Нагревательное устройство

.1 В 43/2 тся при помощивия возвратногот и. Воздух, закру ок 12, образует 4 О О ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Казанский авиационный институт(56) Авторское свидетельство СССРМ 885542, кл. Е 21 В 43/24, 1979;Авторское свидетельство СССРЬ 1387546, кл. Е 21 В 43/24, 1986.(54) НАГРЕВАТЕЛЪНОЕ УСТРОЙСТВО (57) Изобретение относится к нефтедобыче с использованием внутрипластового горения на месторождениях битумов и нефти. Цель изобретения - упрощение конструкции при одновременном повышении надежности запуска. Устройство содержит камеру 1 сгорания с выходным соплом 2, форсуночную головку 3 с центральной цилиндрической нишей 5, в которой установлена электрическая свеча 6 накаливания. Топливная магистраль 9 сообщена с форсунками 7 при помощи коллектора 10. Между форсуночной головкой 3 и внутренней поверхно,Ж 1709077 А стью камеры 1 сгорания образован кольцевой зазор 11, в котором размещен завихритель с лопатками, выполненными вдоль радиуса и под углом 6-15 к продольной оси камеры 1 сгорания, Кольцевой зазор 11 и струйные форсунки 8 воздуха сообщаются между собой и соединяются с подводящей магистралью 13 воздуха через кольцевую полость 14. При работе устройства сжатый воздух по магистрали 13 подводится к кольцевой полости 14, из которой после разделения на два потока он попадает в форсуночную головку 3 и в кольцевой зазор 11. Топливо, например керосин, подается к струйным форсункам 7 по магистрали 9 и коллектору 10. Перемешивание воздуха и топлива происходит в форсунках 4, образовавшаяся смесь в виде осесимметричных струй поступает в камеру сгорания, Воспламенение смеси в нише 5 инициирует горение, которое поддержива стабилизирующего дейс течения в приосевой обла ченный при помощи лоп присоединенную струйную завесу, 2 истехиометрическому составу топливовоздушной смеси. На охлаждение стенок камеры 50 55 Изобретение относится к нефтедобыче, в частности к устройствам для термического воздействия на битумные и нефтяные пласты и организации внутрипластового горения,Цель изобретения - упрощение конструкции при одновременном повышении надежности запуска устройства.На фиг. 1 показана схема конструкции нагревательного устройства. продольный разрез; на фиг, 2 - экспериментальная зависимость вероятности запуска нагревательного устройства (Р) от начального угла закрутки воздушной струйной завесы (р),Нагревательное устройство состоит из камеры 1 сгорания с выходным соплом 2, форсуночной головки 3 с топливовоздушными форсунками 4 и центральной цилиндрической нишей 5, в которой установлена электрическая свеча 6 накаливания. Топливовоздушные форсунки 4 состоят из струйных форсунок 7 топлива и струйных форсунок 8 воздуха типа сопло Лаваля, в которых есть минимальное проходное сечение, Топливная магистраль 9 сообщена с форсунками 7 при помощи кольцевого коллектора 10. Между форсуночной головкой 3 и внутренней поверхностью камеры 1 сгорания образован кольцевой зазор 11, в котором установлен завихритель с лопатками 12, выполненными вдоль радиуса и под углом.6-15 к продольному направлению устройства. Кольцевой зазор 11 и струйные форсунки 8 воздуха сообщаются между собой и соединяются с подводящей магистралью 13 воздуха при помощи кольцевой полости 14.В устройстве соотношение площадей проходных сечений кольцевой щели и минимальных сечений воздушных форсунок определяет температурный режим работы нагревательного устройства, Для обеспечения стабильного горения расход воздуха через форсунки 4 должен соответствовать сгорания и балластирование продуктов сгорания расходуется оставшаяся часть воздуха, проходящая через кольцевую щель 11,Расход этой части воздуха определяется из условия потребной температуры термогаза,величина которой при разработке нефтяных месторождений находится в интервале 200 - 600 С. Иэ термодинамического расчета для топливной пары керосин - воздух можно определить, что температура газа на выходе из нагревательного устройства, равная 600 С, соответствует коэффициенту избытка окислителя (отношение массовых расходов окислителя и горючего, деленного на стехи 5 10 15 20 25 30 35 40 ометрическое отношение) а= 