adjustment of the rotational speed of the electric motor is carried out using the control system 19 (see. Fig. 4). The area of the damper, which is removable, is a certain percentage of the cross-sectional area of the channel for the passage of air flow in an electromechanical generator and is selected from the condition that there is no separation or breakthrough of the flame from the mouth of the burner device.

Таким образом, амплитудно-частотная характеристика пульсирующего потока воздуха и доля воздушного потока, которая вовлекается в пульсирующий режим, зависит от положения заслонки шибера, суммарной площади заслонок (или заслонки) электромеханического генератора и частоты вращения электродвигателя. Изменяя (регулируя) эти параметры, можно получить целое поле амплитудно-частотных характеристик пульсирующего потока воздуха и в конечном итоге соответствующее ему поле характеристик вибрационного горения топлива в зоне горения. Thus, the amplitude-frequency characteristic of the pulsating air flow and the fraction of the air flow that is involved in the pulsating mode depends on the position of the gate damper, the total area of the damper (or damper) of the electromechanical generator and the speed of the electric motor. By changing (regulating) these parameters, it is possible to obtain a whole field of amplitude-frequency characteristics of the pulsating air flow and, ultimately, the corresponding field of the characteristics of the vibrational combustion of fuel in the combustion zone.

Результат физического моделирования горения различных топлив с использованием предлагаемого изобретения показали, что его использование резко уменьшает физический и химический недожог и коэффициент стехиометрии, что связано с существенным улучшением смешения топлива с окислителем воздуха как внутри форсуночных и горелочных устройств, так и внутри камеры сгорания. Коме того, резко усиливается сгорание частичек топлива в режиме гетерогенного горения на всю глубину факела за счет теплопередачи между плазмой и внутренним объемом частицы, что характеризует в данном конкретном случае усиление степени турбулизации потока плазмы на всю глубину факела, увеличение числа Рейнольдса, характеризующего по теории подобия степень турбулизации потока и указывающем при своем увеличении на увеличение коэффициента теплопередачи как от плазмы к частице топлива, так и от плазмы и уходящих газов к теплоносителю топочной системы при конвективном обмене. The result of physical modeling of the combustion of various fuels using the present invention showed that its use dramatically reduces the physical and chemical underburning and the stoichiometry coefficient, which is associated with a significant improvement in the mixing of fuel with an oxidizing agent both inside the nozzle and burner devices and inside the combustion chamber. In addition, the combustion of fuel particles in the heterogeneous combustion mode increases sharply throughout the depth of the flame due to heat transfer between the plasma and the internal volume of the particle, which characterizes in this particular case an increase in the degree of turbulence of the plasma flow throughout the depth of the flame, an increase in the Reynolds number, which characterizes by similarity theory the degree of turbulization of the flow and indicating, with its increase, an increase in the heat transfer coefficient from both the plasma to the fuel particle and from the plasma and exhaust gases to the coolant top full-time system with convective exchange.

Claims

1. A device for pulsating air flow with an adjustable amplitude-frequency characteristic, comprising a blower fan, a pipe for air flow, a gate, characterized in that after the gate there is an electromechanical generator having a housing with a channel for air flow passage of unequal dimensions in two mutually perpendicular directions in a section perpendicular to the direction of air flow in a channel along a small section size parallel to each other on bearings, fixed in the housing of the electromechanical generator, two axes are installed with the dampers mounted on them in cross-sectional shape, close to ellipsoidal, with an eccentricity of about one and a transverse dimension of less than half the maximum transverse dimension of the channel, on the outside of the channel body both axes are connected by a synchronizing two-gear a gearbox with identical gears, an electric motor with its control system is installed to rotate one of the axes on the outside of the gearbox housing rotational speed.

2. A device for pulsating air flow with an adjustable amplitude-frequency characteristic, comprising a blower fan, a pipeline for air flow, a gate, characterized in that after the gate there is an electromechanical generator having a housing with a channel for air flow with a symmetrical cross section perpendicular air flow direction, in the channel on bearings mounted in the housing of the electromechanical generator, one axis is installed with a shutter fixed to it d, on the outer side of the body of the electromechanical generator, an electric motor with a control system for its speed is installed to rotate one damper.