РЕКУПЕРАТИВНАЯ ГОРЕЛКА
RECUPERATIVE BURNER

Изобретение относится к системам отопления газовых печей нагрева металла и может быть использовано в нагревательных и термических печах.
Известна рекуперативная высокоскоростная газовая горелка, содержащая корпус с тангенциально установленным патрубком воздуха и расположенную по его оси с образованием кольцевого канала камеру сгорания. Камера сгорания имеет выходное сопло и размещенные в ее фронтовой стенке газовые сопла. Рекуператор горелки - кольцевой канал между корпусом и камерой сгорания, сообщается с объемом камеры сгорания при помощи тангенциально направленных отверстий, расположенных около выходного сопла (патент Франции №2236394, МПК F23R 1/08, 1975 г.) - аналог.
Недостатком данной рекуперативной горелки является ее низкая эксплуатационная надежность, вызванная слабой интенсивностью охлаждения воздушным потоком стен камеры сгорания и корпуса горелки, что приводит к их перегреву и разрушению, особенно вблизи выходного сопла горелки.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является рекуперативная горелка, содержащая цилиндрический корпус с подводящим воздух узлом, выполненным в виде циклонной камеры, и расположенную по оси корпуса с образованием кольцевого зазора камеру сгорания. Со стороны камеры сгорания имеется выходное сопло и размещенные в ее фронтовой стенке газовые сопла. Кольцевой зазор между корпусом и камерой сгорания сообщается с камерой сгорания через полость, в которой установлен завихритель, и кольцевую щель между выходным соплом и боковой стенкой камеры сгорания (а.с. 1171644, СССР, МПК F23D 14/00, 1985 г.) - прототип.
Недостатком данной рекуперативной горелки является ее низкая эксплуатационная надежность, вызванная тем, что интенсивность охлаждения камеры сгорания и корпуса горелки закрученным воздушным потоком в кольцевом зазоре значительно снижается по направлению от циклонной камеры к выходному соплу горелки. Это приводит к перегреву и разрушению наиболее термически напряженных участков стенки камеры сгорания и корпуса горелки, особенно вблизи ее выходного сопла.
Задача изобретения - повышение эксплуатационной надежности рекуперативной горелки за счет интенсификации охлаждения наиболее термически напряженных частей камеры сгорания и корпуса. Для достижения этого в рекуперативной горелке, содержащей корпус, установленную с кольцевым зазором камеру сгорания, узел подачи воздуха в виде генератора закрутки с тангенциально установленным патрубком, выходное сопло, корпус выполнен в виде усеченного конуса, сужающегося в направлении сопла.
к
ц
1
2
На фиг. 1 изображена горелка, продольный разрез; на фиг. - 2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 показаны графики изменения по длине кольцевого зазора относительного коэффициента теплоотдачи на внешней поверхности камеры сгорания (линия 1) и внутренней поверхности корпуса горелки (линия 2), выполненного в виде усеченного сужающегося в направлении выходного сопла, при уменьшении по длине кольцевого зазора площади его поперечного сечения в два раза. На фиг. 3 используются обозначения: α - коэффициент теплоотдачи для случая исполнения корпуса горелки в виде сужающегося усеченного конуса, α - коэффициент теплоотдачи для случая исполнения корпуса, как в прототипе, в виде цилиндра, z - продольная координата, отсчитываемая от начала кольцевого зазора по направлению к выходному соплу, d и d - внутренний и наружный диаметры кольцевого зазора.
Рекуперативная горелка содержит корпус 1 с генератором закрутки воздуха 2, патрубок подачи воздуха 3, расположенный тангенциально по отношению к внутренней поверхности генератора закрутки потока, установленную в корпусе 1 с кольцевым зазором 4 камеру сгорания 5 с газовыми соплами 6 и воздухоподводящими отверстиями 7 во входном торце и выходным соплом 8, при этом корпус 1 заключен в кожух 9 с образованием дымового канала 10 для отвода продуктов сгорания, причем корпус 1 имеет форму усеченного конуса, сужающегося от генератора закрутки воздуха 2 в сторону выходного сопла 8, а на торце камеры сгорания 5 со стороны выходного сопла 8 установлен завихритель 11, соединяющий кольцевой зазор 4 с кольцевой щелью 12.
Горелка работает следующим образом.
Через газовые сопла 6 газ направляется в камеру сгорания 5. Воздух к горелке подводится через патрубок 3 тангенциально внутренней поверхности генератора закрутки 2, закручивается и разделяется на два потока, один из которых - первичный воздух - направляется к воздушным соплам 7 и через них в камеру сгорания 5, а второй - основной поток - проходит кольцевой воздушный зазор 4, закручивается в завихрителе 11, поворачивается на 180° и через кольцевую щель 12 направляется в камеру сгорания.
Отработанные продукты сгорания за счет инжекции струи, выходящей из сопла 8, и разрежения во внешнем дымовом канале поступают в дымовой канал 10, нагревая воздух, идущий на горение, через стенку корпуса 1.
В соответствии с представленными на фиг. 3 графиками при выполнении корпуса горелки в виде сужающегося в направлении сопла усеченного конуса коэффициенты теплоотдачи на обеих поверхностях кольцевого зазора увеличиваются в этом же направлении, по сравнению с прототипом, из-за возрастания скорости закрученного воздушного потока при его движении от генератора закрутки к выходному соплу. Причем теплоотдача на внутренней поверхности кольцевого зазора - стенке камеры сгорания, наиболее термически напряженной поверхности, увеличивается более интенсивно (линия 1), чем на внешней поверхности - корпусе горелки (линия 2). Тем не менее, вблизи выходного сопла увеличение теплоотдачи на стенке корпуса составляет примерно 28%, а на стенке камеры сгорания примерно 65%.
Представленные результаты получены при численном моделировании аэродинамики и теплоотдачи на поверхностях кольцевого зазора, причем для прототипа расчеты протестированы на опытных данных и хорошо с ними согласуются (Леухин Ю.Л., Сабуров Э.Н. Исследование аэродинамики и теплоотдачи в кольцевых каналах циклонных рекуператоров. Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. №1(12), 2013. - С. 123-129).
Значительное увеличение коэффициентов теплоотдачи на наиболее термически напряженных участках камеры сгорания и корпуса горелки, особенно вблизи ее выходного сопла, позволит, за счет более эффективного охлаждения их закрученным потоком воздуха, существенно снизить их максимальные температуры и, следовательно, повысить эксплуатационную надежность рекуперативной горелки.