ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к черной металлургии, в частности, к конструкциям аппаратов для нагрева воздушного дутья доменных печей.
Известен воздухонагреватель, содержащий кожух с футеровкой, насадку, расположенный над насадкой штуцер горячего дутья, купол, кольцевую форкамеру, выполненную между футеровкой купола и насадочной камерой, снабженный многосопловой горелкой, под которой расположены кольцевые коллекторы газа и воздуха, имеющие подводящие патрубки и выходные каналы, перекрытые насадками для газа и воздуха, между которыми размещены смесительные камеры горелок (см., например, описание изобретения к а.с. СССР №602555, кл. С21В 9/02 от 15.04.1978).
Недостатком данного устройства являются повышенное гидравлическое сопротивление как по газовому, так и по воздушным трактам, невысокий межремонтный срок службы, обусловленный большими колебаниями температур кладки горелки и температурными напряжениями, а также трудоемкий монтаж и значительные габариты.
Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа воздухонагреватель, содержащий кожух с куполом, имеющие футеровку, насадку, расположенный над ней штуцер горячего дутья, коллекторы газа и воздуха с подводящими штуцерами и каналами, при этом форкамера расположена в верхней части купола соосно с ним и имеет кожух с футеровкой, выполненной независимо от футеровки купола с самостоятельной опорой на кожух форкамеры, штуцер горячего дутья расположен над насадкой на расстоянии до его оси не менее одного диаметра его проходного сечения, коллекторы газа и воздуха расположены между кожухом и боковой стенкой
футеровки один над другим, а сообщающиеся с ним каналы выполнены в вертикальной боковой стенке футеровки форкамеры с возможностью подачи газа и воздуха непосредственно в форкамеру (см. патент РФ №2145637, кл. С21В 9/02, опубл. 20.02.2000).
К недостаткам устройства можно отнести неполное сгорание газа в форкамере, в результате чего продукты неполного сгорания осаждаются в каналах в насадки и резко снижается контактная поверхность площади теплообмена в воздухонагревателе.
Технический результат от использования заявленного устройства заключается в повышении эффективности конструкции за счет обеспечения полного сгорания газа до входа в насадочную камеру, повышения к.п.д. и снижения сборочно-монтажных работ и эксплуатационных затрат.
Заявленная совокупность существенных признаков находится в прямой причинно-следственной связи к достигаемому техническому результату.
Указанный технический результат достигается тем, что в воздухонагревателе, содержащем кожух с куполом, имеющие футеровку, насадку, расположенный над ней штуцер горячего дутья, коллекторы газа и воздуха с подводящими штуцерами и каналами, при этом форкамера расположена в верхней части купола соосно с ним и имеет кожух с футеровкой, выполненной независимо от футеровки купола с самостоятельной опорой на кожух форкамеры, штуцер горячего дутья расположен над насадкой на расстоянии до его оси не менее одного диаметра его проходного сечения, коллекторы газа и воздуха расположены между кожухом и боковой стенкой футеровки один над другим, а сообщающиеся с ним каналы выполнены в вертикальной боковой стенке футеровки форкамеры с возможностью подачи газа и воздуха непосредственно в форкамеру, насадка состоит из объемных унифицированных элементов, размещенных, по меньшей мере, в два ряда, контактирующих друг с другом по площади и высоте с образованием воздушных вертикальных и горизонтальных каналов ячеистой структуры, в которой вертикальные и горизонтальные каналы объединены в чередующиеся круговые и линейные секции, обеспечивающие возможность дополнительного конвективного нагрева воздуха за счет
повышения контактной поверхности теплообмена, причем площадь поперечного сечения одного горизонтального канала составляет не менее 0,1 площади поперечного сечения одного вертикального канала, при этом объемные унифицированные элементы контактируют друг с другом по площади и высоте и размещены, по меньшей мере, в два ряда.
Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна", так как оно не известно из уровня техники.
Предложенное устройство является промышленно применимым существующими техническими средствами.
Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности полезной модели.
Других известных технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками заявителем не обнаружено.
На фиг.1 представлен воздухонагреватель, общий вид, на фиг.2 - разрез I-I на фиг.1, на фиг.3 - разрез II-II на фиг.1, на фиг.4 - насадочный блок без горизонтальных каналов, на фиг.5 - насадочный блок с горизонтальными каналами.
Воздухонагреватель содержит кожух 1 с футеровкой 2, насадку 3 с вертикальными и соединительными горизонтальными каналами для прохода продуктов горения и воздуха, а также штуцер 4 горячего дутья, расположенный над насадкой 3 на расстоянии не менее одного диаметра его проходного сечения.
Купол 5 выполнен с расположенной соосно с ним форкамерой 6, имеющей кожух 7 и футеровку 8 с независимой опорой на кожух 9. В боковой стенке 10 форкамеры 6 выполнены каналы 11 для прохода газа и каналами 12 и 13 для прохода воздуха, соответственно сообщающиеся с расположенными друг под другом внутренними газовым и воздушным коллекторами 14, 15 и штуцерами 16 и 17 для подвода газа и воздуха.
