РЕКУПЕРАТИВНАЯ ГОРЕЛКА ДЛЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА
RECUPERATIVE BURNER FOR GASEOUS FUEL

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для сжигания газообразного топлива в процессе обогрева рабочего пространства промышленных печей и других тепловых агрегатов.
Известна рекуперативная горелка для сжигания газообразного или жидкого топлива (SU 1400519, публ. 1988 г.) /1/. Горелка содержит воздухоподающий корпус, размещенную в корпусе с кольцевым зазором трубу первичного воздуха, камеру сгорания с выходным соплом, соединенную с топливной трубой, подключенной к топливному патрубку. В зазоре между трубой первичного воздуха и вокруг камеры сгорания смонтирована обечайка, образующая внутреннюю и наружную кольцевые полости рекуператора. Конструктивное решение известной горелки направлено в основном на снижение образования окислов азота в продуктах сгорания. При этом конструкция горелки неэффективна с точки зрения использования теплоты продуктов сгорания топлива, т.к. для интенсификации теплообмена между продуктами сгорания и воздухом, подаваемым на горение, в ней использована игольчатая теплообменная поверхность трубы первичного воздуха. В данном конструктивном варианте использование игольчатых поверхностей для интенсификации теплообмена оказывается малоэффективным, поскольку при таком способе интенсификации коэффициенты теплоотдачи возрастают сколь-либо существенно только при числах Рейнольдса выше 5000 (см. В.М.Антуфьев. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева. - M. - Л.: Энергия, 1966, 184 стр. с рис.). В рекуперативных же горелках, с их сравнительно малыми размерами и низкими скоростями движения воздуха и продуктов сгорания, проблематично обеспечить числа Рейнольдса, превышающие 1000.
Более эффективным средством интенсификации теплообмена обладает теплообменный блок, которым оснащена рекуперативная горелка (SU 1684570, публ. 1991 г.) /2/. Известная горелка содержит размещенные в керамическом блоке коаксиально установленные топливный трубопровод, воздушный патрубок и теплообменный блок с кольцевыми зазорами между ними. Теплообменный блок выполнен в виде дымовых и воздушных труб, скрепленных между собой, установленных в шахматном порядке и снабженных отверстиями, расположенными в полостях между соседними трубами. При этом отверстия в воздушных трубах обращены к оси горелки, а в дымовых трубах - к периферии керамического блока.
Воздух, подаваемый для горения, через отверстия труб в виде системы струй направляется на наружную поверхность внутреннего ряда дымовых труб. Омывая их поверхность в поперечном направлении, воздух поступает во внутреннюю межтрубную полость и, перемещаясь в направлении выходного сопла горелки, через отверстия струйно истекает в полость воздушных труб и далее - на лопатки завихрителя, где, получив вращательное движение, направляется к выходному соплу горелки и смешивается с топливом. Продукты сгорания через каналы, расположенные в кладке печи, далее двигаются вдоль наружной поверхности воздушных труб и струйно истекают в полость труб воздушных. Проходя по этим трубам, продукты сгорания омывают их внутреннюю поверхность и отводятся в дымовой коллектор и далее в трубу. Таким образом, использование известной рекуперативной горелки повышает эффективность теплообмена и снижает расход топлива на нагрев садки за счет многократного натекания воздуха на теплообменную поверхность. Фактором, ограничивающим применение струйного способа интенсификации конвективной составляющей теплообмена в рассматриваемых рекуперативных горелках, является то обстоятельство, что для обеспечения высокой скорости натекания струй на теплообменную поверхность, а значит, и высоких коэффициентов теплообмена, необходимо иметь высокие скорости, а значит, малые диаметры отверстий при небольшом, вполне определенном расстоянии между ними. С другой стороны, при вполне определенных расходах воздуха и продуктов сгорания, зависящих от мощности горелки, количество отверстий оказывается ограниченным. Это исключает возможность увеличения теплообменной поверхности, а значит, и возможность увеличения количество теплоты, передаваемой от продуктов сгорания к подогреваемому воздуху, поскольку увеличение теплообменной поверхности приведет к увеличению количества отверстий, а значит, к снижению скорости струй и эффективности струйного теплообмена.
Задача настоящего изобретения состоит в разработке конструкции рекуперативной горелки, обеспечивающей повышение эффективности использования тепла отходящих газов и снижение за счет этого расхода топлива на отопление теплотехнических агрегатов.
В заявленном решении теплообменник выполнен из пучка труб, предназначенных для прохода продуктов сгорания, трубы теплообменника проходят сквозь смонтированную между корпусом и трубой первичного воздуха винтовую спираль для направления воздуха омывающего трубы теплообменника.
