RU2795361C1

RU2795361C1 - Steam gas generator

Info

Publication number: RU2795361C1
Application number: RU2022124272A
Authority: RU
Inventors: Михаил Степанович Вигриянов
Filing date: 2022-09-14
Publication date: 2023-05-03

Abstract

FIELD: power units.

SUBSTANCE: invention is related to the field of power units using steam-gas generated by direct mixing of water with hot gas as a working fluid. The steam-gas generator contains a spray-ignition device, a steam gasification chamber, a combustion chamber for the resulting water gas, and a chamber for mixing atomized ballast water and hot gases. In the cylindrical body of the steam gasification chamber, spiral channels are made on the outer cylindrical surface of the three inner pipes, in which superheated water vapor is produced and air is superheated. Superheated water vapor sprays liquid fuel in the spray-ignition device and swirls the burning soot flame in the steam gasification chamber. The heated air burns the produced water gas. The resulting vapor gas flows out of the nozzle of the mixing chamber.

EFFECT: increase of specific power of the steam generator.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области силовых установок, использующих в качестве рабочего тела парогаз, генерируемый путем непосредственного перемешивания воды с горячим газом.The invention relates to the field of power plants using steam-gas generated by direct mixing of water with hot gas as a working fluid.

Известен парогазогенератор (RU2079684, 20.05.1997, F02C 3/30, F01K 21/04, F02K 9/64), содержащий форкамеру с электрозапальным устройством, охлаждаемый корпус, внутри которого размещены камеры сгорания и смешения, разделенные устройством подачи балластировочного компонента. Согласно изобретению, выход камеры сгорания выполнен в виде сопла, диффузор которого спрофилирован с поднутрением, а в устройстве подачи балластировочного компонента смонтирован кольцевой вкладыш с продольными каналами ступенчатой формы, причем ступень большего проходного сечения направлена в сторону камеры сгорания.Known steam generator (RU2079684, 20.05.1997, F02C 3/30, F01K 21/04, F02K 9/64), containing a pre-chamber with an electric ignition device, a cooled housing, inside which are located combustion and mixing chambers, separated by a ballasting component supply device. According to the invention, the combustion chamber outlet is made in the form of a nozzle, the diffuser of which is profiled with an undercut, and an annular insert with stepped longitudinal channels is mounted in the ballasting component supply device, with a larger flow section directed towards the combustion chamber.

Недостатком такого устройства является низкая удельная мощность (кВт/кг).The disadvantage of this device is the low power density (kW/kg).

Известен парогазогенератор (RU2544417, 20.03.2015, F22B 1/26), содержащий запальное устройство с электросвечой, смесительную головку с магистралями подвода окислителя, горючего и воды на завесное охлаждение, камеру сгорания с каналами тракта охлаждения и профилированной торцевой стенкой для направления балластировочной воды, камеру смешения с отверстиями для подачи балластировочной воды. Согласно изобретению, каналы тракта охлаждения камеры сгорания выполнены под острым углом к оси парогазогенератора, а отверстия для подачи балластировочной воды в зоне смешения выполнены также под острым углом к оси парогазогенератора и направлены в противоположную сторону относительно каналов тракта охлаждения камеры сгорания. Недостатком такого устройства является низкая удельная мощность (кВТ/кг).Known steam generator (RU2544417, 20.03.2015, F22B 1/26), containing an ignition device with an electric candle, a mixing head with lines for supplying oxidizer, fuel and water for curtain cooling, a combustion chamber with channels for the cooling path and a profiled end wall for directing ballasting water, mixing chamber with holes for supplying ballasting water. According to the invention, the channels of the combustion chamber cooling path are made at an acute angle to the axis of the steam-gas generator, and the holes for supplying ballast water in the mixing zone are also made at an acute angle to the axis of the steam-gas generator and are directed in the opposite direction relative to the channels of the combustion chamber cooling path. The disadvantage of this device is the low power density (kW/kg).

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков является парогазогенератор, предназначенный для установки на торпеды (сайт www.weapons-world.ru, “Тепловые энергосиловые установки торпед”), содержащий водохлаждаемый корпус, распылительно-зажигательное устройство, камеру горения и камеру смешения продуктов горения с водой. Парогазогенератор работает на жидком топливе, а именно на керосине, который сгорает в атмосфере сжатого воздуха. Сжатый воздух предварительно подогревается.The closest technical solution in terms of the totality of features is a steam-gas generator designed for installation on torpedoes (website www.weapons-world.ru, “Torpedo Thermal Power Plants”), containing a water-cooled housing, a spray-ignition device, a combustion chamber and a chamber for mixing combustion products with water. The steam generator runs on liquid fuel, namely kerosene, which burns in an atmosphere of compressed air. Compressed air is preheated.