Насадка 3 воздухонагревателя состоит из объемных унифицированных (взаимозаменяемых) элементов, размещенных, по меньшей мере, в два ряда, контактирующих друг с другом
по площади и высоте с образованием воздушных вертикальных и горизонтальных каналов ячеистой структуры, в которой вертикальные и горизонтальные каналы объединены в чередующиеся круговые и линейные секции, обеспечивающие возможность дополнительного конвективного нагрева воздуха за счет повышения контактной поверхности теплообмена, при этом площадь поперечного сечения одного горизонтального канала составляет не менее 0,1 площади поперечного сечения одного вертикального канала, что, согласно тепловым расчетам, является наиболее эффективным, способствует увеличению поверхности теплообмена и препятствует конвективной потере вертикальных каналов вследствие возможного засорения при длительной эксплуатации воздухонагревателя.
Предпочтительно, чтобы в верхний коллектор подавался газ, а в нижний - воздух, что исключает возможность неполного сгорания газа и образование сажи, которая затем может оседать и забивать вертикальные 18 и горизонтальные 19 каналы ячеистой структуры насадки.
Работает предложенный воздухонагреватель следующим образом.
В период нагрева воздух для горения по штуцеру 17 подается в воздушный коллектор 15, расположенный внутри воздухонагревателя между кожухом и футеровкой форкамеры под газовым коллектором 14, и через каналы 12, 13 в вертикальной стенке футеровки 2 поступает в форкамеру 6. Газ по штуцеру 16 подается в газовый коллектор 14, расположенный внутри воздухонагревателя между кожухом и футеровкой форкамеры 6 над воздушным коллектором 15, откуда через каналы 11 боковой стенки 10 поступает в форкамеру 6. Струи газа на выходе радиальных каналов 11 подсасывают находящийся в форкамере 6 воздух, происходит загорание газа в верхней части форкамеры от ее кладки, разогретой в период дутья. При направлении верхнего ряда воздушных струй по радиусу и вверх на угол до 30° условия начального перемешивания и загорания газа и воздуха улучшаются. В верхней части форкамеры образуется горячий закрученный поток газа, при этом температура в верхней части форкамеры достаточна для воспламенения газа.
В период нагрева сгоревшие газы проходят через вертикальные каналы 18 насадки 3, частично попадая в горизонтальные соединительные каналы 19, вследствие чего нагреваемый воздух в насадке 3 получает дополнительный нагрев. В случае засорения одного из каналов продукты горения переходят через соединительные каналы 19 в соседние вертикальные каналы, сохраняя работоспособным участок канала до места перекрытия, и осуществляют дополнительный нагрев воздуха.
При дальнейшем движении в газовый поток внедряются радиально расположенные струи воздуха из каналов 13, обеспечивая подачу воздуха к центру газового потока. Общая закрутка потока при этом уменьшается. Затем в поток поступают струи воздуха из каналов 12, которые подают воздух к периферийной части потока и снова увеличивают закрутку потока. В результате происходит интенсивное выгорание газа в форкамере, которое заканчивается в середине конусной части купола.
Распределение продуктов горения по насадке сильно зависит от закрутки потока, при этом наибольшие скорости наблюдаются в центральной части сечения насадки, а минимальные скорости закрутки потока имеют место на периферии, что вызывает неравномерное распределение продуктов сгорания по площади насадки. В дутьевой период холодное дутье поступает в насадку 3 снизу и, проходя ее вверх по вертикальным каналам 18, нагревается. Кроме того, частично проходя через соединительные каналы 19, осуществляется дополнительный нагрев воздуха. В случае воздушной непроходимости одного из вертикальных каналов 18 воздух по соединительным горизонтальным каналам 19 проходит в соседние вертикальные каналы и осуществляет дополнительный нагрев. Нагретое дутье выходит под купол 5 и отводится через штуцер 4 горячего дутья к потребителю для нагрева теплоносителя до требуемых температур.
В период дутья, вследствие высокой температуры горячего дутья в форкамере поддерживается температура кладки, достаточная для зажигания газа. Однако общий уровень температур и перепад температур в кладке форкамеры между газовым и дутьевым периодами будет меньше, что обеспечит высокую термическую стойкость кладки форкамеры.
Все это позволит увеличить межремонтный срок службы воздухонагревателя и сократить эксплуатационные затраты.
Данная конструкция воздухонагревателя является наиболее перспективной по полноте и экономичности сжигания газа, стойкости футеровки и фукционированию.
Выполненные тепловые расчеты показывают, что применение насадки с вертикальными и соединительными горизонтальными каналами с образованием ячеистой структуры позволяет повысить температуру дутья в среднем на 60°С при одинаковой высоте насадки, при этом возможно снизить ее высоту в среднем на 1,5 м при одинаковой расчетной температуре дутья.
Таким образом, применение данного устройства обеспечивает повышение эффективности конструкции за счет обеспечения полного сгорания газа до входа в насадочную камеру, повышение к.п.д. и снижение сборочно-монтажных работ и эксплуатационных затрат.