ТОПКА-ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1996 года по МПК F22B9/08 

Изобретение относится к топочной технике и может быть использовано для сжигания газа в жаротрубных водогрейных котлах и теплотехнологических установках для нагрева жидкостей, имеющих топку, температура стенок которой ниже температуры кипения жидкости.

Известны топки, содержащие центральную жаровую трубу с установленной с одного торца газовой горелкой и отводом продуктом горения с другого торца через систему дымогарных труб [1]
Недостатками известных устройств являются малая эффективность использования газового топлива, наличие химической неполноты, обусловленной низкой температурой стенок жаровой трубы, наличие большого количества окислов азота в продуктах сгорания, а также низкая эффективность тепловой работы, что приводит к росту габаритов и массы теплообменника.

Сущность изобретения заключается в том, что в топке-теплообменнике,содержащей жаровую трубу с горелочным устройством, конвективные поверхности нагрева в виде дымогарных труб, объединенных в две ступени, длина жаровой трубы составляет 3,3-4 ее диаметра, ось горелочного устройства смещена относительно оси жаровой трубы на 1-1,5 диаметра выходного отверстия горелки, а первая и вторая ступени дымогарных трубок выполнены из труб разного диаметра первая ступень по ходу газов выполняется из труб большего диаметра, причем соотношение числа труб в первой и второй ступенях выбирается из условия равенства скоростей движения дымовых газов в первой и второй ступенях.

Предлагаемое изобретение позволит повысить эффективность тепловой работы, улучшить теплообмен в жаровой трубе и дымогарных трубах, а также снизить выбросы вредных газообразных веществ в воздушный бассейн.

На чертеже изображена топка-теплообменник. Топка содержит жаровую трубу 1, первую ступень дымогарных труб 2, вторую ступень 3, которые заключены в общий корпус 4. Между дымогарными трубками и жаровой трубой находится нагреваемая жидкость в объеме 5.

Жаровая труба 1 заканчивается коробкой 6, а с фронта закрывается теплоизолированной крышкой 7, на которой укрепляется горелка 8 и взрывной клапан 9. Внутренняя полость крышки 7 теплоизолируется набивкой 10. Нагреваемая жидкость через патрубок 11 входит в межтрубный объем 5, а удаляется через патрубок 12. Охлажденные продукты сгорания удаляются через дымоотводящий патрубок 13 из коробка 14. Для придания жесткости коробам 6 и 14 служат упорные штыри 15 и 16.

Устройство работает следующим образом. Топка-теплообменник заполняется жидкостью через патрубок 12. После вентиляции топки разжигается в установленном порядке горелка 8 и настраивается на режим сжигания газа, обеспечивающий яркосветящийся центральный стержневой факел, для чего газ подается в топку двумя потоками по центру для светимости и по периферии воздушного потока для создания первичного факела. Этим условиям соответствует вполне определенное соотношение между потоками газа.

Ввиду того, что стенки жаровой трубы имеют температуру, близкую к температуре нагреваемой жидкости,в существующих жаротрубных топках с целью снижения выбросов оксидов углерода газ с воздухом интенсивно перемешиваются и сжигание осуществляется в коротком факеле с интенсивным тепловыделением в его прикорневой части. При этом создаются благоприятные условия для образования оксидов азота.

Несмотря на это в факеле вследствие сильного охлаждения продуктов сгорания имеется химический недожог (до 1% СО по объему). С другой стороны, факел при сжигании подготовленной смеси имеет низкую излучательную способность, вследствие чего доля теплоты, переданной стенкам жаровой труб, резко сокращается.

Ввиду того, что по высоте объема, занятого жидкостью, имеется неравномерность (низ всегда холоднее), что в условиях слабой циркуляции приводит к увеличению времени прогрева, соответственно к дополнительному расходу газа, ось установки горелки смещена вниз на расстояние 1-1,5 диаметра горелки. При этом уменьшается прослойка более холодных газов между ядром факела и нижней стенкой трубы, что также способствует более лучшей передаче теплоты нижней части жаровой трубы.

