RU2448300C2 - Method for efficient combustion of fuel and device for its realisation - Google Patents
Method for efficient combustion of fuel and device for its realisation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2448300C2 RU2448300C2 RU2010106745/06A RU2010106745A RU2448300C2 RU 2448300 C2 RU2448300 C2 RU 2448300C2 RU 2010106745/06 A RU2010106745/06 A RU 2010106745/06A RU 2010106745 A RU2010106745 A RU 2010106745A RU 2448300 C2 RU2448300 C2 RU 2448300C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- electromagnet
- heat
- working electrode
- voltage
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к теплоэнергетике, огневым технологиям и может найти широкое применение в теплоэнергетических установках (котельные, домны и т.д.), а также в реактивных и газотурбинных двигателях, использующих также топливные горелки для преобразования тепловой энергии горения топлива в реактивную кинетическую энергию струи пламени и отходящих газов.The invention relates to a power system, fire technology and can be widely used in heat power plants (boiler houses, blast furnaces, etc.), as well as in jet and gas turbine engines that also use fuel burners to convert the thermal energy of fuel combustion into reactive kinetic energy of a flame jet and exhaust gases.
Известны способы и устройства сжигания топлива путем подачи и взаимосвязанного регулирования топлива и окислителя в топку с последующим воспламенением топливной смеси, ее сжиганием и отводом отходящих газов в атмосферу через вытяжную трубу [1]Known methods and devices for burning fuel by supplying and interconnecting regulation of fuel and oxidizing agent in the furnace with subsequent ignition of the fuel mixture, its combustion and removal of exhaust gases into the atmosphere through an exhaust pipe [1]
Известные аналоги не обеспечивают высокого качества сгорания топлива и имеют низкие экологические показатели отходящих газов.Known analogues do not provide high quality combustion and have low environmental performance of exhaust gases.
Известны различные способы и устройства интенсификации сжигания топлива путем его предварительного подогрева (термического за счет тепла отходящих газов или электротермического), лучшего распыления и смешивания и завихрения смеси путем использования в качестве окислителя кислорода [2].There are various methods and devices for intensifying the combustion of fuel by preheating it (thermal due to the heat of the exhaust gases or electrothermal), better spraying and mixing and swirling the mixture by using oxygen as an oxidizing agent [2].
Применение всех этих способов и устройств позволяет экономить до 20% топлива, улучшить экологию сжигания топлива, однако по-прежнему не обеспечивает полного сгорания топлива и глубокой экологической очистки отходящих газов в связи с неполным взаимодействием топлива с окислителем, из-за двойного электрического слоя на границе фронта пламени, недостаточной интенсивностью протекания разветвленных цепных реакций горения, особенно низкокалорийных топлив (мазутов, угля, торфа).The application of all these methods and devices allows saving up to 20% of fuel, improving the ecology of fuel combustion, but still does not provide complete combustion of the fuel and deep environmental cleaning of the exhaust gases due to incomplete interaction of the fuel with the oxidizer, due to the double electric layer at the border flame front, insufficient intensity of branched chain combustion reactions, especially low-calorie fuels (fuel oil, coal, peat).
Наиболее близким к заявляемому способу является способ сжигания топлива в сильном электрическом поле [3], по которому в камеру сгорания одновременно поступают распыленное жидкое топливо и окислитель, которые перемешивают и поджигают электроискровым способом.Closest to the claimed method is a method of burning fuel in a strong electric field [3], in which atomized liquid fuel and an oxidizing agent simultaneously enter the combustion chamber, which are mixed and ignited by an electric spark method.
Устройство, реализующее способ-прототип [3], выполнено в виде горелки, содержащей воздуховод, топливопровод, топливный насос, топливную форсунку, камеру сгорания, расходомеры, датчики параметров отходящих газов и вытяжную трубу для отвода продуктов сгорания.A device that implements the prototype method [3] is made in the form of a burner containing an air duct, a fuel pipe, a fuel pump, a fuel nozzle, a combustion chamber, flow meters, exhaust gas parameter sensors and an exhaust pipe for exhausting combustion products.
Недостатки прототипа (способа и устройства для его осуществления) состоят в том, что топливо сгорает не полностью и часть его в виде отходов выбрасывается в атмосферу, за счет чего снижается КПД сжигания топлива и возрастают затраты на экологическую очистку отходящих из пламени газов. Все это приводит к низкой эффективности способа-прототипа и устройства-прототипа.The disadvantages of the prototype (method and device for its implementation) are that the fuel does not burn completely and part of it in the form of waste is released into the atmosphere, thereby reducing the efficiency of fuel combustion and increasing the cost of environmental cleaning of the exhaust gases from the flame. All this leads to low efficiency of the prototype method and the prototype device.
Целью настоящего изобретения является повышение эффективности сжигания топлива.The aim of the present invention is to increase the efficiency of fuel combustion.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе сжигания топлива, заключающемся во взаимосвязанной подаче топлива и окислителя в камеру сгорания, в приготовлении топливной смеси путем их перемешивания, воспламенении смеси электроискровым способом, в измерении расхода топлива и степени очистки отходящих газов, дополнительно частицы топлива и окислителя электростатически заряжают путем пропускания упомянутых частиц вдоль поверхности индуцирующего электрода, после чего смесь воспламеняют и создают внутри камеры сгорания поперечное вращающееся магнитное поле, затем изменяют величину электростатического заряда на частицах топлива и окислителя, путем изменения напряженности электрического поля в области индуцирующего электрода, а также амплитуду и частоту вращающегося магнитного поля.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of burning fuel, which consists in the interconnected supply of fuel and an oxidizing agent to the combustion chamber, in preparing the fuel mixture by mixing them, igniting the mixture with an electric spark method, in measuring fuel consumption and the degree of purification of exhaust gases, additionally fuel particles and the oxidizing agent is electrostatically charged by passing said particles along the surface of the induction electrode, after which the mixture is ignited and a burned out inside the chamber a transverse rotating magnetic field, then the magnitude of the electrostatic charge on the fuel and oxidizer particles is changed by changing the electric field in the region of the inducing electrode, as well as the amplitude and frequency of the rotating magnetic field.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство для сжигания топлива, содержащее топливную горелку, выполненную в виде трубы с фланцем, к которому прикреплена крышка, камеру сгорания, воздуховод, топливопровод, топливную форсунку, датчики расхода топлива и окислителя (воздуха), регуляторы расхода топлива и окислителя (воздуха), датчики параметров отходящих газов, дополнительно введен проходной изолятор, высоковольтный источник постоянного напряжения, рабочий электрод, устройство перемещения рабочего электрода, шаговый двигатель, источник питания шагового двигателя, электромагнит, узел охлаждения электромагнита, теплозащитная камера электромагнита, источник трехфазного переменного тока с регулируемой частотой и амплитудой и оптимизатор режимов, причем топливный насос электроизолирован от топливной магистрали, рабочий электрод расположен внутри камеры сгорания и выполнен, например, в виде кольца, устройство перемещения рабочего электрода выполнено в виде винта, на одном конце которого закреплена шестеренка, которая входит в зацепление с шестеренкой, жестко закрепленной на оси шагового двигателя, а другой конец винта выполнен в виде цилиндра и жестко соединен с внутренним кольцом шарикоподшипника, наружное кольцо шарикоподшипника жестко присоединено к держателю рабочего электрода, винт вкручен в гайку, неподвижно закрепленную в крышке, которая крепежными деталями присоединена к фланцу топливной горелки, электромагнит выполнен из набора пластин из ферримагнитного материала, например электротехнической стали или пермаллоя, в виде круглого полого цилиндрического тела, при этом на внутренней цилиндрической образующей поверхности магнитного сердечника выполнены пазы, внутри которых размещены катушки электромагнита в количестве не менее двух, например три намагничивающие катушки, расположенные под углом 120° друг относительно друга, при этом катушки электромагнита выполнены из проводящих, например, медных, полых трубок с форсированным охлаждением, покрытых теплостойким электроизоляционным материалом, концы обмоток через проходной изолятор, выполненный из жаростойкой керамики, выведены через корпус горелки и герметично присоединены через диэлектрические, например, через керамические трубки, к системе подачи охладителя, к внешней стороне выведенного конца намагничивающих катушек подключена одна из фаз источника трехфазного напряжения с регулируемой амплитудой и частотой, узел охлаждения электромагнита состоит из змеевика и системы подачи охладителя, причем змеевик выполнен из трубы из теплопроводного немагнитного материала, например меди, труба изогнута в виде двух цилиндрических спиралей, одна из которых охватывает внешнюю цилиндрическую поверхность электромагнита и контактирует с ней, а вторая спираль входит во внутренний цилиндр электромагнита и контактирует