Рекуперативно-горелочный блок
RECUPERATIVE BURNER UNIT

Изобретение относится к рекуперативным устройствам отопления газовых печей и может быть использовано для высокотемпературного подогрева воздуха, используемого для сжигания топлива в нагревательных и термических печах.
Известен рекуперативно-горелочный блок, содержащий горелку и рекуператор, состоящий из обечаек, образующих газовый и воздушный каналы с расположенным в  последнем перфорированной перегородкой, наружная обечайка, образующая воздушный канал, выполнена в виде усеченного конуса, а в аксиальном газовом канале установлена дополнительная перфорированная перегородка, причем упомянутые перегородки выполнены  в виде усеченных конусов (А.с. 1765625, СССР, МПК F 23 L 15/04, 1989 г.) – аналог
Недостатками данного рекуперативно-горелочного блока являются его низкие тепловая эффективность и эксплуатационная надежность.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является рекуперативно-горелочный блок, содержащий горелку и рекуператор, размещенные вблизи друг друга в кладке печи, где подводящий воздух узел, содержащий генератор закрутки с тангенциально установленным патрубком, подключен последовательно к прямому (внутреннему) и обратному (внешнему) воздушным кольцевым каналам, разделенным цилиндрической перегородкой, а дымовой канал, расположенный соосно воздушным кольцевым каналам и отделенный от внутреннего прямого канала теплопередающей цилиндрической стенкой, содержит радиационную и конвективную ступени, причем последняя содержит перфорированную трубу, заглушенную с одного торца. (Сабуров Э.Н. Циклонные нагревательные устройства с интенсифицированным конвективным теплообменом / Арх. Гос. техн. ун-т. – Архангельск: Сев. –Зап. кн. изд–во, 1995. – 341 с.) – прототип.
Недостатком данного рекуперативно–горелочного блока является его низкая тепловая эффективность потому, что интенсивность теплоотдачи от теплопередающей цилиндрической стенки дымового канала к воздуху, движущемуся по внутреннему прямому воздушному каналу, значительно снижается по направлению его течения от генератора закрутки в сторону входного отверстия дымового канала. Кроме того,  наблюдается низкая интенсивность подогрева воздуха в обратном канале, так как воздух в нем,  двигающийся в осевом направлении, нагревается только от цилиндрической перегородки, разделяющей воздушные кольцевые каналы, температура которой значительно ниже, чем температура теплопередающей цилиндрической стенки дымового канала.
Задача изобретения – повышение тепловой эффективности рекуперативно–горелочного блока.
Для достижения этого в рекуперативно–горелочном блоке, имеющем горелку и рекуператор, с узлом, подводящим в рекуператор воздух, содержащим генератор закрутки с тангенциальным патрубком подачи воздуха, прямого и обратного кольцевых воздушных каналов, последовательно подключенных к генератору закрутки и разделенных перегородкой, при этом обратный канал подключен к воздушному коллектору, соединенному с горелкой, дымовой канал, расположенный соосно с кольцевыми воздушными каналами, и теплопередающую стенку, последняя расположена между дымовым и обратным воздушным каналами, прямой и обратный каналы соединяются через завихритель, а  разделяющая их перегородка, выполнена в виде усеченного конуса, расширяющегося в направлении входного отверстия дымового канала.
На фиг. 1 изображен рекуперативно–горелочного блок, продольный разрез; на фиг. 2 сечение А-А на фиг.1; на фиг. 3 сечение Б-Б на фиг.1; на фиг. 4 показаны графики изменения относительного коэффициента теплоотдачи по длине в направлениях движения воздушного потока с обеих сторон разделяющей воздушные каналы перегородки.
Рекуперативно–горелочный блок включает горелку 1 и рекуператор 2, с узлом подвода воздуха в рекуператор, содержащий генератор 3 закрутки потока с патрубком 4 подачи воздуха,  расположенным тангенциально по отношению к внутренней поверхности генератора 3 закрутки потока, к которому последовательно подключены прямой 5 и обратный 6 кольцевые воздушные каналы, разделенные перегородкой 7, причем обратный канал 6 подключен с противоположной стороны к воздушному коллектору 8, соединенному с горелкой 1, а дымовой канал, расположенный соосно с кольцевыми воздушными каналами 5 и 6, имеет теплопередающую цилиндрическую стенку 9, радиационную 10 и конвективную 11 ступени, при этом последняя содержит заглушенную с заднего торца перфорированную трубу 12, кроме этого теплопередающая цилиндрическая стенка 9 дымового канала, расположена между дымовым и обратным 6 воздушным каналом, прямой 5 и обратный 6 воздушные каналы соединяются через завихритель 13, а  разделяющая их перегородка 7, выполнена в виде усеченного конуса, расширяющегося в направлении входного отверстия дымового канала 14.
