СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ ГОРЕНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ ПЛАМЕНИ НА ТЕПЛООБМЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ, ТЕПЛООБМЕННАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА И СЕКЦИЯ ТЕПЛООБМЕННИКА Российский патент 1999 года по МПК F23C11/00 F28F1/02 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а конкретно к теплоэнергетическим установкам, используемым для отопления помещений, зданий, сооружений, а также в различных промышленных установках. Известен теплообменник с пламенным нагревом (патент Германии 4239689, F 28 D 1/04, опубл.01.06.94), который содержит горелку, направляющее устройство для горячих газов, сборную камеру для отходящих газов. Между направляющим устройством и сборной камерой имеется полость, которая служит в качестве пламенного пространства печи, и имеется трубка теплообменника, установленная соосно с проходными отверстиями на направляющем устройстве или сборной камере для отходящих газов.

Известна теплообменная поверхность и способ управления процессами тепло-массообмена, реализованный в данном устройстве (международная заявка WO 93/20355, F 28 D 1/12, F 28 F 1/10, опубл.14.10.93), который является ближайшим аналогом к заявляемому. Решается задача управления процессами тепло-массообмена, путем инициирования рождения крупномасштабных вихревых структур и направления их развития. Устройство, реализующее способ - это поверхность обтекания или тепло-массообменная поверхность, являющаяся границей раздела между текущей сплошной средой газа и твердой стенкой, плоской, цилиндрической, конической или любого другого профиля, позволяющей управлять процессами в пограничном или пристенном слоях течения за счет выполнения на ней трехмерного вогнутого или выпуклого рельефа. Трехмерный рельеф выполнен в виде вогнутостей или выпуклостей с участками закругления и перехода, расположенных в шахматном или коридорном порядке. Вогнутости на поверхности теплообмена являются вихревыми интенсификаторами теплообмена. Эпицентры образования вихрей находятся внутри вогнутостей, в передней по потоку части. Внутри каждой вогнутости в задней ее части по направлению основного (внешнего) потока образуется зона подсоса воздуха из потока.

Известна теплообменная поверхность (а.с.1768917, F 28 F 1/10, 3/02, опубл.16.10.92. Бюл.38), являющаяся ближайшим аналогом к заявляемому устройству для реализации способа и содержащая расположенные на поверхности параллельные ряды сферических лунок. Лунки располагаются в коридорном или шахматном порядке.

Известен теплообменник (заявка Японии 4-81717. F 28 F 1/32, 13/08, опубл. 24.12.92), являющийся ближайшим аналогом заявляемой секции теплообменника, содержащий группу образующих каналы для теплоносителя теплообменных пластин. Пластины многократно изогнуты таким образом, что по направлению потока теплоносителя сформированы чередующиеся узкие и широкие участки каналов.

Известный способ и известные теплообменные устройства достаточно эффективно осуществляют свою функцию теплообмена, но требуют дополнительных устройств для нагрева теплоносителя.

Технический результат, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании высокоэффективного, компактного теплообменного устройства, в котором одновременно организован процесс сгорания, например, газового топлива с высокой полнотой сгорания.

Технический результат достигается тем, что в способе организации горения и стабилизации пламени на теплообменной поверхности, имеющей трехмерный рельеф, выполненный в виде вогнутостей, включающий подачу воздуха вдоль поверхности с вогнутостями и теплоносителя со стороны выпуклостей, образование в каждой вогнутости в задней ее части по направлению основного потока зоны подсоса воздуха из потока, в зону подсоса воздуха подводят топливо и создают локальные зоны горения в вогнутости, причем горение организуют в одну стадию или в несколько стадий, чередуя зоны горения с теплообменными зонами. Процесс горения в локальные зонах горения организуют при коэффициенте избытка воздуха α = 1,3-1,5.
Теплообменная поверхность содержит расположенные параллельными рядами сферические лунки. Новым является то, что сферические лунки одного ряда или нескольких рядов снабжены топливными форсунками, расположенными в задней части лунок по направлению основного потока, причем после каждого ряда сферических лунок с топливными форсунками расположены ряды лунок без них. На поверхности между сферическими лунками с топливными форсунками в каждом ряду выполнены канавки. На поверхности между рядами лунок с топливными форсунками выполнены продольные канавки.