с ним, при этом электромагнит совместно с узлом охлаждения электромагнита размещен внутри теплозащитной камеры, выполненной, например, в виде двух коаксиальных цилиндров из немагнитного жаропрочного коррозионно-стойкого материала, например, керамики, на внешнем цилиндре теплозащитной камеры выполнены полые выводы для подсоединения к намагничивающим катушкам выходов фаз источника трехфазного напряжения, выводы имеют патрубки, сообщающиеся с внутренней полостью катушек электромагнита, к выводам патрубков через электроизоляционные трубки подключена система подачи охладителя, теплозащитная камера с торцов заглушена кольцеобразными крышками, выполненными из того же немагнитного жаропрочного коррозионно-стойкого материала, что и теплозащитная камера, в одной из крышек выполнены два отверстия, через которые выходят концы трубы узла охлаждения электромагнита, внутри камеры вокруг электромагнита и под торцевыми крышками проложен слой теплоизоляционного материала, например асбеста, центральная ось симметрии теплозащитной камеры совпадает с центральной осью симметрии камеры сгорания, выходы источника питания шагового двигателя присоединены к входам катушек статора шагового двигателя, один выход высоковольтного источника постоянного напряжения присоединен через проходной изолятор к форсунке, а другой выход высоковольтного источника постоянного напряжения присоединен к рабочему электроду и заземлен, выходы всех перечисленных выше датчиков расхода топлива и окислителя, параметров отходящих газов и тока присоединены к входам оптимизатора режима, а выходы оптимизатора присоединены к входу управления высоко-вольтного источника постоянного напряжения, к входу управления источника трехфазного переменного тока, к входу управления источником питания шаговым двигателем, к входу регуляторов расхода топлива и окислителя (воздуха).The specified technical result is achieved in that in a device for burning fuel containing a fuel burner made in the form of a pipe with a flange to which a cover, a combustion chamber, an air duct, a fuel pipe, a fuel nozzle, fuel and oxidizer (air) flow sensors, flow regulators are attached fuel and oxidizer (air), exhaust gas parameters sensors, an additional bushing, a high-voltage constant voltage source, a working electrode, a working electrode moving device, are additionally introduced th engine, stepper motor power supply, electromagnet, electromagnet cooling unit, electromagnet heat shield, three-phase alternating current source with adjustable frequency and amplitude and mode optimizer, the fuel pump being electrically isolated from the fuel line, the working electrode is located inside the combustion chamber and, for example, in the form of a ring, the working electrode moving device is made in the form of a screw, on one end of which a gear is fixed, which engages with gears oh, rigidly fixed to the axis of the stepper motor, and the other end of the screw is made in the form of a cylinder and is rigidly connected to the inner ring of the ball bearing, the outer ring of the ball bearing is rigidly attached to the holder of the working electrode, the screw is screwed into the nut, fixed in the cover, which is attached to the fasteners to the fuel burner flange, the electromagnet is made of a set of plates made of ferrimagnetic material, for example, electrical steel or permalloy, in the form of a round hollow cylindrical body, while and grooves are made in the inner cylindrical generatrix of the surface of the magnetic core, inside of which there are placed electromagnet coils in an amount of at least two, for example, three magnetizing coils located at an angle of 120 ° relative to each other, while the electromagnet coils are made of conductive, for example, copper, hollow tubes with forced cooling, covered with heat-resistant insulating material, the ends of the windings through a bushing made of heat-resistant ceramics are brought out through the burner body and one of the phases of a three-phase voltage source with adjustable amplitude and frequency is connected to the cooling system, to the external side of the output end of the magnetizing coils, and the cooling unit of the electromagnet consists of a coil and a cooler supply system from a pipe made of a heat-conducting non-magnetic material, such as copper, the pipe is bent in the form of two cylindrical spirals, one of which covers the outer cylindrical the surface of the electromagnet and contacts with it, and the second spiral enters and contacts the inner cylinder of the electromagnet, while the electromagnet together with the cooling unit of the electromagnet is placed inside a heat-shielding chamber made, for example, in the form of two coaxial cylinders made of non-magnetic heat-resistant corrosion-resistant material for example, ceramics, hollow leads are made on the outer cylinder of the heat-shielding chamber for connecting to the magnetizing coils the outputs of the phases of the three-phase voltage source, you odes have nozzles communicating with the internal cavity of the electromagnet coils, a cooler supply system is connected to the terminals of the nozzles through the insulating tubes, the heat-shielding chamber from the ends is sealed with ring-shaped caps made of the same non-magnetic heat-resistant corrosion-resistant material as the heat-shielding chamber, in one of the caps two openings are made through which the ends of the pipe of the electromagnet cooling unit exit, inside the chamber around the electromagnet and under the end caps a layer of heat is laid of zolotoy material, for example asbestos, the central axis of symmetry of the heat-shielding chamber coincides with the central axis of symmetry of the combustion chamber, the outputs of the stepper motor power supply are connected to the inputs of the stator coils of the stepper motor, one output of the high-voltage constant voltage source is connected through the bushing to the nozzle, and the other output of the high-voltage source DC voltage connected to the working electrode and grounded, the outputs of all of the above fuel consumption sensors and oxidizer , parameters of exhaust gases and current are connected to the inputs of the mode optimizer, and the outputs of the optimizer are connected to the control input of a high-voltage DC voltage source, to the control input of a three-phase alternating current source, to the input of the power source control by a stepper motor, to the input of the fuel and oxidizer flow regulators ( air).
Развитие изобретения-устройства состоит в том, что теплозащитная камера электромагнита помещена внутри корпуса горелки и своим внутренним цилиндром охватывает область факела пламени.The development of the invention-device consists in the fact that the heat-protective chamber of the electromagnet is placed inside the burner body and with its inner cylinder covers the flame region.
Развитие изобретения-устройства состоит в том, что корпус горелки выполнен из немагнитного жаропрочного коррозионно-стойкого материала, например керамики, теплозащитная камера электромагнита размещена вне камеры сгорания и своей внутренней цилиндрической образующей поверхностью охватывает корпус горелки.The development of the invention-device consists in the fact that the burner body is made of non-magnetic, heat-resistant, corrosion-resistant material, such as ceramics, the heat shield of the electromagnet is placed outside the combustion chamber and covers the burner body with its inner cylindrical generating surface.
На фиг.1 представлена схема устройства, реализующего заявляемый способ, при которой электромагнит находится внутри камеры сгорания.Figure 1 presents a diagram of a device that implements the inventive method, in which the electromagnet is located inside the combustion chamber.
На фиг.2 представлена схема устройства, реализующего заявляемый способ, при которой электромагнит охватывает камеру сгорания.Figure 2 presents a diagram of a device that implements the inventive method, in which the electromagnet covers the combustion chamber.
На фиг.3 приведена схема высоковольтного источника постоянного напряжения.Figure 3 shows a diagram of a high voltage DC voltage source.
На фиг.4, фиг.5, фиг.6, фиг.7, фиг.8 и фиг.9 схематически пояснен принцип создания магнитного вращающегося поля внутри горелки.In Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7, Fig. 8 and Fig. 9, the principle of creating a magnetic rotating field inside the burner is schematically explained.
Устройство для осуществления способа сжигания топлива изображено на фиг.1 и фиг.2. Все обозначения на фиг.1 и фиг.2 идентичны, а отличие заключается только в вариантах расположения электромагнита: на фиг.1 - теплозащитная камера электромагнита находится внутри корпуса горелки, а на фиг.2 теплозащитная камера электромагнита находится снаружи корпуса горелки и своим внутренним образующим цилиндром охватывает корпус горелки, причем в этом случае корпус горелки выполнен из немагнитного жаропрочного коррозионно-стойкого материала, например керамики. Принцип работы и физические процессы в обоих вариантах одинаковы. Поэтому в дальнейшем мы ограничимся описанием устройства, изображенного на фиг.1.A device for implementing the method of burning fuel is depicted in figure 1 and figure 2. All the designations in Fig. 1 and Fig. 2 are identical, and the difference is only in the location of the electromagnet: in Fig. 1 - the heat shield of the electromagnet is located inside the burner body, and in Fig. 2 the heat shield of the electromagnet is located outside the burner body and its internal generatrix the cylinder covers the burner body, and in this case, the burner body is made of non-magnetic heat-resistant corrosion-resistant material, such as ceramic. The principle of operation and physical processes are the same in both cases. Therefore, in the future, we restrict ourselves to the description of the device depicted in figure 1.
