Топочное устройство
FURNACE DEVICE

Изобретение относится к воздухонагревательным устройствам, в частности к топочным устройствам сушильных и нагревательных печей, работающих на газообразном или жидком топливе. Предназначено для прямого нагрева приточного воздуха, используемого, например, для процесса сушки хлористого калия. Может использоваться в химической, металлургической, горнорудной промышленности, при производстве минеральных удобрений и строительных материалов.
Известен воздухонагреватель смесительного типа по патенту РФ на изобретение №2585331, F24H 3/00, 2016. Воздухонагреватель содержит цилиндрический корпус, внутри которого коаксиально расположены две цилиндрические и две конические обечайки. Конические обечайки образуют камеру сгорания. В стенках камеры сгорания выполнены отверстия для поступления воздуха внутрь камеры. Корпус и внешняя цилиндрическая обечайка образуют внешнюю воздушную камеру. Внутренняя цилиндрическая обечайка образует внутреннюю воздушную камеру. У ее входа расположены затворки шиберного устройства для регулирования воздушного потока. Недостатком является сложность конструкции, использование большого количества элементов, соединенных сваркой, что снижает надежность работы устройства. Выполнение камеры сгорания сложной формы увеличивает массу и размеры устройства, вызывает потери энергии воздушного потока.
Известен воздухонагреватель по патенту РФ на полезную модель №69210, F24H 3/00, 2007, содержащий корпус с находящейся внутри цилиндрической топкой, газовой горелкой, патрубками нагретого воздуха. Топка состоит из расположенных соосно камеры сгорания и камеры нагрева, между которыми имеется кольцевой зазор. На торцевой стенке камеры сгорания выполнены отверстия для подсоса воздуха. Последовательное соосное расположение камеры сгорания и камеры нагрева, вынесение газовой горелки за пределы корпуса и камеры сгорания приводит к большим габаритам топки, к удлинению канала охлаждения, образованного внутренними и наружными стенками. Это в свою очередь снижает эффективность охлаждения стенок камеры сгорания и камеры нагрева, снижает надежность работы устройства из-за возможности их прогара.
В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбрана камера сгорания по авторскому свидетельству СССР на изобретение №1281849, F23C 3/00, 1987. Камера сгорания содержит корпус и концентрично установленную внутри него пламенную трубу. Горелочный узел установлен перед корпусом и крепится к входному диффузору корпуса. Пламенная труба снабжена продольными ребрами и спиральными пластинами, расположенными на ее наружной поверхности и контактирующими с корпусом. Спиральные пластины расположены по многозаходным винтовым траекториям с образованием между корпусом и пламенной трубой спиральных каналов, при этом спиральные пластины расположены перпендикулярно продольным ребрам. Воздух в камеру сгорания подается двумя потоками. Часть воздуха, участвующего в горении, вводится через горелочный узел, другая часть воздуха поступает через улиточный патрубок ввода охлаждающего воздуха в корпус. Управление поступательно-вращательным движением потока охлаждающего воздуха происходит назначением числа каналов и шага винтовой траектории пластин. Недостатком указанного устройства является сложность конструкции, высокая металлоемкость топки, приводящая к увеличению его массы и размеров. Размещение горелочного узла за пределами корпуса устройства увеличивает размеры камеры сгорания. Кроме того, в устройстве используют два источника подаваемого воздуха. Первый источник подает воздух на процесс горения топлива, второй источник используют для процесса охлаждения корпуса, что усложняет конструкцию, увеличивает ее массу. Охлаждаемый воздухом канал из-за наличия элементов спиралей имеет существенное аэродинамическое сопротивление потоку воздуха. Для компенсации теплового расширения спиральные пластины и продольные ребра имеют надрезы, что также усложняет конструкцию и снижает надежность эксплуатации топки. Конструкция топки предполагает установку одного горелочного узла, что ведет к удлинению факела и габаритов камеры сгорания.
Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение конструкции и снижение массогабаритных характеристик топочного устройства.
Технический результат достигается за счет того, что в топочном устройстве, содержащем корпус и коаксиально установленную в нем камеру сгорания с образованием зазора между ними, горелочный узел, согласно изобретению, горелочный узел выполнен в виде установленной на входе в камеру сгорания диафрагмы с отверстиями, для размещения за ними газовых горелок и с отверстиями для установки в них жидкотопливных горелок, а вдоль периметра диафрагмы установлены поворотные заслонки.