На фиг. 4 используются обозначения: линия 15 - для прямого канала, линия 16 - для обратного канала, а также по длине теплопередающей цилиндрической стенки - линия 17;
к
ц
1
2
α – коэффициент теплоотдачи для случая исполнения разделяющей воздушные каналы перегородки в виде расширяющегося усеченного конуса; α – коэффициент теплоотдачи для случая исполнения разделяющей воздушные каналы перегородки, как в прототипе, в виде цилиндра; z – продольная координата, отсчитываемая от начала кольцевых воздушных каналов по направлению движения воздушных потоков; d и d – внутренний и наружный диаметры кольцевых воздушных каналов в сечениях подключения прямого канала к генератору закрутки, а обратного – к завихрителю. При этом по длине прямого и обратного кольцевых воздушных каналов по ходу движения потока происходит уменьшение площади их поперечного сечения в два раза.
Рекуперативно–горелочный блок работает следующим образом.
0
Воздух, подводящийся к рекуператору через патрубок 4 тангенциально внутренней поверхности генератора закрутки 3, закручивается, проходит  прямой воздушный кольцевой канал 5 и нагревается от его внутренней поверхности – разделяющей воздушные каналы перегородки 7. После чего воздух поворачивается на 180, закручивается в завихрителе 13 и через обратный кольцевой канал 6 и воздушный коллектор 8 направляется в горелку 1. При этом воздух в канале 6 нагревается от теплопередающей цилиндрической стенки 9 и перегородки 7. Через входное отверстие 14 отработанные продукты сгорания с высокой температурой поступают сначала в радиационную ступень 10 дымового канала, а затем с более низкой температурой в конвективную ступень 11. В радиационной ступени 10 дымовые газы передают теплоту теплопередающей цилиндрической стенке 9 преимущественно за счет излучения, а в конвективной ступени 11 – конвекцией за счет струйного истечения дымовых газов из перфорированной трубы 12 на теплопередающую цилиндрическую стенку 9. Теплопередающая стенка передает часть полученной от дымовых газов теплоты излучением перегородке 7, разделяющей воздушные каналы, и нагревает ее.
В соответствии с представленными на фиг.4 графиками, при выполнении перегородки, разделяющей воздушные кольцевые каналы, в виде расширяющегося в направлении входного отверстия дымового канала усеченного конуса, коэффициенты теплоотдачи увеличиваются на внешней поверхности перегородки в направлении движения воздушного потока, по сравнению с прототипом, из-за возрастания скорости и турбулентности закрученного воздушного потока, а на внутренней поверхности перегородки и  на теплопередающей цилиндрической стенке дымового канала еще и за счет закрутки воздушного потока с помощью завихрителя. При этом вблизи выходного сечения прямого канала увеличение теплоотдачи на внешней поверхности разделяющей перегородки составляет примерно 98 % (линия 15), в обратном канале на внутренней поверхности перегородки интенсификация теплоотдачи составляет 220 % (линия 16), а на стенке дымового канала примерно 140 % (линия 17).
Представленные результаты получены авторами при численном моделировании аэродинамики и теплоотдачи на поверхностях кольцевого канала (Yu. L. Leukhin, E. V. Pankratov and S. V. Karpov. Investigation into aerodynamic and heat transfer of annular channel with inner and outer surface of the shape truncated cone and swirling fluid flow. / IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 891 (2017) 012143), 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).
При расположении обратного воздушного канала между прямым воздушным и дымовым каналами, воздух, подаваемый в горелочно-рекуперативный блок, нагревается сначала в прямом канале от разделяющей перегородки, а затем в обратном от разделяющейся перегородки и более горячей теплопередающей цилиндрической стенки. Закрутка воздушного потока в обратном кольцевом канале с помощью завихрителя позволяет значительно интенсифицировать теплоотдачу на обеих его поверхностях. Выполнение перегородки, разделяющей воздушные кольцевые каналы, в виде расширяющегося в направлении входного отверстия дымового канала усеченного конуса, интенсифицирует теплоотдачу на ее поверхностях, а также на теплопередающей цилиндрической стенке дымового канала. Все перечисленные мероприятия обеспечат более высокую конечную температуру нагреваемого воздуха и приведут к повышению тепловой эффективности предлагаемого устройства.