Устройство для осуществления способа сжигания топлива содержит воздуховод 1, топливопровод 2, врезанный герметично в воздуховод 1 с топливным насосом 3, корпус 4 горелки, диффузор 5, внутри которого размещен расширительный воздуховод 6, укрепленный на диффузоре 5 и проходящий внутри второго конического диффузора 7, который механически прикреплен на диффузоре 5 фланцевым соединением на крышке 8. Внутренний топливопровод 2 имеет на конце топливную форсунку 9. Устройство содержит также датчики 10 расхода топлива и окислителя, регуляторы 11 подачи топлива и окислителя, датчики 12 параметров отходящих газов. В устройство введен проходной изолятор 13, размещенный коаксиально снаружи воздуховода 1 и жестко удерживающий его внутри наружного диффузора 5, высоковольтный источник 14 постоянного напряжения, рабочий электрод 15, шаговый двигатель 16, источник питания 17 шагового двигателя, электромагнит 18. В устройство введен также источник 19 трехфазного переменного тока с регулируемой частотой и амплитудой, устройство перемещения рабочего электрода, которое выполнено в виде винта 20, на одном конце которого жестко закреплена шестерня 21. Шестерня 21 входит в зацепление с шестерней 22, жестко закрепленной на оси шагового двигателя 17.A device for implementing the method of burning fuel comprises an
Другой конец винта 20 выполнен в виде цилиндра и жестко соединен с внутренним кольцом шарикоподшипника 23, наружное кольцо шарикоподшипника 23 жестко присоединено к держателю 24 рабочего электрода, винт 20 вкручен в гайку, неподвижно закрепленную в крышке 8, станина шагового двигателя 16 жестко закреплена на платформе 25.The other end of the screw 20 is made in the form of a cylinder and is rigidly connected to the inner ring of the ball bearing 23, the outer ring of the ball bearing 23 is rigidly attached to the
Электромагнит 18 выполнен из набора пластин из ферримагнитного материала, например пермаллоя или электротехнической стали, в виде круглого полого цилиндрического тела. На внутренней цилиндрической образующей поверхности магнитного сердечника выполнены пазы, внутри которых размещены катушки 26 электромагнита 18 в количестве не менее двух, например три намагничивающие катушки, расположенные под углом 120° друг относительно друга, причем каждая из намагничивающих катушек подключена к одной из фаз источника 19 трехфазного напряжения с регулируемой амплитудой и частотой. Узел охлаждения электромагнита состоит из змеевика 27 и системы охлаждения. Змеевик 27 выполнен из теплопроводного немагнитного материала, например меди, в виде трубы. При этом труба изогнута в виде двух цилиндрических спиралей 28 и 29, одна из которых охватывает внешнюю цилиндрическую поверхность электромагнита 18 и контактирует с ней. Вторая спираль 29 входит во внутренний цилиндр электромагнита 18 и контактирует с ним. Система охлаждения узла охлаждения представляет собой водопровод, состоящий из труб с водопроводным краном. Электромагнит 18 совместно с узлом охлаждения электромагнита размещен внутри теплозащитной камеры, выполненной, например, в виде двух коаксиальных цилиндров 30 и 31 из немагнитного жаропрочного коррозионно-стойкого материала, например керамики. Теплозащитная камера с торцов заглушена кольцеобразными крышками 32 и 33, выполненными из того же немагнитного жаропрочного коррозионно-стойкого материала, что и теплозащитная камера. На крышках 32 и 33 теплозащитной камеры выполнены трубчатые выводы 34, которые через проходной изолятор 35 и корпус 4 горелки выведены наружу, для подвода внутрь витков обмоток форсированного охлаждения, и для подсоединения к намагничивающим катушкам выходов фаз источника 19 трехфазного напряжения. В одной из крышек выполнены два отверстия, через которые выходят концы трубы 36 и 37 узла охлаждения электромагнита 18. Внутри камеры вокруг электромагнита и под торцевыми крышками проложен слой 38 теплоизоляционного материала, например асбеста. В устройство введен также оптимизатор 39 режима. Центральная ось симметрии теплозащитной камеры совпадает с центральной осью симметрии камеры сгорания. При этом топливный насос 3 электроизолирован от топливной магистрали, рабочий электрод 15 расположен внутри камеры сгорания горелки и выполнен, например, в виде кольца. Выходы источника 16 питания шагового двигателя присоединены к входам катушек статора шагового двигателя. Один выход высоковольтного постоянного источника 14 высоковольтного напряжения присоединен через проходной изолятор 13 к форсунке 9, а другой выход источника 14 высоковольтного постоянного напряжения присоединен к рабочему электроду 15 и заземлен. Выходы всех перечисленных выше датчиков: датчики 10 подачи топлива и окислителя, датчики 12 параметров отходящих газов, присоединены к входам оптимизатора 39 режима, а выходы оптимизатора 39 режима присоединены к входу управления источника 14 высоковольтного постоянного напряжения, к входу управления источника 19 трехфазного переменного тока, к входу управления источника питания 17 шаговым двигателем, к входам регуляторов 11 подачи топлива и окислителя (воздуха).The
Рассмотрим реализацию предлагаемого способа на примере топливной горелки, показанной в упрощенном виде на фиг.1.Consider the implementation of the proposed method on the example of a fuel burner, shown in a simplified form in figure 1.
Предлагаемый способ сжигания топлива заключается во взаимосвязанной подаче топлива и окислителя в камеру сгорания, в приготовлении топливной смеси путем их турбулентного перемешивания, воспламенении смеси электроискровым способом, в измерении расхода топлива и степени очистки отходящих газов. В предлагаемом способе, с целью повышения эффективности сгорания топлива и интенсификации горения факела пламени, частицы топлива и окислителя электростатически заряжают. В настоящее время для электростатической зарядки частиц используют три способа [4]:The proposed method of burning fuel consists in the interconnected supply of fuel and an oxidizing agent to the combustion chamber, in preparing the fuel mixture by turbulent mixing, igniting the mixture with an electric spark method, in measuring fuel consumption and the degree of purification of exhaust gases. In the proposed method, in order to increase the efficiency of fuel combustion and intensify the combustion of the flame, the fuel particles and oxidizer are electrostatically charged. Currently, three methods are used for electrostatic charging of particles [4]:
путем осаждения на поверхность частицы ионов из объема газа, окружающего частицу;by deposition on the surface of a particle of ions from the volume of gas surrounding the particle;
путем электростатической индукции, которая происходит в результате разделения зарядов при контакте частиц с электродом, находящимся под потенциалом;by electrostatic induction, which occurs as a result of the separation of charges upon contact of particles with an electrode under a potential;
путем механической, химической и тепловой электризации.by mechanical, chemical and thermal electrification.
Реализация первого способа электростатической зарядки частиц, как правило, осуществляется в зоне горения коронного разряда, что не приемлемо в условиях сжигания топлива.The implementation of the first method of electrostatic charging of particles, as a rule, is carried out in the combustion zone of the corona discharge, which is not acceptable in the conditions of fuel combustion.
Реализация третьего способа электростатической зарядки частиц не дает ощутимого эффекта и требует создания дополнительных условий для осуществления этого способа.The implementation of the third method of electrostatic charging of particles does not give a tangible effect and requires the creation of additional conditions for the implementation of this method.
В заявляемом способе использован второй (индукционный) способ электростатической зарядки частиц, который достаточно эффективен и относительно просто реализуется на практике.In the inventive method, the second (induction) method of electrostatic charging of particles is used, which is quite effective and relatively easy to implement in practice.
Поэтому в заявляемом способе поток частиц топливно-воздушной смеси пропускают вдоль поверхности индуцирующего электрода, после чего смесь воспламеняют. В качестве окислителя чаще всего используют воздух, хотя иногда применяют кислород или озон. Электростатическая зарядка частиц топлива и окислителя (воздуха) необходима для того, чтобы заряженные частицы топлива и окислителя (воздуха), попадая в продольное, направленное вдоль факела пламени электрическое поле, приобретали дополнительную кинетическую энергию, которая способствует повышению эффективности взаимодействия частиц между собой, преобразованию тепловой энергии горящего топлива в реактивную кинетическую энергию струи пламени и газов. При попадании электростатически заряженных частиц в продольное поле происходит упорядочивание теплового движения ионизированных и поляризованных частиц топлива и отходящих газов силовым кулоновским воздействием на них, направленным вдоль вектора поля. Знак заряда частиц можно изменять путем изменения знака потенциала на индуцирующем электроде. При положительном потенциале на индуцирующем электроде, относительно заземленного рабочего электрода, частицы топлива и окислителя (воздуха) воздуха приобретают положительный электростатический заряд. При отрицательном знаке потенциала на индуцирующем электроде, относительно заземленного рабочего электрода, частицы топлива и окислителя (воздуха) приобретают отрицательный электростатический заряд. Величину заряда частиц топливно-воздушной смеси можно изменять путем изменения напряженности электрического поля вблизи индуцирующего электрода. Упомянутую напряженность электрического поля можно изменять либо изменением абсолютной величины потенциала на индуцирующем электроде, либо изменением расстояния между индуцирующим и рабочим электродами, либо одновременным и взаимосогласованным изменением обеих этих величин.Therefore, in the inventive method, a stream of particles of the air-fuel mixture is passed along the surface of the induction electrode, after which the mixture is ignited. Air is most often used as an oxidizing agent, although oxygen or ozone is sometimes used. Electrostatic charging of fuel particles and oxidizer (air) is necessary so that charged particles of fuel and oxidizer (air), getting into a longitudinal electric field directed along the flame, acquire additional kinetic energy, which helps to increase the efficiency of interaction of particles with each other, the conversion of heat energy of burning fuel into reactive kinetic energy of a jet of flame and gases. When electrostatically charged particles enter a longitudinal field, the thermal motion of ionized and polarized particles of fuel and exhaust gases is ordered by the Coulomb force effect on them directed along the field vector. The sign of the particle charge can be changed by changing the sign of the potential on the induction electrode. With a positive potential at the inducing electrode, relative to the grounded working electrode, the fuel particles and the oxidizing agent (air) of the air acquire a positive electrostatic charge. With a negative sign of the potential on the inducing electrode, relative to the grounded working electrode, the particles of fuel and oxidizer (air) acquire a negative electrostatic charge. The magnitude of the charge of the particles of the air-fuel mixture can be changed by changing the electric field near the induction electrode. The mentioned electric field strength can be changed either by changing the absolute value of the potential on the inducing electrode, or by changing the distance between the inducing and working electrodes, or by simultaneously and mutually agreeing changes in both of these values.