В основу изобретения положена задача создания жидкотопливного парогазогенератора с высокой удельной мощностью (кВт/кг).The invention is based on the task of creating a liquid-fuel steam-gas generator with a high power density (kW/kg).

Поставленная задача решается тем, что парогазогенератор содержит охлаждаемый корпус, распылительно-зажигательное устройство, камеру горения и камеру смешения продуктов горения с водой.The problem is solved by the fact that the steam-gas generator contains a cooled housing, a spray-ignition device, a combustion chamber and a chamber for mixing combustion products with water.

Согласно изобретению, охлаждаемый корпус представляет собой четыре цилиндрические трубы, напрессованные друг на друга, где на наружной цилиндрической поверхности трех внутренних труб выполнены спиральные каналы, которые начинаются и заканчиваются кольцевыми каналами, с обоих торцов корпуса установлены крышки, левая и правая с вмонтированными в них с внутренней стороны завихрительными форсунками, в левую крышку установлено распылительно-зажигательное устройство, а с обеих сторон правой крышки установлены стенки, левая и правая, с отверстиями по центру, где в левой стенке отверстие с диаметром меньшим, чем в правой,According to the invention, the cooled body consists of four cylindrical pipes pressed onto each other, where spiral channels are made on the outer cylindrical surface of the three inner pipes, which begin and end with annular channels, covers are installed on both ends of the body, left and right with built-in on the inside with swirl nozzles, a spray-ignition device is installed in the left cover, and on both sides of the right cover there are walls, left and right, with holes in the center, where in the left wall there is a hole with a diameter smaller than in the right one,

а камера смешения продуктов горения и балластированной воды присоединена к правой крышке, в цилиндрический корпус которой вмонтированы водяные форсунки для подачи распыленной балластированной воды.and the chamber for mixing combustion products and ballast water is attached to the right cover, in the cylindrical body of which water nozzles are mounted to supply atomized ballast water.

Заявляемый парогазогенератор содержит три ступени горения и одну ступень парогенерации. Первая ступень горения производится в распылительно-зажигательном устройстве (RU 2740722 20.01.2021 , F23D 11/20; F23L 7/00; F23L 7/005), которое вырабатывает продукты неполного сгорания с большим содержанием сажи. Вторая ступень горения производится в камере паровой газификации, где в вихревом потоке встречаются продукты неполного сгорания с большим содержанием сажи (т.е. углерода) и перегретый водяной пар. Происходит химическая реакция между водой и углеродом по формуле C + H₂O = CO + H₂, где CO + H₂ - водяной газ. Третья ступень горения производится в камере сжигания водяного газа, где сжигается газ с остатками несгоревших в камере газогенерации частиц. Чистый газовый вихревой поток переходит в камеру смешения с распыленной балластированной водой, где происходит процесс парогенерации. Совокупность таких эффектов, как трехступенчатое горение, вихревой процесс, паровая газификация, и распыление балластировочной воды приводит к увеличению удельной мощности парогазогенератора.The inventive steam generator contains three stages of combustion and one stage of steam generation. The first stage of combustion is carried out in a spray-ignition device (RU 2740722 01/20/2021, F23D 11/20; F23L 7/00; F23L 7/005), which produces products of incomplete combustion with a high soot content. The second stage of combustion is carried out in the steam gasification chamber, where products of incomplete combustion with a high content of soot (i.e. carbon) and superheated water vapor meet in a vortex flow. A chemical reaction occurs between water and carbon according to the formula C + H ₂ O \u003d CO + H ₂ , where CO + H ₂ is water gas. The third stage of combustion is carried out in the water gas combustion chamber, where gas is burned with the remains of particles that have not been burned in the gas generation chamber. The pure gas vortex flow passes into the mixing chamber with atomized ballast water, where the steam generation process takes place. The combination of such effects as three-stage combustion, vortex process, steam gasification, and spraying of ballast water leads to an increase in the specific power of the steam-gas generator.

Таким образом, предлагаемое устройство решает поставленную задачу изобретения, а именно, создание жидкотопливного парогазогенератора с высокой удельной мощностью (кВт/кг).Thus, the proposed device solves the problem of the invention, namely, the creation of a liquid-fuel steam-gas generator with a high power density (kW/kg).