4, а темпера. тура 200 Ссоответствует а=11, Стехиомвтрическое соотношение топливовоздушной смеси соответствует а= 1,0. Таким образом, при данном диапазоне регулирования температуры газа на выходе из нагревательного устройства видно, что расход воздуха, направляемого на организацию струйной завесы, должен быть в 3-10 раз больше расхода воздуха, идущего через форсунки на образование топливовоздушной смеси,В связи с тем, что расход газа через отверстия при прочих равных условиях (температура и давление на входе, перепад дае- . ления на отверстии, гидравлическое сопротивление) определяется с площадью проходного (поперечного) сечения этого отверстия, поэтому площадь проходного сечения кольцевой щели 11 должна быть в 3-10 раз больше суммарной площади минимальных сечений струйных форсунок 8 воздуха,Защита и охлаждение стенок камеры сгорания нагревательного устройства осуществляется воздушной струйной пристенной завесой, которая может быть незакрученной и закрученной. Незакрученная завеса (т,е. лопатки в завихрителе установлены под углом р =- 0 к продольному направлению) надежно охлаждает стенки камеры сгорания, но в этом случае в приосевой области камеры сгорания степень турбулентности достигает 200 . Такой высокий уровень турбулентных пульсаций интенсифицирует процессы массообмена и приводит к обеднению топливовоздушной смеси (й1), в результате чего снижается вероятность успешного запуска нагрева. тельного устройства.Закрученная завеса ( р0) также надежно охлаждает стенки камеры сгорания и стабилизирует течение в ней, При этом снижается степень турбулентности в приосевой области, Но в этом случае возникает воэможность появления приосевого вихревого обратного тока, продольное направление движения которого противоположно основному, т,е, движение происходит от сопла к форсуночной головке. Приосевой вихревой обратный ток снижает вероятность успешного запуска нагревательного устройства. Во-первых, это происходит потому. что этот ток взаимодействует с топливовоэдушной смесью и обедняет ее. Во-вторых, вихревой обратный ток интенсифицирует движениевдоль оси от сопла к форсуночной головке и способствует переохлаждению спирали электрической свечи накаливания..С целью определения оптимального начального угла закрутки пристенной завесы10 15 20 30 35 40 45 при котором надежно охлаждалась бы камера сгорания и надежно осуществлялся бы запуск, были проведены экспериментальные исследования. При этом угол установки лопаток в завихрителе к продольному направлению, который соответствует начальному углу закрутки пристенной струи, был равен О, 6, 10, 15, 20, 30 и 60, коэффициент избытка окислителя (воздуха) а - 4 и 6. Результаты экспериментов позволили получить зависимость вероятности запуска нагревательного устройства Р (отношение числа успешных запусков к общему числу попыток на одном режиме) от угла установки лопаток в завихрителе (фиг. 2). Согласно фиг. 2 надежный запуск нагревательного устройства (т,е. Р = 1) осуществляется при угле установки лопаток в завихрителе р в диапазоне 6 - 15. Следовательно, углы установки лопаток в завихрителе к продольному направлению в данном интервале являются оптимальными.Эксперименты также показали, что камера сгорания надежно охлаждается. Так,максимальная температура наружной поверхности камеры сгорания достигала 500 С при й= 4. Такой уровень температур является допустимым с точки зрения прочности для жаропрочных сталей, из которых обычно изготавливаются камеры сгорания,Нагревательное устройство работаетследующим образом,По магистрали 13 подводится сжатыйвоздух от внешнего источника, например компрессора высокого давления, к кольцевой полости 14, на которой воздух распределяется на два потока: меньшая часть воздуха направляется в форсуночную головку 3, а большая часть - к кольцевому зазору 11, расположенному между форсуночной головкой 3 и внутренней поверхностью камеры 1 сгорания. Топливо (керосин, дизельное топливо, дистиллат) подается от внешнего насоса к струйным форсункам 7 по магистрали 9 и кольцевому коллектору 10. Воздух и топливо перемешиваются в форсунках 4, на выходе из которого образуется топливо- воздушная смесь, которая в виде осесимметричных струй поступает в камеру сгорания, В результате отрывного течения этих струй и приосевой области образуется возвратное течение топливовоздушной смеси, которая, двигаясь в обратном направлении, попадает в центральную цилин.