Теплообменник, смонтированный между внутренней стенкой корпуса и наружной поверхностью трубы первичного воздуха, выполнен в виде большого количества труб сравнительно небольшого диаметра, что значительно увеличивает теплообменную поверхность. В отличие от прототипа это цельные, без перфорации, трубы, предназначенные для прохождения только горячих дымовых газов, при этом дымовые газы проходят внутри труб, а воздух - снаружи. В заявленной конструкции трубы теплообменника проходят сквозь смонтированную между корпусом и трубой первичного воздуха винтовую спираль для направления воздуха, омывающего трубы теплообменника. За счет этого конструктивного приема организовано практически поперечное обмывание потоком воздуха наружной поверхности труб теплообменника, что позволяет увеличить скорость потока воздуха и повысить коэффициенты теплоотдачи, а значит, и температуры подогрева воздуха. Внутри теплообменных труб на определенном расстоянии друг от друга вставлены кольца, турбулизирующие поток продуктов сгорания, что приводит к интенсификации теплообмена между продуктами сгорания и стенками трубы и оказывает дополнительное воздействие на повышение температуры подогрева воздуха.
Таким образом, новый технический результат, который может быть достигнут при использовании заявленной конструкции горелки, заключается в повышении количества теплоты, отбираемой у дымовых газов, и передаче ее воздуху, идущему на горение, что, соответственно, приводит к повышению температуры подогрева воздуха и снижению расхода топлива.
Заявленная горелка иллюстрируется чертежом. Горелка содержит воздушный коллектор 1 с патрубками подвода воздуха 2 и отвода продуктов сгорания 3, теплообменник, содержащий пучок труб 4, газовое сопло 5, керамическую камеру сгорания 6, электрод розжига и контроля пламени 7, коллектор подвода газа 8. Трубы теплообменника проходят сквозь винтовую спираль 9. Внутри теплообменных труб 4 вставлены турбулизирующие кольца 10. Для предотвращения перегрева внутреннего пространства горелки камера сгорания отделена от этого пространства прокладкой 11 из керамического огнеупорного волокна. Для компенсации температурных расширений, возникающих при разогреве камеры сгорания 6, в воздушном коллекторе 1 установлен сильфон 12, соединенный с коллектором подвода газа 8 газовым патрубком 13. Горелка имеет дымовой коллектор 14. Трубы теплообменника закрыты наружным кожухом 15 и внутренней обечайкой 16.
x
Принцип работы скоростной рекуперативной горелки (скорость истечения продуктов сгорания свыше 150 м/с) основан на двухстадийном сжигании топлива. На первой стадии в камеру сгорания 6 подается 100% топлива и около 40% воздуха, необходимого для горения, поэтому топливо здесь сгорает с недостатком кислорода при сравнительно низких температурах, несмотря на значительный подогрев воздуха. Недостаток кислорода и низкие температуры на первой стадии сжигания топлива не позволяют образовываться в камере сгорания оксидам азота. Стабилизатором горения на первой стадии сжигания топлива служат разогретые стенки камеры сгорания. Остальная часть топлива сжигается на второй стадии, в струе горячих продуктов сгорания, выходящих из сопла камеры сгорания. При этом воздух на дожигание топлива подается через кольцевой зазор между соплом камеры сгорания и торцевой стенкой горелки. Таким образом, горячая струя, содержащая несгоревшее топливо, распространяется в окружении потока воздуха и в присутствии продуктов сгорания, что обеспечивает полное дожигание топлива при сравнительно низких температурах, вследствие чего уменьшается образование оксидов азота NO на первой и второй стадиях горения. Такая схема позволяет стабилизировать горение на второй стадии и сжигать топливо в струе, распространяющейся с большой скоростью. При этом сжигание газа осуществляют в среде воздуха за счет теплоты отходящих продуктов сгорания.
Подогрев воздуха осуществляется в рекуператоре. При этом все дымовые газы, находящиеся в рабочем пространстве агрегата, просасываются через теплообменные трубы 4 теплообменника с помощью эжектора или дымососа. Турбулизирующие кольца 10 интенсифицируют конвективный теплообмен между дымовыми газами и внутренними стенками теплообменных труб. Отдав тепло стенкам труб теплообменника, продукты сгорания поступают в дымовой коллектор 14, а затем удаляются в дымовую трубу через патрубок 3. Для равномерного распределения дымовых газов по трубам теплообменника дымовой коллектор 14 выполнен в виде кольцевой полости переменной высоты. Воздух в горелку подается вентилятором в воздушный коллектор 1 тангенциально через патрубок 2, омывает со всех сторон дымовой коллектор, снимая с него дополнительно теплоту и охлаждая наружный корпус горелки. После этого воздух попадает в спиралевидный канал с теплообменными трубами, образованный наружным кожухом 15, внутренней обечайкой 16 и винтовой спиралью 9. Таким образом, воздух омывает наружные поверхности теплообменных труб практически поперечно, что значительно интенсифицирует конвективный теплообмен на воздушной стороне. Кроме того, спиралевидный канал имеет значительно меньшее сечение для прохода воздуха, а значит, воздух будет иметь большую скорость и коэффициенты конвективного теплообмена на воздушной стороне теплообменника будут выше, чем при продольном омывании теплообменных труб. За счет увеличения теплообменной поверхности и интенсификации конвективного теплообмена на дымовой и воздушной сторонах эффективность предложенной конструкции теплообменника будет значительно выше, чем у аналогов.
Экспериментальные испытания конструкции заявленной горелки показали ее возможности получать температуру подогрева воздуха, подаваемого на горение до 800°С при температуре продуктов сгорания в печи 1100°С.