Сущность технического решения поясняется рисунками, фиг. 1 - продольное сечение устройства, фиг. 2 - общий вид устройства с вырезом.The essence of the technical solution is illustrated by drawings, Fig. 1 is a longitudinal section of the device, FIG. 2 is a general view of the device with a cutout.

На фигурах обозначены: 1 - охлаждаемый корпус; 2 - распылительно-зижигательное устройство; 3 - камера горения (камера паровой газификации); 4 - камера смешения продуктов горения с балластированной водой; 5 - спиральные каналы; 6 - кольцевые каналы; 7 - 8 - левая и правая крышки; 9 - завихрительные форсунки; 10 - 11 - левая и правая стенки; 12 - камера сжигания водяного газа; 13 - выходное сопло; 14 - коллектор установочных отверстий завихрительных форсунок левой крышки 7; 15 - коллектор установочных отверстий форсунок правой крышки 8; 16 - крышки коллекторов; 17 - штуцер ввода дистиллированной воды; 18 - патрубок перехода парового потока из верхнего спирального канала в нижний; 19 - штуцер выхода перегретого пара; 20 - штуцер выхода разогретого воздуха; 21 - штуцер входа сжатого разогретого воздуха в правую крышку 8; 22 и 23 - штуцера ввода сжатого и разогретого воздуха в распылительно-зажигательное устройство; 24 - штуцер паропровода для распыла жидкого топлива в распылительно-зажигательном устройстве; 25 - водная распылительная форсунка; 26 - водоохлаждаемая втулка; 27 - штуцер подачи воды на охлаждение водяной форсунки; а - верхний уровень спиральных каналов; б - средний уровень спиральных каналов; в - нижний уровень спиральных каналов.The figures indicate: 1 - cooled housing; 2 - spray-burning device; 3 - combustion chamber (steam gasification chamber); 4 - chamber for mixing combustion products with ballast water; 5 - spiral channels; 6 - annular channels; 7 - 8 - left and right covers; 9 - swirl nozzles; 10 - 11 - left and right walls; 12 - water gas combustion chamber; 13 - outlet nozzle; 14 - collector of mounting holes of swirl nozzles of the left cover 7; 15 - collector of mounting holes for injectors of the right cover 8; 16 - collector covers; 17 - distilled water inlet fitting; 18 - branch pipe for the transition of the steam flow from the upper spiral channel to the lower one; 19 - superheated steam outlet fitting; 20 - heated air outlet fitting; 21 - fitting for the inlet of heated compressed air into the right cover 8; 22 and 23 - fittings for introducing compressed and heated air into the spray-ignition device; 24 - fitting of the steam pipeline for spraying liquid fuel in the spray-ignition device; 25 - water spray nozzle; 26 - water-cooled sleeve; 27 - water supply fitting for cooling the water nozzle; a - the upper level of the spiral channels; b - average level of spiral channels; c - the lower level of the spiral channels.

Наружные поверхности устройства теплоизолированы (на фигурах не показано).The outer surfaces of the device are thermally insulated (not shown in the figures).

Устройство состоит из охлаждаемого корпуса 1, распылительно-зажигательного устройства 2, камеры горения (камера паровой газификации) 3, камера смешения продуктов горения с балластированной водой 4.The device consists of a cooled body 1, a spray-ignition device 2, a combustion chamber (steam gasification chamber) 3, a chamber for mixing combustion products with ballast water 4.

Корпус 1 состоит из четырех труб, напрессованных друг на друга, где на наружной цилиндрической поверхности трех внутренних труб выполнены спиральные каналы 5, которые начинаются и заканчиваются кольцевыми каналами 6. В этой сборной конструкции выполнены три уровня кольцевых и спиральных каналов. Верхний уровень “а”, средний уровень “б” и нижний уровень “в”. С обеих торцевых сторон корпуса 1 установлены крышки, левая 7 и правая 8. С внутренней стороны крышек вмонтированы завихрительные форсунки 9. А с обеих сторон правой крышки 8 установлены стенки 10 и 11 с отверстиями по центру, причем у правой стенки 11 отверстие по диаметру больше, чем у левой стенки.Housing 1 consists of four pipes pressed on each other, where spiral channels 5 are made on the outer cylindrical surface of the three inner pipes, which begin and end with annular channels 6. This prefabricated structure has three levels of annular and spiral channels. The top level is “a”, the middle level is “b”, and the bottom level is “c”. On both end sides of the body 1 there are covers, left 7 and right 8. Swirl nozzles 9 are mounted on the inside of the covers. And on both sides of the right cover 8, walls 10 and 11 are installed with holes in the center, and at the right wall 11 the hole is larger in diameter. than on the left wall.