Для более эффективного сгорания топлива в камере сгорания создают поперечное вращающееся магнитное поле. Электростатически заряженные частицы топлива и окислителя, перемещаясь в камере сгорания вдоль вектора электрического поля, попадая в поперечное магнитное поле, отклоняются под действием силы Лоренца от прямолинейной траектории в ту или иную сторону, в зависимости от знака заряда частиц, направления напряженности магнитного поля и направления их первоначального движения. В поперечном магнитном поле струя потока этих электростатически заряженных частиц изгибается, и, если магнитное поле вращается, то и изогнутая струя потока заряженных частиц также начинает вращаться. В процессе горения топлива пламя представляет собой плазму и состоит из положительно и отрицательно заряженных частиц топлива и окислителя (воздуха). В пламени, при отсутствии внешних электрических и магнитных полей, возникают двойные электрические слои, которые препятствуют интенсивному сжиганию топлива. Во вращающемся поперечном магнитном поле происходит разрушение этих двойных электрических слоев. За счет изгиба и вращения потоков заряженных частиц горючего и окислителя (воздуха) путь каждой из частиц потока значительно увеличивается, происходит их более эффективное перемешивание, увеличивается количество актов взаимодействия частиц топлива с частицами окислителя, и эти процессы приводят к существенному повышению эффективности сжигания топлива. Кроме того, частицы горючего и окислителя имеют разную массу, различные потенциалы ионизации и другие характеристики. Это приводит к тому, что частицы топлива и окислителя (воздуха), проходя вдоль индуцирующего электрода, приобретают различные электростатические заряды, и, имея различные массы, начинают двигаться с разными скоростями. Разный заряд, приобретенный частицами, прошедшими вблизи индуцирующего электрода, разные массы и скорости движения частиц также существенно увеличивают количество актов взаимодействий между ними, что приводит к повышению эффективности горения.For more efficient combustion of the fuel in the combustion chamber create a transverse rotating magnetic field. Electrostatically charged particles of fuel and oxidizer, moving in the combustion chamber along the electric field vector, falling into a transverse magnetic field, deviate under the influence of the Lorentz force from a straight trajectory in one direction or another, depending on the sign of the particle charge, the direction of the magnetic field and their direction initial movement. In a transverse magnetic field, the stream of flow of these electrostatically charged particles bends, and if the magnetic field rotates, then the curved stream of stream of charged particles also begins to rotate. In the process of fuel combustion, the flame is a plasma and consists of positively and negatively charged particles of fuel and an oxidizing agent (air). In the flame, in the absence of external electric and magnetic fields, double electric layers arise, which prevent the intensive burning of fuel. In a rotating transverse magnetic field, these double electric layers are destroyed. Due to the bending and rotation of the flows of charged particles of fuel and oxidizer (air), the path of each of the particles of the stream increases significantly, their mixing is more efficient, the number of acts of interaction of fuel particles with oxidizer particles increases, and these processes lead to a significant increase in the efficiency of fuel combustion. In addition, the particles of fuel and oxidizing agent have different masses, different ionization potentials and other characteristics. This leads to the fact that particles of fuel and oxidizer (air), passing along the induction electrode, acquire various electrostatic charges, and having different masses, begin to move at different speeds. Different charges acquired by particles passing near the inducing electrode, different masses and particle velocities also significantly increase the number of interactions between them, which leads to an increase in combustion efficiency.
Топливная горелка работает следующим образом.Fuel burner operates as follows.
Вначале подают окислитель (воздух) в воздуховод 1 и топливо от топливного насоса 3 через топливопровод 2 и форсунку 9, затем предварительно смешивают их и воспламеняют полученную топливовоздушную смесь, например, электроискровым способом. Затем измеряют расход топлива и воздуха датчиками 10 расхода топлива и окислителя (воздуха) и параметры отходящих газов, датчиками 12 параметров отходящих газов, и регулируют подачу топлива и окислителя (воздуха регуляторами 11 подачи топлива и окислителя (воздуха), в зависимости от сигналов, поступивших от оптимизатора 39 режима, например, по критерию минимального расхода топлива при заданных параметрах отходящих газов. Затем включают высоковольтный источник 14 постоянного напряжения, подают через проходной изолятор 13 к форсунке 9 высоковольтный потенциал, а второй выход высоковольтного источника постоянного напряжения 14 подключают к рабочему электроду 15, который заземляют. Знак потенциала на выходе высоковольтного источника постоянного напряжения 14 можно изменять, в зависимости от вида топлива, с положительного на отрицательный, путем переключения полярности этого источника. Схема высоковольтного источника 14 постоянного напряжения изображена на фиг.3. Высоковольтный источник 14 напряжения состоит из регулируемого преобразователя 40 и коммутатора 41 выходного напряжения. Позицией 42 обозначен источник постоянного напряжения с выходным напряжением 12 В. Высоковольтный источник 14 постоянного напряжения позволяет изменять полярность выходного потенциала, подаваемого на форсунку 9, с положительного на отрицательный. Абсолютное значение потенциала на выходе высоковольтного регулируемого преобразователя 40 можно непрерывно изменять от 0 до 10 кВ, с оптимизатора режимов 39. Высоковольтный преобразователь напряжения работает следующим образом.First, the oxidizing agent (air) is supplied to the
Регулируемый преобразователь 40 формирует регулируемое высоковольтное напряжение. Коммутатор 41 выходного напряжения осуществляет переключение полярности выходного потенциала. Коммутатор 41 выполнен на основе высоковольтных реле. Регулирование значения выходного потенциала осуществляется аналоговым сигналом с оптимизатора 39 режимов.
Оптимизатор 39 режимов выполнен на базе микропроцессора ATmega64-16AI. Оптимизатор 39 режимов позволяет изменять все режимы и параметры вручную, с панели управления режимов, либо автоматически, по определенной программе, зашитой в микропроцессор.The optimizer of 39 modes is based on the ATmega64-16AI microprocessor.
После подключения высоковольтного источника 14 напряжения, независимо от того, какую полярность имеет выходной потенциал относительно заземленного рабочего электрода 15, приступают к предварительной оптимизации режимов, путем регулирования выходных параметров: абсолютного значения потенциала на выходе источника 14 высоковольтного постоянного напряжения, токов - входного и выходного, взаимосвязано с регулированием положения кольцевого рабочего электрода 15. Регулированием указанных выше параметров изменяют знак заряда и его величину на частицах топливно-воздушной смеси, скорость их движения и, следовательно, кинетическую энергию.After connecting the high-
Изменение расстояние между форсункой 9 и рабочим электродом 15 осуществляют при помощи шагового двигателя 16 и устройства перемещения рабочего электрода. Перемещение рабочего электрода 15 в продольном направлении осуществляют следующим образом. Оптимизатор 39 режима вырабатывает импульсы положительной или отрицательной полярности. Полярность вырабатываемых импульсов зависит от того, в какую сторону следует перемещать рабочий электрод: к форсунке 9 или от нее. Выработанные в оптимизаторе 39 режима импульсы поступают на вход источника питания 17 шагового двигателя 16. Источник питания 17 преобразует эти импульсы в импульсное питание катушек статора шагового двигателя 16. Якорь шагового двигателя под воздействием магнитного поля катушек статора поворачивается на определенный угол, величина которого определяется количеством импульсов, поступивших от оптимизатора 39 режима. Ось якоря шагового двигателя 16 с насаженной на нее шестерней 22 также поворачивается на определенный угол. Вращение оси шагового двигателя передается на шестерню 21 винта 20. Шестерня 21 вместе с винтом 20 поворачиваются на определенный угол. Винт 20 начинает вкручиваться в гайку, жестко закрепленную на крышке 8, или выкручиваться из этой гайки, в зависимости от требуемого направления перемещения рабочего электрода 15. При этом происходит продольное перемещение винта 20 по направлению к форсунке 9 или от нее. Винт 20 свободно проворачивается в шарикоподшипнике 23, что позволяет исключить вращательное движение держателя 24 рабочего электрода и соответственно самого рабочего электрода 15. Под действием продольного перемещения держателя 24 рабочего электрода 15 происходит продольное перемещение рабочего электрода 15 к форсунке 9 или от нее. Выработка отрицательных или положительных импульсов с оптимизатора 39 режима зависит от того, повышается или снижается эффективность сжигания топлива в горелке. Выработка импульсов происходит следующим образом. Допустим, было решено оптимизировать процесс сжигания топлива по критерию минимизации выброса вредных веществ в струе отходящих газов. Для оптимизации по выбранному критерию вначале измеряют параметры отходящих газов без подачи на форсунку 9 высоковольтного потенциала.Changing the distance between the nozzle 9 and the working
