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, состоящую из контактирующих друг с другом объемных унифицированных элементов, размещенных с образованием воздушных вертикальных каналов, расположенный над ней штуцер горячего дутья, коллекторы газа и воздуха с подводящими штуцерами и каналами, при этом камера сгорания размещена в куполе, коллекторы для подачи газа и воздуха расположены между кожухом и боковой стенкой футеровки один над другим, а сообщающиеся с ними каналы выполнены в вертикальной боковой стенке футеровки
камеры сгорания (см. патент РФ на полезную модель №69069, кл. С21В 9/02, опубл. 10.12.2007).
К недостаткам устройства можно отнести повышенные габариты насадки, в результате чего продукты неполного сгорания осаждаются в каналах насадки и резко снижается контактная площадь поверхности теплообмена в воздухонагревателе.
Технический результат от использования заявленного устройства заключается в повышении эффективности конструкции за счет улучшения условий теплообмена и повышения контактной поверхности теплообмена вследствие увеличения количества вертикальных каналов, повышении к.п.д. за счет улучшения технических характеристик аппарата, снижении затрат на сооружение 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, состоящую из контактирующих друг с другом объемных унифицированных элементов, размещенных с образованием воздушных вертикальных каналов, расположенный над ней штуцер горячего дутья, коллекторы газа и воздуха с подводящими штуцерами и каналами, при этом камера сгорания размещена в куполе, коллекторы для подачи газа и воздуха расположены между кожухом и боковой стенкой футеровки один над другим, а сообщающиеся с ними каналы выполнены в вертикальной боковой стенке футеровки камеры сгорания, объемные унифицированные элементы насадки выполнены в виде модульных блоков из огнеупорных фасонных изделий с образованием ограненной формы с числом граней не менее трех, обеспечивающих повышение площади контактной поверхности теплообмена за счет увеличения площади боковой поверхности вертикальных каналов, при этом вертикальные каналы выполнены диаметром в диапазоне 15-45 мм.
Кроме этого, в различных вариантах исполнения камера сгорания может быть расположена как внутри кожуха воздухонагревателя, так и вне кожуха воздухонагревателя.
Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна", так как оно неизвестно 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 с камерой сгорания, размещенной внутри кожуха, на фиг.2 - воздухонагреватель с наружной камерой сгорания, размещенной вне кожуха, на фиг.3 - воздухонагреватель с камерой сгорания, размещенной внутри кожуха, над насадкой, на фиг.4 - унифицированный элемент насадки в виде модульного блока из огнеупорного кирпича с вертикальными каналами диаметром 36-45 мм, на фиг.5 - то же, с вертикальными каналами диаметром 26-35 мм, на фиг.6 - то же, с диаметром вертикальных каналов от 15 до 25 мм, на фиг.7 - то же, с вертикальными и горизонтальными каналами.
В варианте исполнения, когда камера сгорания размещена в куполе, воздухонагреватель содержит кожух 1 с футеровкой 2, насадку 3, состоящую из контактирующих друг с другом объемных унифицированных элементов, размещенных с образованием воздушных вертикальных каналов 4 для прохода продуктов горения из камеры сгорания 5, штуцер 6 горячего дутья, штуцер 7 подачи воздуха, штуцер 8 подачи газа в камеру сгорания, а также штуцер 9 холодного дутья и штуцер 10 отвода дыма.
В варианте исполнения с наружным расположением камеры сгорания воздухонагреватель содержит кожух 11 с футеровкой 12, насадку 13, состоящую из контактирующих друг с другом объемных унифицированных элементов, размещенных с образованием воздушных вертикальных каналов 14 для прохода продуктов горения из камеры сгорания 15, штуцер 16 горячего
дутья, штуцер 17 подачи воздуха, штуцер 18 подачи газа в камеру сгорания, а также штуцер 19 холодного дутья и штуцер 20 отвода дыма с футеровкой 21 камеры сгорания.
В варианте с бесшахтным исполнением воздухонагреватель содержит кожух 22 с футеровкой 23, насадку 24, состоящую из контактирующих друг с другом объемных унифицированных элементов, размещенных с образованием воздушных вертикальных каналов 25 для прохода продуктов горения из камеры сгорания (форкамеры) 26, штуцер 27 горячего дутья, штуцер 28 подачи воздуха, штуцер 29 подачи газа в камеру сгорания, а также штуцер 30 холодного дутья и штуцер 31 отвода дыма с футеровкой 32 камеры сгорания.
Объемные унифицированные элементы насадки выполнены в виде модульных блоков из огнеупорных фасонных изделий, преимущественно огнеупорного кирпича, с образованием ограненной формы с числом граней не менее трех, преимущественно, с числом граней 6, обеспечивающих повышение площади контактной поверхности теплообмена за счет увеличения площади боковой поверхности вертикальных каналов, при этом каждый вертикальный канал каждого блока насадки соединен, по меньшей мере, одним горизонтальным каналом (не обозначено), площадь поперечного сечения которого составляет не менее 0,1 площади поперечного сечения одного вертикального канала, что, согласно тепловым расчетам, за счет подбора оптимальных размеров вертикальных каналов насадки придает направленную турбулентность потоку и является наиболее эффективным, способствует увеличению площади контактной поверхности теплообмена и препятствует конвективной потере вертикальных каналов вследствие возможного засорения при длительной эксплуатации воздухонагревателя.
Выполнение вертикальных каналов с диаметром в диапазоне 15-45 мм является оптимальным и существенным признаком, введено в первый пункт заявленного объема притязаний заявителя, поскольку при отличном от заявленного диапазона диаметров вертикальных каналов невозможно заполнить весь объем насадки объемными унифицированными модульными блоками.
Унифицированные элементы насадки, представленные на фиг.4, 5, 6 и 7, могут быть в равной мере использованы во всех типах воздухонагревателей, изображенных на фиг.1, 2 и 3.
Работа воздухонагревателя осуществляется следующим образом.
В период нагрева воздух для горения по штуцеру 28 подается в воздушный коллектор, расположенный внутри воздухонагревателя между кожухом и футеровкой форкамеры 26 под газовым коллектором, и через каналы в вертикальной стенке футеровки поступает в форкамеру 26. Газ по штуцеру 29 подается в газовый коллектор (не показан), расположенный внутри воздухонагревателя между кожухом и футеровкой форкамеры 26 над воздушным коллектором, откуда через каналы боковой стенки поступает в форкамеру 26. Струи газа на выходе радиальных каналов подсасывают находящийся в форкамере 26 воздух, происходит загорание газа в верхней части форкамеры от ее кладки, разогретой в период дутья в процессе прохода через штуцер 27 горячего 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 25 насадки 24, вследствие чего нагреваемый воздух в насадке 24 получает дополнительный нагрев. В случае засорения одного из каналов продукты горения переходят 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 горизонтальных каналов (не обозначено), обеспечивая подачу воздуха к центру газового потока. Общая закрутка потока при этом уменьшается. Затем в поток поступают струи воздуха из каналов, 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.
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 увеличить площадь теплообмена насадки на 33% и снизить ее высоту в среднем на 1,5 м при одинаковой расчетной температуре дутья и одинаковых технических характеристиках устройства.
Таким образом, применение данного устройства обеспечивает повышение эффективности конструкции за счет повышения контактной поверхности теплообмена и увеличения количества вертикальных каналов, а также повышение к.п.д. аппарата за счет улучшения технических характеристик аппарата и снижение затрат на сооружение и эксплуатационные затраты.