Правая крышка 8 вместе со стенками 10 и 11 и внутренней цилиндрической поверхностью 12 является камерой сжигания водяного газа, произведенного из жидкого топлива в камере паровой газификации 3. Сжигание происходит в атмосфере разогретого сжатого воздуха. В камере смешения 4 раскаленные газы, произведенные в камере сжигания 12 смешиваются с распыленной балластированной водой, получаемый парогаз истекает из сопла 13. В левой 7 и правой 8 крышках выполнены коллекторы 14 и 15 для подачи пара, либо воздуха в установочные отверстия завихрительных форсунок 9. Коллекторы закрыты крышками 16. Из коллекторов 14 и 15 просверлены отверстия, соединяющие полость коллектора и установочные отверстия завихрительных форсунок (на фигурах не показано). В верхний уровень спиральных каналов “а” корпуса 1 подается дистиллированная вода, далее она проходит через патрубок 18 в нижний уровень “в” и, пройдя его, выходит в виде перегретого пара через штуцер 19. Из штуцера 19 перегретый пар подается по трубопроводам (трубопроводы не показаны) в коллектор 14 через штуцер (не показан) крышки 7 для запитки завихрительных форсунок 9, а также на штуцер 24 распылительно-зажигательного устройства. Средний уровень спиральных каналов “б” служит для разогревания сжатого воздуха. Вход не показан, а выход разогретого воздуха осуществляется через штуцер 20. Разогретый воздух подается через штуцер 21 в коллектор 15 правой крышки 11, а также на штуцеры 22 и 23 распылительно-зажигательного устройства 2. В камеру смешения 4 вмонтированы водяные распылительные форсунки 25 для подачи балластированной воды, установленные в водоохлаждаемые втулки 26. Подача воды на охлаждаемые втулки производится через штуцера 27.The right cover 8 together with the walls 10 and 11 and the inner cylindrical surface 12 is the combustion chamber for water gas produced from liquid fuel in the steam gasification chamber 3. Combustion takes place in an atmosphere of heated compressed air. In the mixing chamber 4, hot gases produced in the combustion chamber 12 are mixed with atomized ballast water, the resulting steam gas flows out of the nozzle 13. In the left 7 and right 8 covers, collectors 14 and 15 are made to supply steam or air to the mounting holes of the swirl nozzles 9. The collectors are closed with covers 16. Holes are drilled from the collectors 14 and 15 connecting the cavity of the collector and the mounting holes of the swirl nozzles (not shown in the figures). Distilled water is supplied to the upper level of the spiral channels “a” of the body 1, then it passes through the pipe 18 to the lower level “b” and, having passed it, exits in the form of superheated steam through the fitting 19. From the fitting 19, superheated steam is supplied through pipelines (pipelines not shown) into the collector 14 through the fitting (not shown) of the cover 7 for feeding the swirl nozzles 9, as well as to the fitting 24 of the spray-ignition device. The middle level of the spiral channels "b" serves to heat up the compressed air. The entrance is not shown, and the heated air exits through fitting 20. The heated air is supplied through fitting 21 to the collector 15 of the right cover 11, as well as to fittings 22 and 23 of the spray-ignition device 2. Water spray nozzles 25 are mounted in the mixing chamber 4 for supplying ballast water installed in water-cooled bushings 26. Water is supplied to the cooled bushings through fitting 27.

Водоохлаждение водяных распылительных форсунок нужно для того, чтобы при использовании балластированной воды неочищенной от солей на внутренних поверхностях форсунок не отлагалась накипь. Известно, что накипь отлагается при температуре воды +80°С.Water cooling of water spray nozzles is necessary so that when using ballast water not purified from salts, scale is not deposited on the inner surfaces of the nozzles. It is known that scale is deposited at a water temperature of +80°C.