После измерения параметров отходящих газов устанавливают на выходе источника высоковольтного напряжения некоторое фиксированное значение потенциала, отрицательной или положительной полярности относительно заземленного электрода, и задают перемещение рабочего электрода 15 в блоке оптимизации 39 режимов в ту или иную сторону, например, в сторону форсунки 9. В процессе перемещения рабочего электрода постоянно, при помощи датчика 12 параметров отходящих газов, измеряются параметры этих газов. Перемещение электрода 15 осуществляют до тех пор, пока происходит улучшение состава отходящих газов, под которым понимают снижение концентрации выбросов вредных веществ в атмосферу, например, окислов азота, окислов серы и др. Если это улучшение прекращается, то фиксируют (запоминают) в оптимизаторе режима то положение рабочего электрода 15 относительно форсунки 9, при котором достигнуто наилучшее значение параметров отходящих газов. Под наилучшим значением параметров отходящих газов понимают такое значение, при котором концентрация выбросов вредных веществ в атмосферу минимальна. После этого значение абсолютной величины потенциала на выходе регулируемого источника высокого напряжения изменяют на некоторую величину, и описанный выше процесс повторяют вновь. Такая процедура настройки режимов на сжигание топлива повторяется до тех пор, пока для используемого вида топлива не определены оптимальные режимы: знак и величина потенциала на выходе высоковольтного преобразователя напряжения и расстояние между форсункой и рабочим электродом.After measuring the parameters of the exhaust gases, a certain fixed value of potential, of negative or positive polarity relative to the grounded electrode is installed at the output of the high-voltage voltage source, and the working
Если при перемещении рабочего электрода 15 в сторону форсунки 9 происходит ухудшение параметров отходящих газов, то оптимизатор 39 режима начинает вырабатывать отрицательные импульсы, и электрод начнет удаляться от форсунки 9. Путем взаимосвязанного изменения значения напряжения на выходе регулируемого источника высоковольтного напряжения 14 и перемещения рабочего электрода в ту или иную сторону обеспечивают тем самым электрополевое "сжимание" пламени в вертикальной (продольной) плоскости и "растягивание", расширение его в горизонтальной (поперечной) плоскости.If when moving the working
Следует отметить, что шаговый двигатель 16 необходим только в процессе настройки горелки на оптимальные режимы при смене вида топлива, либо в некоторых иных случаях, например, после длительного простоя установки или после ее ремонта.It should be noted that the
Критерием правильной настройки данной системы параметров электрического поля горелки, стимулирующего эффективность сжигания топлива, является достижение наилучшей степени экологической очистки отходящих газов при заданных параметрах по расходу топлива и электроэнергии. Все эти оптимизационные режимы достигают путем перенастройки оптимизатором 39 режима работы высоковольтного источника 14 электрического поля и изменения положения кольцевого рабочего электрода 15, относительно фронта пламени в топливной горелке.The criterion for the correct adjustment of this system of parameters of the electric field of the burner, which stimulates the efficiency of fuel combustion, is to achieve the best degree of environmental cleaning of the exhaust gases at the given parameters for fuel and electricity consumption. All these optimization modes are achieved by reconfiguring the
После достижения оптимальных режимов горения топлива, достигнутого при воздействии на потоки топлива и окислителя (воздуха) высоковольтного электрического напряжения, приступают к дальнейшей, окончательной оптимизации режимов горения. Для этого устанавливают оптимальные значения параметров горения, достигнутые в предыдущей предварительной оптимизации: знак и величину потенциала на выходе высоковольтного преобразователя напряжения и значение расстояния между форсункой и рабочим электродом. После установления достигнутых в предварительной оптимизации параметров горения, через катушки электромагнита 26 пропускают ток, подключая к ним источник 19 трехфазного напряжения. Протекающий по катушкам ток создает в газовой камере поперечное магнитное вращающееся поле. Под воздействием этого поперечного вращающегося магнитного поля электростатически заряженные частицы топлива и окислителя отклоняются от той первоначальной траектории, которую они имели до воздействия на них поперечного магнитного поля. Струя потока заряженных частиц топлива и окислителя под воздействием поперечного магнитного поля изгибается и начинает вращаться. Степень изгиба струи потока заряженных частиц зависит от амплитуды вращающегося магнитного поля, массы и заряда этих частиц, а скорость и частота их вращения определяется частотой магнитного вращающегося поля. Оптимизатор режима 39 вырабатывает управляющие воздействия, которые поступают на вход источника переменного трехфазного напряжения 19. В зависимости от значений управляющих воздействий, поступающих на вход источника трехфазного напряжения 19, происходит плавное изменение амплитуды и частоты питающего тока подмагничивающих катушек 26 электромагнита, что изменяет амплитуду и частоту вращения магнитного поля. При изменении амплитуды вращающегося магнитного поля, как было сказано выше, изменяется угол изгиба струи потока заряженных частиц, что позволяет изменять степень «сжатия» факела пламени в продольном направлении и степень «расширения» факела пламени в поперечном направлении. Изменением частоты вращения электромагнитного поля добиваются значительного повышения интенсивности перемешивания заряженных частиц топлива и окислителя, существенно увеличивается количество актов их взаимодействия. Взаимосвязанным изменением амплитуды и частоты магнитного поля добиваются оптимального сжигания топлива по заданному критерию, используя для оптимизации датчики 10 подачи топлива и окислителя (воздуха), датчики 12 отходящих газов, регуляторы 11 подачи топлива и окислителя (воздуха), и оптимизатора 39 режимов. При нормальной работе горелки, для предотвращения перегрева обмоток электромагнита используют узел охлаждения, состоящий из змеевика, выполненного из медной трубки 27, теплозащитной камеры из немагнитного жаропрочного материала и слоя 38 теплоизоляционного материала, например асбеста. В зависимости от конструкции горелки и магнитного сердечника, магнитный сердечник с катушками, системой охлаждения и теплозащитным узлом может располагаться с внешней стороны корпуса горелки (см. фиг.1), охватывая этот корпус, либо внутри корпуса горелки (см. фиг.2).After achieving optimal combustion modes of the fuel achieved by exposing the flows of fuel and oxidizer (air) to high voltage electrical voltage, they proceed to further, final optimization of the combustion regimes. For this, the optimal values of the combustion parameters achieved in the previous preliminary optimization are established: the sign and value of the potential at the output of the high-voltage voltage converter and the distance value between the nozzle and the working electrode. After establishing the combustion parameters achieved in the preliminary optimization, a current is passed through the coils of the
Пример конкретного выполнения. Для реализации заявляемого способа и реактора была собрана установка, изображенная на фиг.1.An example of a specific implementation. To implement the inventive method and reactor, the assembly depicted in figure 1 was assembled.
Устройство для осуществления способа сжигания топлива было собрано на базе горелки асфальтобетонного завода марки ДС-117, содержит воздуховод 1, топливопровод 2, врезанный герметично в воздуховод 1 с топливным насосом 3, корпус 4 горелки, диффузор 5, внутри которого размещен расширительный воздуховод 6, укрепленный на диффузоре 5, и проходящий внутри второго конического диффузора 7, который механически прикреплен на диффузоре 5 фланцевым соединением на крышке 8. Внутренний топливопровод 2 имеет на конце топливную форсунку 9. Устройство содержит также датчики 11 расхода топлива и окислителя (воздуха), регуляторы 11 расхода топлива и окислителя (воздуха), датчики 12 параметров отходящих газов. В устройство дополнительно введен проходной изолятор 13, размещенный коаксиально снаружи воздуховода 1 и жестко удерживающий его внутри наружного диффузора 5, высоковольтный источник 14 постоянного напряжения, рабочий электрод 15, шаговый двигатель 16, источник питания 17 шагового двигателя, электромагнит 18, источник 19 трехфазного переменного тока с регулируемой частотой и амплитудой, причем топливный насос 3 электроизолирован от топливной магистрали.A device for implementing the method of burning fuel was assembled on the basis of a burner of an asphalt concrete plant of the ДС-117 brand, it contains an
Рабочий электрод 15 расположен внутри камеры сгорания и выполнен, например, в виде кольца, устройство перемещения рабочего электрода выполнено в виде винта 20, с резьбой М10. На одном конце винта жестко закреплена шестерня 21, диаметр которой был равен 24 мм. Шестерня 21 имела 12 зубьев. Высота каждого зуба была равна 4 мм. Толщина шестерни была равна 200 мм. Шестерня 21 входила в зацепление с шестерней 22, жестко закрепленной на оси шагового двигателя 16. Шестерня 22 была полностью идентична шестерне 21. Расстояние, на которое мог перемещаться в продольном направлении рабочий электрод 15, относительно форсунки 9, определялось совокупной толщиной шестерен 21 и 22 и равнялось 400 мм. Другой конец винта 20 выполнен в виде цилиндра и впрессован во внутреннее кольцо шарикоподшипника 23. Наружное кольцо шарикоподшипника 23 жестко присоединено к держателю 24 рабочего электрода, винт 20 вкручен в гайку М10, неподвижно закрепленную на крышке 8. Поверхности форсунки 9, рабочего электрода 15 и элементов устройства для перемещения рабочего электрода были выполнены из жаропрочного коррозионно-стойкого металла - титана.The working