Технический результат обеспечивается тем, что горелочный узел не имеет собственного корпуса, установлен внутри корпуса топочного устройства и представляет собой диафрагму с отверстиями в виде проемов для установки за ней линейных газовых горелок и установки на ней жидко топливных горелок. Размещение горелочного узла внутри корпуса значительно уменьшает габариты устройства за счет исключения из общей длины устройства размеров наружного корпуса горелочного узла и за счет уменьшения длины факела. Использование диафрагмы, выполненной в виде внутренней перегородки, снижает массу устройства по сравнению с аналогами, использующими отдельный корпус для размещения в нем горелок. Кроме того, для горелочного узла, размещенного внутри корпуса топочного устройства не требуется самостоятельная тепловая защита, что упрощает конструкцию, снижает массу и габариты устройства. Концентричное, а не последовательное расположение камеры сгорания внутри корпуса так же способствует уменьшению габаритов топочного устройства. Выполнение устройства управления потоком охлаждающего воздуха в виде поворотных прямоугольных заслонок значительно упрощает конструкцию топочного устройства по сравнению с аналогом за счет отказа от спирально расположенных пластин на корпусе камеры сгорания, снижает массу устройства, позволяет уменьшить его наружный габарит, упрощает процесс регулирования охлаждающего потока. Размещение управляющих заслонок перед диафрагмой позволяет упростить конструкцию, обеспечивает регулировку потока воздуха, необходимого для охлаждения кожуха устройства. Кроме того, в случае использования газовых горелок в заявляемом устройстве используется один источник подводимого воздуха, применяется прямоточная схема потока воздуха. Воздух от одного источника расходуется на процесс горения топлива, на охлаждение и защиту корпуса камеры сгорания, на смешение и образование горячего газа-теплоносителя. Таким образом, установка линейных горелок за диафрагмой внутри корпуса позволяет отказаться от использования дополнительных вентиляторов, патрубков подвода приточного воздуха, что так же направлено на достижение заявленного технического результата.
На фигуре 1 представлено топочное устройство.
На фигуре 2 представлен горелочный узел топочного устройства с заслонками для регулирования потока воздуха.
На фигуре 3 представлен поперечный разрез корпуса топочного устройства.
Топочное устройство состоит из корпуса 1 прямоугольного сечения, камеры сгорания 2, коаксиально установленной в корпусе 1 с зазором 3. Корпус 1 снабжен входным раструбом 4 и выходным раструбом 5. Корпус 1 представляет собой коробчатый кожух, выполненный из отдельных стальных теплоизолированных снаружи секций. На входе в камеру сгорания 2 установлена диафрагма 6, в которой выполнены два типа отверстий (проёмов) 7 и 8. За горизонтальными проемами 7 могут быть установлены линейные горелки газового топлива 9, в проемах 8 могут быть установлены горелки 10 жидкого топлива. По периметру наружного контура диафрагмы 6 закреплены на осях поворотные заслонки 11, из которых две заслонки установлены горизонтально, а две - вертикально. Раструб 4 присоединяется к воздуховоду от приточного вентилятора (на чертеже не показан).
Топочное устройство работает следующим образом.
Поток воздуха от вентилятора попадает в зону горелочного устройства, где за диафрагмой 6 установлены в прямоугольных проемах 7 газовые линейные горелки 9, например типа «Maxon» фирмы «Honeywell Company». После воспламенения топлива воздух через проемы 7 и отверстия диафрагмы 6 попадает в камеру сгорания 2, участвует в горении топлива и образовании факела горения. В случае установки горелок жидкого топлива 10 в отверстия 8 топливо сгорает в потоке воздуха, проходящего через проемы 7 диафрагмы 6. Горячие газы взаимодействуют с турбулентными струями воздуха, омывающими форсунки, образуя поверхность фронта горения. Часть потока подаваемого с вентилятора воздуха попадает в зазор 3 между корпусом 1 и камерой сгорания 2. Этот поток воздуха движется по прямоточному каналу, охлаждая стенки камеры сгорания 2 и корпуса 1. При этом происходит нагрев воздуха, движущегося по данному каналу. Температура потока воздуха, выходящего из прямоточного канала, образованного зазором 3 ниже температуры потока, выходящего из камеры сгорания 2. В раструбе 5 данные потоки смешиваются и образуют единый, исходящий из топочного устройства поток горячего воздуха и газов, направляемый к устройствам-потребителям. Регулирование расхода воздуха, проходящего по прямоточному каналу в зазоре 3 происходит изменением положения поворотных заслонок 11. Поворотом горизонтальных и вертикальных заслонок 11 регулируют интенсивность процесса охлаждения корпуса 1 и конечную температуру горячего газа, выходящего из топочного устройства. За счет того, что топочное устройство имеет прямоточную схему движения потоков воздуха, который поступает в устройство от одного источника, металлоемкость и массогабаритные характеристики заявляемого устройства существенно ниже, чем у ближайшего аналога, а аэродинамические характеристики потоков выше.
Предлагаемое топочное устройство испытано и эксплуатируется. Достигнуты следующие параметры работы топочного устройства:
- расход воздуха на топку - 70000 нм3/ч;
- температура горячих газов, выходящих из топки - 560оС;
- коэффициент использования газообразного топлива - 77,8 %;
- тепловая мощность топки - до 20 МВт;
- расход природного газа на топку - 1800 м3/ч.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет снизить массогабаритные характеристики топочного устройства и добиться упрощения конструкции.