Камера сгорания водяного газа 12 выполняет в этом устройстве кроме основной, горения, функцию газового диода. Она пропускает газовый поток в камеру смешения 4 и не пропускает газовый поток в камеру паровой газификации 3. Это происходит за счет насосного эффекта, который может осуществляться в цилиндрической камере, имеющей с обеих сторон стенки с отверстиями разного диаметра. При подаче тангенциально из завихрительных форсунок сжатого воздуха, вихревой поток вытекает из большого отверстия и всасывается в меньшее. Этот эффект помогает работе устройства тем, что разогретый воздух не попадает в камеру паровой газификации и не увеличивает там температуру до неприемлемой. Насосный эффект проверен экспериментально на действующей модели.The water gas combustion chamber 12 performs in this device, in addition to the main combustion, the function of a gas diode. It passes the gas flow into the mixing chamber 4 and does not pass the gas flow into the steam gasification chamber 3. This is due to the pumping effect, which can be carried out in a cylindrical chamber having walls with holes of different diameters on both sides. When compressed air is supplied tangentially from the swirl nozzles, the swirl flow flows out of the large orifice and is sucked into the smaller one. This effect helps the operation of the device in that the heated air does not enter the steam gasification chamber and does not increase the temperature there to an unacceptable level. The pumping effect has been experimentally tested on a working model.

Температуру в камере 3 можно регулировать соотношением водяного пара и топлива, потому что химическая реакция газификации эндотермична, т.е. происходит с поглощением тепловой энергии. Эффект регулировки температуры в камере газификации проверен экспериментально на действующей модели. При подаче в вихревое горелочное устройство (RU2647172, 14.03.2018, F23D 11/20; F23C 99/00; F23L 7/00) 800 г/час дизельного топлива и 800 г/час воды в виде перегретого до 300°C пара, температура вихревого потока составила 920°C.The temperature in chamber 3 can be controlled by the ratio of steam to fuel because the chemical gasification reaction is endothermic, i.e. occurs with the absorption of thermal energy. The effect of temperature control in the gasification chamber has been experimentally tested on a working model. When supplying 800 g/h of diesel fuel and 800 g/h of water in the form of steam superheated to 300°C, temperature vortex flow was 920°C.

Устройство работает следующим образом. Для пуска устройства необходимо прогреть все детали до требуемой температуры. Для этого вначале на вход всех штуцеров, кроме топливных и штуцеров балластировочной воды, подают сжатый воздух, а в топливную трубку распылительно-зажигательного устройства подают легкоиспаряющееся топливо. Балластировочную воду не подают. Распыленное воздухом пусковое топливо поджигается свечой зажигания в распылительно-зажигательном устройстве. Происходит прогрев всей конструкции устройства, и после достижения требуемой температуры деталей работу устройства переводят в штатный режим.The device works as follows. To start the device, it is necessary to warm up all the parts to the required temperature. To do this, first, compressed air is supplied to the inlet of all fittings, except for fuel and ballast water fittings, and volatile fuel is supplied to the fuel tube of the spray-ignition device. Ballast water is not supplied. The starting fuel sprayed with air is ignited by a spark plug in the spray ignition device. The entire structure of the device is warmed up, and after reaching the required temperature of the parts, the operation of the device is transferred to the normal mode.

Claims

Парогазогенератор, содержащий охлаждаемый корпус, распылительно-зажигательное устройство, камеру горения и камеру смешения продуктов горения с водой, отличающийся тем, что охлаждаемый корпус представляет собой четыре цилиндрические трубы, напрессованные друг на друга, на наружной цилиндрической поверхности трёх внутренних труб выполнены спиральные каналы, которые начинаются и заканчиваются кольцевыми каналами, с обоих торцов корпуса установлены крышки, левая и правая, с вмонтированными в них с внутренней стороны завихрительными форсунками, в левую крышку установлено распылительно-зажигательное устройство, а с обеих сторон правой крышки установлены стенки, левая и правая, с отверстиями по центру, где в левой стенке отверстие с диаметром меньшим, чем в правой стенке, а камера смешения продуктов горения и балластировочной воды присоединена к правой крышке, в цилиндрический корпус которой вмонтированы водяные форсунки для подачи распыленной балластировочной воды.A steam-gas generator containing a cooled body, a spray-ignition device, a combustion chamber and a chamber for mixing combustion products with water, characterized in that the cooled body consists of four cylindrical pipes pressed on each other, spiral channels are made on the outer cylindrical surface of the three inner pipes, which start and end with annular channels, covers are installed on both ends of the body, left and right, with swirl nozzles built into them from the inside, a spray-ignition device is installed in the left cover, and walls, left and right, are installed on both sides of the right cover, with holes in the center, where in the left wall there is a hole with a diameter smaller than in the right wall, and the combustion products and ballast water mixing chamber is connected to the right cover, in the cylindrical body of which water nozzles are mounted to supply atomized ballast water.