Станина шагового двигателя 16 жестко закреплена на платформе 25, которая могла жестко фиксироваться крепежными прижимами к неподвижной станине. При ослаблении крепежных зажимов платформу можно было перемещать в горизонтальной плоскости. Магнитный сердечник электромагнита 18 был выполнен из листовой электротехнической стали. Пакет магнитного сердечника был набран из колец листовой электротехнической стали. Наружный диаметр этих колец был равен 48 см, а внутренний диаметр 28 см. На внутренней образующей колец, а следовательно, и магнитного сердечника, были выполнены 6 пазов под электромагнитные катушки 26 электромагнита. В пазы были расположены три одинаковые катушки под углом 120° друг относительно друга. Катушки были подключены соответственно к фазам трехфазного источника питания таким образом, чтобы токи были симметричны. Катушки были выполнены из полых медных проводов прямоугольного сечения с толщиной стенки, равной 1,5 мм. Катушки имели трубчатые медные выводы 34, которые через проходной изолятор 35, вмонтированный корпус 4 горелки, выводились наружу и использовались для форсированного внутрипроводникового охлаждения катушек электромагнита. Через выводы 34 внутрь полого провода катушек электромагнита можно было подводить через трубопровод, выполненный из неэлектропроводного материала, например из жаростойкой керамики, и выводить из витков охладитель, например воздух. К поверхности медных выводов 34 присоединялись электрические выводы, служащие для подсоединения катушек электромагнита к источнику 19 трехфазного напряжения. Прямоугольные провода катушек были изолированы двумя слоями безщелочной стеклоткани с применением теплостойких кремнийорганических лаков марки ПСДК. К концам катушек электромагнита были припаяны припоем ПСр-15 полые наконечники 34, которые имеют выводы для подсоединения к ним выходов фаз источника 19 трехфазного напряжения. Кроме того, полые наконечники имели трубчатые отводы, по которым через изоляционные термостойкие трубки подавался во внутренние полости проводников катушек охладитель, например воздух или вода, служащий для форсированного охлаждения обмоток. Каждая из намагничивающих катушек была подключена к одной из фаз источника 19 трехфазного напряжения с регулируемой амплитудой и частотой. В качестве источника 19 трехфазного напряжения использовался частотный преобразователь Danfoss FC51, 1.5 кВт, вх/вых 3×380 В с подключенным последовательно на выходе фильтром Sine-wave Filter 4,5A производства Danfoss. Управление частотным преобразователем осуществлялось оптимизатором 39 режима с помощью интерфейса RS 485. На выходе источника трехфазного напряжения частота выходного напряжения регулировалась от 5 Гц до 400 Гц, межфазное выходное напряжение регулировалось от 50 В до 380 В.The bed of the
Вращающееся магнитное поле внутри горелки создавалось посредством трехфазной системы токов. Процесс создания вращающегося магнитного поля внутри горелки поясним при помощи фиг.4 и фиг.5. Пусть три одинаковые катушки 43, 44 и 45 расположены в пазах под углом 120° друг относительно друга. На фиг.4 они показаны в поперечном разрезе. Подключим катушки 43, 44 и 45 соответственно к фазам источника питания таким образом, чтобы токи были симметричны (фиг.5) при принятых на фиг.4 положительных направлениях токов. Рассмотрим схематические картины магнитного поля для различных моментов времени, следующих друг за другом. Пусть первый из рассматриваемых моментов времени соответствует совпадению линии времени с вектором i1 (фиг.5. позиция 46). При этом i1>0, i2<0 и i3<0. Направления токов в катушках и схематическая картина магнитного поля показаны на фиг.6. Для момента времени, соответствующего положению линии времени, отмеченному цифрой 47, i1>0, i2=0 и i3<0. Направления токов в катушках и схематическая картина поля даны на фиг.7. Далее на фиг.8 и 9 показаны направления токов, и схематические картины поля для моментов времени, соответствующих положениям линии времени 48 и 49. Сопоставление схематических картин магнитного поля, приведенных для различных, следующих друг за другом моментов времени, наглядно показывает вращение магнитного поля. Если продолжить анализ, можно убедиться, что в течение одного периода переменного тока магнитное поле таких катушек совершает один полный оборот.A rotating magnetic field inside the burner was created by means of a three-phase current system. The process of creating a rotating magnetic field inside the burner will be explained using figure 4 and figure 5. Let three
Направление вращения магнитного поля зависит исключительно от последовательности фаз токов в катушках. Если сохранить подключение катушки 43 к фазе А источника питания, катушку 44 подключить к фазе С, а катушку 45 - к фазе В, то направление вращения поля меняется на противоположное. В этом можно убедиться, построив схематические картины магнитного поля для различных моментов времени, аналогично тому, как это было показано выше.The direction of rotation of the magnetic field depends solely on the sequence of phases of the currents in the coils. If you keep the connection of
Змеевик, входящий в узел охлаждения электромагнита, был выполнен из медной цилиндрической трубки 27. Внешний диаметр трубки 27 был равен 7 мм, а внутренний диаметр трубки был равен 5 мм. Труба 27 была изогнута в виде двух цилиндрических спиралей 28, 29, одна из которых 28 охватывает внешнюю цилиндрическую поверхность электромагнита 18 и контактирует с ней, а вторая спираль 29 входит во внутренний цилиндр электромагнита 18 и также контактирует с ним. Внутренние полости спиралей 28 и 29 сообщаются между собой. Электромагнит 18 совместно с узлом охлаждения электромагнита размещен внутри теплозащитной камеры, выполненной в виде двух коаксиальных цилиндров 30 и 31 из немагнитной жаропрочной коррозионно-стойкой керамики. Теплозащитная камера с торцов заглушена кольцеобразными крышками 32 и 33, также выполненными из жаропрочной коррозионно-стойкой керамики, что и теплозащитная камера. На крышках 32 и 33 теплозащитной камеры выполнены выводы 34 для подсоединения к намагничивающим катушкам выходов фаз источника трехфазного напряжения 19 и, при необходимости, подвода внутрь полых проводов катушек электромагнита охладителя, например воздуха. В одной из крышек выполнены два отверстия, через которые и далее через проходной изолятор 35 выходят концы трубы 36 и 37 узла охлаждения электромагнита 18. Внутри камеры вокруг электромагнита и под торцевыми крышками проложен слой 38 теплоизоляционного материала, например асбеста. Центральная ось симметрии теплозащитной камеры совпадает с центральной осью симметрии камеры сгорания. Выходы источника питания шагового двигателя 16 присоединены к входам катушек статора шагового двигателя. Один (высоковольтный) выход высоковольтного источника 14 постоянного напряжения присоединен через проходной изолятор 13 к форсунке 9, а другой выход регулируемого преобразователя 14 напряжения присоединен к рабочему электроду 15 и заземлен. Выходы всех перечисленных выше датчиков: 10 - подачи топлива и окислителя, 12 - параметров отходящих газов, были присоединены к входам оптимизатора 39 режима, а выходы оптимизатора 39 режима были присоединены к входу управления высоковольтного источника 14 постоянного напряжения, к входу управления источника 19 трехфазного переменного тока, к входу управления источника 17 питания шагового двигателя и к регуляторам 11 подачи топлива и окислителя. В качестве датчика параметров отходящих газов использовался газоанализатор АДГ-304 производства ЗАО «ОПТЭК». Выдача информации с газоанализатора осуществлялась по интерфейсу RS 232.The coil included in the electromagnet cooling unit was made of a
Контроль расхода топлива осуществлялся с помощью расходомера UFM 005-15 ОАО «Старорусприбор» (Россия) с выходным интерфейсом RS-485.Fuel consumption was monitored using a UFM 005-15 flow meter of Staroruspribor OJSC (Russia) with an RS-485 output interface.
Контроль расхода окислителя (воздуха) осуществлялся с помощью встроенного в воздуховод датчика потока воздуха 641RM фирмы Dwyer (США) с выходным сигналом 4-20 мА.The oxidizer (air) flow rate control was carried out using the Dwyer 641RM air flow sensor built into the duct with an output signal of 4-20 mA.
Регулируемый источник 14 высоковольтного постоянного напряжения выполнен по схеме, приведенной фиг.3. В качестве высоковольтного источника использовался источник с выходным регулируемым напряжением до +10 кВ, выполненный по схеме, приведенной на рис.1.19 в работе (Костиков В.Г., Никитин И.Е. Источники электропитания высокого напряжения РЭА. - М.: Радио и связь, 1986. - 200 с.: ил., стр.22).
Коммутацию высокого напряжения осуществляли реле G2 фирмы Gigavac (см. журнал «Современная электроника» №1, 2007 год, стр.18) К1-К4.High voltage switching was performed by Gigavac relay G2 (see Modern Electronics magazine No. 1, 2007, p. 18) K1-K4.
Регулирование подачи топлива и окислителя осуществлялось с помощью штатных регуляторов марки МЭО-40/63-0.25И-94, входящих в состав асфальтосмесительной установки.Fuel and oxidizer supply regulation was carried out using standard regulators of the brand MEO-40 / 63-0.25I-94, which are part of the asphalt mixing plant.
Акты взаимодействия электростатически заряженных частиц топлива и окислителя (воздуха) расщепляют их молекулы до ионов и радикалов, озонируют воздух, повышая его окислительную способность. Электрически заряженные частицы топлива, вылетающие из форсунки 9, лучше дробятся под действием электростатических сил отталкивания, что приводит к увеличению угла раскрытия струи топлива в электрическом поле в 1,4-1,8 раза по сравнению с обычным способом, в обоих способах при одинаковом давлении топливного насоса 3.The acts of interaction of electrostatically charged particles of fuel and an oxidizing agent (air) break down their molecules into ions and radicals, and ozonize the air, increasing its oxidizing ability. Electrically charged fuel particles emitted from the nozzle 9 are better crushed under the action of electrostatic repulsive forces, which leads to an increase in the opening angle of the fuel jet in the electric field by 1.4-1.8 times compared with the usual method, in both methods at the same pressure fuel pump 3.