В условиях вынужденного движения продуктов сгорания появляются дополнительные колебания топочной среды из-за возникающих акустических явлений. Наиболее интенсивно протекает конвективный теплообмен за счет наведенных акустических явлений, если диаметр цилиндрической поверхности нагрева по отношению к ее длине составляет 0,25-0,3. Следовательно, длина жаровой трубы и ее диаметр должны выполняется в соотношении

где L длина шаровой трубы;
Д диаметр жаровой трубы
По мере остывания дымовых газов изменяются их теплофизические свойства: вязкость, плотность температура. Известно, что с падением температуры газов для поддержания необходимого теплообъема должна возрастать поверхность нагрева. Для этой цели для первой и второй ступени принимаются разные диаметры труб, причем диаметр труб первой ступени больше диаметра труб второй ступени, а скорости движения дыма в рабочих условиях в обеих ступенях равны. Это компенсирует снижение температурного напора развитием поверхности теплообмена при практически незначительном изменении коэффициента теплопередачи
Q = K•FΔt
например, при условии равенства скоростей движения дыма при рабочих условиях имеем:

где V_дг секундный расход дыма в нормальных условиях;
T₁ средняя температура дыма в первой ступени;
ω₁ площадь проходного сечения трубы первой ступени;
n₁ число труб в первой ступени;
T₂ средняя температура дыма второй ступени;
ω₂ площадь проходного сечения второй трубы;
n₂ число труб во второй ступени;
T_o=273 К.

Тогда соотношение числа труб составляет

Так, если температура дымовых газов на выходе из жаровой трубы 900^oC, а после первой ступени 500^oC и температура уходящих газов после второй ступени 180^oC, то взяв для первой ступени трубу ⊘=2'', а для второй ступени o=1'' получим соотношение числа труб:

где n₁ число труб в первом ходе;
n₂ число труб во втором ходе.

Один погонный метр трубы ⊘2'' имеет боковую поверхность 0,18м², а трубы o1'' 0,1 м², таким образом при почти одинаковой длине дымогарных труб поверхность нагрева во второй ступени будет больше примерно на 40%
Стендовые испытания топки (без хвостовых поверхностей) при разработанной технологии сжигания газа обеспечивают передачу теплоты за счет радиации и конвекции в количестве 70-75% от полной мощности (т.е. на долю хвостовых поверхностей остается 25-30% количества теплоты при выходе оксидов азота не более 30-40 промиле без выпадения сажи на холодных поверхностях и практическом отсутствии химического недожога
(CO<0,012%).

Использование: для сжигания газа в жаротрубных водогрейных котлах для нагрева жидкостей. Сущность изобретения: в топке-теплообменнике, содержащей жаровую трубу с горелочным устройством и конвективные поверхности нагрева, длина жаровой трубы составляет 3,3-4 ее диаметра, ось горелочного устройства смещена относительно оси жаровой трубы на 1-1,5 диаметра выходного отверстия горелки, а первая и вторая ступени дымогарных трубок выполнены из труб разного диаметра:первая ступень по ходу газов выполняется из труб большего диаметра, при этом число труб в первой и второй ступенях выбирается из определенного условия. 1 ил.

Топка-теплообменник, содержащая жаровую трубу с горелочным устройством и конвективные поверхности нагрева в виде дымогарных труб, объединенных в две ступени, отличающаяся тем, что длина жаровой трубы составляет 3,3 4,0 ее диаметра, ось горелочного устройства смещена относительно оси жаровой трубы на 1,0 1,5 диаметра выходного отверстия горелки, причем первая ступень по ходу газов выполнена из труб с диаметром, большим диаметра труб второй ступени, а число труб в первой и второй ступенях выбирают из условия

где n₁ число труб в первом ходе;
n₂ число труб во втором ходе;
W₁ площадь проходного сечения трубы первой ступени;
W₂ площадь проходного сечения трубы второй ступени;
средняя температура дыма в первой ступени;
средняя температура дыма во второй ступени;