дрическую нишу 5 и воспламеняется от предварительно разогретой спирали свечи 6 накаливания. Воспламенение топливовоздушной смеси в нише 5 инициирует горение в камере 1 сгорания. Так осуществляется запуск нагревательного устройства. После запуска свеча 6 накаливания отключается от электропитания, а горение в камере 1 сгорания поддерживается при помощи стабилизирующего действия возвратного течения в приосевой области. Воздух, поступающий в камеру 1 сгорания через кольцевой зазор 11, слабо закручивается при помощи лопаток 12, установленных в кольцевом зазоре 11 вдоль радиуса, и под углом 6-15 к продольному направлению и образует вдоль внутренней поверхности камеры 1 сгорания пристенную струйную завесу, которая защищает камеру 1 сгорания от высокотемпературных продуктов сгорания. Перед соплом 2 воздух из пристенной струйной завесы полностью перемещивается с продуктами сгорания и охлаждает их до заданной температуры. В результате образуется термогаз, обогащенный воздухом. который выходит из камеры 1 сгорания через сопло 2, Это сопло имеет в критическом сечении звуковую скорость, поэтому оно предотвращает процессы в камере сгорания от воздействия внешнего давления,Останов нагревательного устройства осуществляется прекращением подачи воздуха и топлива.Конкретная реализация изобретения осуществляется в камере сгорания термогазогенератора,Термогазогенератор работает на сжатом воздухе и керосине,Камера сгоранияс толщиной стенки 6 мм, внутренним диаметром 62 мм и длиной 160 мм снабжена Форсуночной головкой с шестью топливовоздушными форсунками типа сопла Лаваля с диаметром минимального сечейия 3.6 мм и выходным соплом, Форсунки расположены на окружности диаметром 40 мм, На оси форсуночной головки расположена центральная цилиндрическая ниша диаметром 16 мм, в которую установлена электрическая свеча накаливания СНД, Между Форсуночной головкой и внутренней поверхностью камеры сгорания образован кольцевой зазор. площадь,выходного сечения которого в зависимости от потребной величины температуры термогаза в 3-10 раза больше суммарной площади минимальных сечений воздушных форсунок. Так, при температуре газа на выходе из сопла термогазогенератора 600 С высота кольцевого зазора составила 0,97 мм, что соответствует утроенной величине суммарной площади минимальных сечений воздушных форсунок. Завихритель имеет лопатки, выполненные вдоль радиуса и установленные под углом 12 О к продольному направлению термогазогенератора.1709077 дф 02 Составитель А,СоколовРедактор М.Келемеш Техред М.Моргентал Корректор О,Кравц каз 415 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета по. 113035, Москва, ЖПодписноебретениям и открытиям при ГКНТ Саушская наб., 4 Р 5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 101 Нагревательное устройство имеет простую принципиальную схему и может обслуживаться, запускаться и управляться при помощи имеющихся.в нефтяной промышленности воздушных компрессоров и топливных насосов и другого технологического оборудования. Тепловая мощность нагревательного устройства составляет 100-400 кВт, что существенно выше мощности электронагревателей (16-24 кВт), и применение их сокращает сроки инициирования внутрипластового горения.ф о р мул а изобретен ия Нагревательное устройство, содержащее подводящие магистрали горючего и воздуха, соединенные с камерой сгорания, имеющей выходное сопло и форсуночную головку, в центральной цилиндрической нише которой установлена свечанакаливания, 5 о т л и ч а ю.щ е е с я тем, что, с цельюупрощения конструкции при одновременном повышении надежности запуска устройства, оно снабжено завихрителем с лопатками, выполненными вдоль радиуса и 10 под углом 6-15 к продольной оси камерысгорания, при атом форсуночная головка установлена с кольцевым зазором относительно камеры сгорания, а завихритель с лопатками размещен в зазоре между каме рой сгорания и форсуночной головкой,