Применение вращающегося магнитного поля дополнительно приводит к значительно большему увеличению угла раскрытия струи и может достигать 3-5 кратного увеличения, по сравнению с обычным способом при том же давлении топливного насоса 3.The use of a rotating magnetic field additionally leads to a significantly larger increase in the angle of the jet and can reach 3-5 times the increase, compared with the usual method at the same pressure of the fuel pump 3.
Особенность заявляемого способа сжигания состоит в термическом нагреве пламени электрическим током от высоковольтного источника 14 напряжения и вращающегося магнитного поля, создаваемого электромагнитом, в интенсивной обработке топливно-воздушной смеси и пламени потоками высокоэнергетичных электростатически заряженных частиц, полученных индукционным способом при соприкосновении частиц воздуха и топлива с поверхностью высоковольтного электрода, роль которого в нашем случае выполняет форсунка 9. Электростатически заряженные частицы воздуха и окислителя в области между форсункой 9 и рабочим электродом 15, благодаря усилительному эффекту силового воздействия на них электрического поля ускоряются и приобретают высокие скорости. При попадании этих ускоренных электростатически заряженных частиц в область вращающегося магнитного поля, потоки частиц изменяют свою прямолинейную траекторию на изогнутую и начинают вращаться. Крутизна изгиба траектории заряженных частиц определяется амплитудой вращающегося магнитного поля, а частота и скорость их вращения зависит от частоты вращающегося магнитного поля, заряда частиц и их массы. Поэтому для правильной эффективной работы такого горения в совокупном продольном электрическом и вращающемся магнитном полях необходимо добиваться, с одной стороны, оптимальных параметров этих полей, с другой стороны, соблюдать условие предотвращения пробоя или газового разряда внутри горелки.A feature of the inventive combustion method is the thermal heating of a flame by electric current from a high-
Другая причина улучшения сгорания топлива в заявляемом способе и устройстве состоит в разрушении двойного электрического слоя по фронту обычного пламени, который возникает при реализации известных способов сжигания топлив, вследствие обеднения объема пламени свободными электронами, более легко улетающими из пламени, по сравнению со значительно более тяжелыми (в тысячи раз) положительно заряженными радикалами топлива, что не позволяет эффективно окислять топливо (мало электронов), замедляет цепные реакции горения и снижает его эффективность.Another reason for improving the combustion of fuel in the inventive method and device is the destruction of the double electric layer along the front of a conventional flame, which occurs when implementing known methods of burning fuel, due to the depletion of the volume of the flame by free electrons that more easily escape from the flame, compared to much heavier ones ( thousands of times) by positively charged radicals of the fuel, which does not allow the fuel to be oxidized efficiently (few electrons), slows down the chain reaction of combustion and reduces its effect vnost.
В заявляемом случае, благодаря увеличению скорости движения заряженных частиц, увеличению количества актов взаимодействия между этими частицами, за счет прохождения ими вращающего магнитного поля, при соударениях заряженных частиц образуется достаточно интенсивный поток вторичных электронов, под действием которых двойной слой разрушается, поскольку высокоэнергетичные электроны вторичной эмиссии, ускоренные полем, свободно проникают в зону пламени, преодолевая этот слой, и улучшают условия протекания цепных реакций деления более сложных радикалов топлива на все более мелкие, благодаря физико-химическому взаимодействию заряженных радикалов топлива, вторичных электронов и озона с выделением дополнительной энергии тепла и света. Еще один механизм интенсификации горения топлива состоит в резком сжатии по вертикали и расширении по горизонтали фронта пламени, возникающем под воздействием на электростатически заряженные частицы топлива и окислителя вращающимся магнитным полем. Изменяя параметры вращающегося магнитного поля (его амплитуду и частоту), можно в широких пределах изменять степень сжатия фронта пламени в вертикальном направлении и расширения его в горизонтальном направлении.In the claimed case, due to an increase in the speed of movement of charged particles, an increase in the number of acts of interaction between these particles, due to the passage of a rotating magnetic field, a fairly intense stream of secondary electrons is formed during the collisions of charged particles, under the influence of which the double layer is destroyed, since high-energy electrons are of secondary emission accelerated by the field freely penetrate into the flame zone, overcoming this layer, and improve the conditions for the occurrence of fission chain reactions more of fuel radicals into smaller and smaller ones due to the physicochemical interaction of charged fuel radicals, secondary electrons and ozone with the release of additional energy of heat and light. Another mechanism of intensification of fuel combustion is a sharp vertical compression and horizontal expansion of the flame front, which occurs under the influence of a rotating magnetic field on electrostatically charged particles of fuel and oxidizer. By changing the parameters of a rotating magnetic field (its amplitude and frequency), it is possible to widely vary the degree of compression of the flame front in the vertical direction and its expansion in the horizontal direction.
В установке для сжигания в качестве топлива была использована нефть.In the combustion plant, oil was used as fuel.
Первоначально без подключения источника высокого напряжения и вращающегося магнитного топлива, варьируя скоростью подачи топлива и окислителя (воздуха) и анализируя состав отходящих газов после сжигания топлива, выявили оптимальный режим горения по критерию экологической чистоты отходящих газов. Было установлено (см. таблицу 1), что в оптимальном режиме степень очистки пыли и различных вредных веществ после выхода из циклона после дымососа лежала в диапазоне от 10 до 35%.Initially, without connecting a high voltage source and rotating magnetic fuel, varying the feed rate of the fuel and oxidizer (air) and analyzing the composition of the exhaust gases after burning the fuel, we determined the optimal combustion mode according to the criterion of environmental cleanliness of the exhaust gases. It was found (see table 1) that, in the optimal mode, the degree of purification of dust and various harmful substances after exiting the cyclone after the smoke exhauster ranged from 10 to 35%.
После подключения источника высоковольтного регулируемого преобразователя напряжения к форсунке и рабочему электроду и согласованного изменения величины напряжения и зазора между форсункой и рабочим электродом, при той же неизменной скорости подачи топлива и окислителя, что и в предыдущем опыте, было установлено, что оптимальный режим сжигания топлива в этих условиях наблюдался при напряжении между форсункой и рабочем электродом 10 кВ и зазоре между ними 20 см. Было установлено (см. таблицу 1.), что при указанных выше режимах сжигания топлива в оптимальном режиме степень очистки пыли и различных вредных веществ после выхода из горелки лежала в диапазоне от 50 до 75%.After connecting the source of the high-voltage adjustable voltage converter to the nozzle and the working electrode and coordinated changes in the voltage and the gap between the nozzle and the working electrode, at the same constant feed rate of the fuel and oxidizer as in the previous experiment, it was found that the optimal mode of fuel combustion in under these conditions was observed at a voltage between the nozzle and the working electrode of 10 kV and a gap between them of 20 cm. It was found (see table 1.) that under the above-mentioned combustion modes willow in the optimum mode, the degree of purification of dust and various harmful substances after exiting the burner ranged from 50 to 75%.
После достигнутых результатов по критерию экологической чистоты отходящих газов приступили к третьему этапу исследований: оставив неизменными скорость подачи топлива и окислителя, напряжения и зазора между форсункой и рабочим электродом, создали внутри горелки поперечное вращающееся магнитное поле внутри горелки, для чего подключили к обмоткам трехфазное напряжение. Регулируя амплитуду тока в обмотках электромагнита и частоту питающего напряжения, достигли максимального снижения вредных выбросов в составе отходящих газов при амплитудном значении подмагничивающего тока в обмотках, равном 15 А, и частоте вращающегося магнитного поля 1,5 кГц.After the achieved results, according to the criterion of environmental cleanliness of the exhaust gases, we started the third stage of research: leaving the feed rate of the fuel and oxidizer, voltage and gap between the nozzle and the working electrode unchanged, created a transverse rotating magnetic field inside the burner, for which a three-phase voltage was connected to the windings. By adjusting the amplitude of the current in the electromagnet windings and the frequency of the supply voltage, we achieved the maximum reduction of harmful emissions in the exhaust gases at an amplitude value of the magnetizing current in the windings of 15 A and a frequency of a rotating magnetic field of 1.5 kHz.
В табл.1. Приведены результаты измерения скорости и расходов и отобраны пробы твердых и газообразных загрязняющих веществ для определения эффективности заявляемого способа и устройства.In table 1. The results of measuring the speed and flow rates are given and samples of solid and gaseous pollutants are taken to determine the effectiveness of the proposed method and device.
Измерения проводились в соответствии с ГОСТ 17.2.4.06-90 «Охрана природы. Атмосфера. Методы определения скорости и расхода газопылевых потоков, отходящих от стационарных источников загрязнения».The measurements were carried out in accordance with GOST 17.2.4.06-90 “Nature protection. Atmosphere. Methods for determining the speed and flow rate of dust and gas streams emanating from stationary sources of pollution. "
Степень очистки С рассчитывается по формулеThe degree of purification C is calculated by the formula
где М.В.обычн..реж - Масс. выброс пыли или оксида на выходе асфальтосмесителя после оптимизации в обычном режиме, М.В.заявляемый режим. - Масс. выброс пыли или оксида на выходе асфальтосмесителя после оптимизации при подаче высокого напряжения на форсунку или при подаче высокого напряжения на форсунку и подключения продольного магнитного поля. where M.V. usual ..rezh - Mass. emission of dust or oxide at the exit of the asphalt mixer after optimization in normal mode, M.V. the claimed regime. - Mass. dust or oxide emission at the output of the asphalt mixer after optimization when applying high voltage to the nozzle or when applying high voltage to the nozzle and connecting a longitudinal magnetic field.
Характеристики источников выброса и условия измеренийCharacteristics of emission sources and measurement conditions
пень очист
ки С,%Ste
stump clean
Ki C,%
ции при подключе
нии высокого напряженияAfter optimization
during connection
nii high voltage
пень очистки С, %Ste
stump of cleaning,%
Было установлено (см. таблицу 1.), что при указанных выше режимах сжигания топлива в оптимальном режиме после подачи между форсункой и первым полым тором активатора высокого напряжения, равного 20 кВ, степень очистки пыли и различных вредных веществ после выхода из горелки лежала в диапазоне от 65 до 72,2%.It was found (see table 1.) that with the above modes of fuel burning in the optimal mode after applying a high voltage activator of 20 kV between the nozzle and the first hollow torus, the degree of purification of dust and various harmful substances after exiting the burner was in the range from 65 to 72.2%.
После достигнутых результатов по критерию экологической чистоты отходящих газов приступили к следующему этапу исследований: оставив неизменными скорость подачи топлива и окислителя, напряжения и зазора между форсункой и рабочим электродом, создали внутри горелки продольное магнитное поле внутри горелки, для чего подключили к электромагнитной катушке. Регулируя амплитуду тока в обмотках электромагнита, достигли максимального снижения вредных выбросов в составе отходящих газов при амплитудном значении подмагничивающего тока в обмотках, равном 40 А. Было установлено (см. табл.1), что при указанных выше режимах сжигания топлива в оптимальном режиме степень очистки пыли и различных вредных веществ после выхода из циклона после дымососа лежала в диапазоне от 80 до 96,5%.After the achieved results, according to the criterion of environmental cleanliness of the exhaust gases, we proceeded to the next stage of research: leaving the feed rate of the fuel and oxidizer, voltage and gap between the nozzle and the working electrode unchanged, we created a longitudinal magnetic field inside the burner inside the burner, for which we connected to an electromagnetic coil. By adjusting the amplitude of the current in the electromagnet windings, we achieved the maximum reduction of harmful emissions in the exhaust gas composition with an amplitude value of the magnetizing current in the windings equal to 40 A. It was found (see Table 1) that under the above-mentioned fuel combustion modes, the degree of purification is optimal dust and various harmful substances after exiting the cyclone after the exhaust fan was in the range from 80 to 96.5%.
Таким образом, реализация заявляемого способа и устройства показала, что по сравнению со способом-прототипом и устройством-прототипом количество выбросов вредных компонентов отходящих газов снижается более, чем на порядок.Thus, the implementation of the proposed method and device showed that compared with the prototype method and the prototype device, the amount of emissions of harmful components of the exhaust gases is reduced by more than an order of magnitude.
Таким образом, предлагаемые способ и устройство позволили, в совокупности, существенно повысить эффективность горения топлива и улучшить экологические параметры отходящих газов.Thus, the proposed method and device allowed, in the aggregate, to significantly increase the efficiency of fuel combustion and improve the environmental parameters of the exhaust gases.
Источники информацииInformation sources
1. Политехнический словарь. - М.: "Советская энциклопедия", 1976 г., с.196.1. Polytechnical dictionary. - M .: "Soviet Encyclopedia", 1976, p.196.
2. (аналоги - из кн. Н.А.Федорова. "Техника и эффективность использования газа". - М.: "Недра", 1975 г, с.235).2. (analogues - from the book. N.A. Fedorov. "Technique and gas utilization efficiency." - M .: "Nedra", 1975, p. 235).
3. (US N 4588372, МПК F23N 5/12, 1985 г. - прототип).3. (US N 4588372, IPC F23N 5/12, 1985 - prototype).
4. Электротехнический справочник. В 3-х т. Т.3. Кн.2. Использование электрической энергии / Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г.Герасимова, П.Г.Грудинского, Л.А.Жукова и др. - 6-е изд., испр. и доп. - М.: Энергоиздат, 1982., стр.228.4. Electrical reference book. In 3 volumes T. 3.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010106745/06A RU2448300C2 (en) | 2010-02-24 | 2010-02-24 | Method for efficient combustion of fuel and device for its realisation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010106745/06A RU2448300C2 (en) | 2010-02-24 | 2010-02-24 | Method for efficient combustion of fuel and device for its realisation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010106745A RU2010106745A (en) | 2011-08-27 |
| RU2448300C2 true RU2448300C2 (en) | 2012-04-20 |
Family
ID=44756374
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010106745/06A RU2448300C2 (en) | 2010-02-24 | 2010-02-24 | Method for efficient combustion of fuel and device for its realisation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2448300C2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112327110B (en) * | 2020-10-19 | 2024-06-14 | 中国科学院电工研究所 | Wide-temperature-zone liquid medium environment test device based on conduction cooling of refrigerator |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2235274A1 (en) * | 1973-06-28 | 1975-01-24 | Snecma | |
| SU882423A3 (en) * | 1975-10-09 | 1981-11-15 | Й.Эбершпрехер (Фирма) | Burner device |
| SU1112174A1 (en) * | 1983-02-17 | 1984-09-07 | Предприятие П/Я Уд-249/7 | Burner device |
| US4588372A (en) * | 1982-09-23 | 1986-05-13 | Honeywell Inc. | Flame ionization control of a partially premixed gas burner with regulated secondary air |
| SU1816933A1 (en) * | 1990-05-30 | 1993-05-23 | Proizv Ob Edinenie Turbostroen | Burner of combustion chamber of gas-turbine plant |
| RU2299354C1 (en) * | 2005-11-21 | 2007-05-20 | РЯЗАНСКИЙ ВОЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ им. генерала армии В.П. Дубынина | Preliminary heater |
-
2010
- 2010-02-24 RU RU2010106745/06A patent/RU2448300C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2235274A1 (en) * | 1973-06-28 | 1975-01-24 | Snecma | |
| SU882423A3 (en) * | 1975-10-09 | 1981-11-15 | Й.Эбершпрехер (Фирма) | Burner device |
| US4588372A (en) * | 1982-09-23 | 1986-05-13 | Honeywell Inc. | Flame ionization control of a partially premixed gas burner with regulated secondary air |
| SU1112174A1 (en) * | 1983-02-17 | 1984-09-07 | Предприятие П/Я Уд-249/7 | Burner device |
| SU1816933A1 (en) * | 1990-05-30 | 1993-05-23 | Proizv Ob Edinenie Turbostroen | Burner of combustion chamber of gas-turbine plant |
| RU2299354C1 (en) * | 2005-11-21 | 2007-05-20 | РЯЗАНСКИЙ ВОЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ им. генерала армии В.П. Дубынина | Preliminary heater |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010106745A (en) | 2011-08-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5433832A (en) | Exhaust treatment system and method | |
| EP0834039B1 (en) | Energy converter using imploding plasma vortex heating | |
| US8601819B2 (en) | Method and device for the combustion of hydrocarbon-containing fuels | |
| WO1996001394A1 (en) | An electrode arrangement for use in a combustion chamber | |
| KR20080092858A (en) | Electro-dynamic swirler, combustion apparatus and methods using the same | |
| PT1283974E (en) | APPARATUS AND METHOD FOR COMBINED HEAT AND ELECTRICITY GENERATION | |
| KR20200103224A (en) | Apparatus for recycling fly ash having quantum energy generator | |
| CN103925116A (en) | Sliding arc ignition device | |
| RU2448300C2 (en) | Method for efficient combustion of fuel and device for its realisation | |
| RU2683052C1 (en) | Vortex kindling pulverized coal burner | |
| CN114526499A (en) | Two-phase pulse detonation combustion chamber based on rotating sliding arc ignition | |
| RU2432527C1 (en) | Method of effective fuel combustion and device for its implementation | |
| RU2038506C1 (en) | Method of treatment of fuel | |
| RU2694268C1 (en) | Method for intensification and control of flame | |
| RU2059926C1 (en) | Method of and plasma pulverized-coal burner for low-grade coal combustion | |
| RU2683065C1 (en) | Method of managing the operation mode of a gas-generator electrical installation and a gas-generator electric installation | |
| CN110793060B (en) | Controllable plasma igniter in atmospheric pressure environment | |
| RU2652697C1 (en) | Method of preparation of gaseous fuel and air before their feeding into the combustion device | |
| Barmina et al. | Electric field effect on biomass combustion characteristics | |
| RU2010152712A (en) | METHOD FOR DISPOSAL OF SOLID DOMESTIC WASTE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION | |
| RU2160414C2 (en) | Fuel burning method and device intended for its embodiment | |
| UA24193A (en) | ||
| RU2712321C1 (en) | Operating method of gas generator plant and gas generator plant | |
| RU2079786C1 (en) | Method to intensify burning of flame torch in furnace of boiler installation | |
| US3162781A (en) | Magnetohydrodynamic generator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160225 |