Секция теплообменника включает пакет теплообменных поверхностей, каждая поверхность содержит расположенные параллельными рядами сферические лунки, при этом лунки одного ряда, или нескольких последующих рядов снабжены топливными форсунками, расположенными в задней части лунок по направлению основного потока. После каждого ряда лунок с топливными форсунками расположены ряды лунок без них. На поверхности между лунками с топливными форсунками в каждом ряду выполнены канавки. На поверхности между рядами лунок с топливными форсунками выполнены продольные канавки. Каждые две теплообменные поверхности в секции обращены друг к другу лунками, при этом ряды сферических лунок с топливными форсунками противоположных поверхностей расположены друг против друга, или со смещением друг относительно друга.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Сферические углубления, выполненные на теплообменной поверхности, существенно интенсифицируют суммарную теплоотдачу с поверхности теплообмена при незначительном увеличении потерь на гидравлическое трение. При течении жидкости или газа вдоль поверхности в углублениях происходит самоорганизация крупномасштабных вихревых структур. Эпицентры образования вихрей находятся внутри углублений, в передней по потоку части углубления. Вихревые структуры поочередно выбрасываются из эпицентров во внешний набегающий поток. Посредством этих вихрей происходит интенсивный вынос тепла и массы из углубления. Внутри углубления имеют место вторичные рециркуляционные течения: попавший в углубление воздух движется вдоль поверхности углубления от задней кромки против направления набегающего потока. Далее в передней части углубления воздух подкручивается и выносится из углубления. Выносимый из углубления воздух снова частично захватывается в углубление со стороны задней по потоку стенки, образуя замкнутый рециркуляционный контур. Таким образом, в каждой вогнутости в задней ее части по направлению основного потока образуется зона подсоса воздуха из потока. Структура течения в сферических углублениях дает возможность использовать их для совершенствования процесса горения газа. При этом наиболее эффективно процесс рециркуляции при горении происходит при отношении h/d не менее 0,2, где h - глубина сферической лунки, d - диаметр сферической лунки. Наличие рециркуляционных возвратных течений и малые значения скорости потока в углублениях (около 40% от скорости основного потока) способствуют устойчивой стабилизации пламени. При организации горения на теплообменной поверхности реализуется эффективный способ передачи тепла через стенку от горящего факела газа к теплоносителю. Устойчивое горение и надежная стабилизация пламени достигаются при подводе газа в заднюю область углубления. При этом время пребывания газовоздушной смеси в области горения оказывается достаточным для поддержания пламени, так как именно в задней части углубления начинается возвратное течение, и попавший туда газ проходит весь путь от задней части углубления до передней. Использование сферических углублений для стабилизации пламени приводит к снижению гидравлического сопротивления газовоздушного тракта по сравнению с традиционными методами сжигания газа и стабилизации пламени, а также сферические углубления со стороны горящего газа и выпуклые поверхности со стороны теплоносителя существенно интенсифицируют теплообмен на стенке по сравнению с гладкой поверхностью.

В предлагаемом изобретении сферические углубления (вогнутости) располагаются рядами на теплообменной поверхности, с противоположной стороны стенки протекает теплоноситель, например, вода. Процесс горения топлива, например, природного газа, организуется в первых по потоку вогнутостях, при этом происходит интенсивный нагрев стенки. Природный газ подается в задние (по направлению основного потока воздуха) области вогнутостей. Коэффициент избытка воздуха должен составлять α = 1,3-1,5, что обеспечивает высокий уровень температур и значения других параметров, близких к оптимальным. Таким образом, организуется первая стадия горения. Последующие ряды вогнутостей без горения предназначены для интенсификации теплообмена продуктов сгорания со стенкой. При необходимости дальнейшего нагрева поверхности организуют вторую и последующие стадии горения, подводя газ в ряду вогнутостей последовательно по потоку, чередуя зоны горения с теплообменными зонами. При этом в каждой зоне горения поддерживают коэффициент избытка воздуха α = 1,3-1,5.
Теплообменные поверхности могут собираться в пакет, при этом каждые две поверхности обращены вогнутостями друг к другу. Между ними происходит процесс горения, а со стороны выпуклостей протекает нагреваемый теплоноситель. Количество секций в теплообменнике зависит от требуемой мощности теплообменного устройства.

Таким образом, сферические углубления на теплообменной поверхности могут быть использованы не только как высокоэффективные интенсификаторы теплообмена, но и для совершенствования процесса горения газа. Наличие рециркуляционных возвратных течений и малые значения скорости потока в углублениях способствуют устойчивой стабилизации пламени. А такие свойства как повышенный уровень теплообмена в сферических углублениях и снижение гидравлического сопротивления обтекаемых поверхностей со сферическими углублениями позволяют создавать высокоэффективные компактные теплообменные устройства.

На фиг.1 представлена теплообменная поверхность с одним рядом сферических лунок, снабженных топливными форсунками.

На фиг. 2 представлена теплообменная поверхность с несколькими рядами сферических лунок, снабженных топливными форсунками, чередующимися со сферическими лунками без них.

На фиг.3 представлена секция теплообменника с расположением рядов сферических лунок с топливными форсунками на противоположных поверхностях друг против друга.

На фиг.4 представлена секция теплообменника с расположением рядов сферических лунок с топливными форсунками на противоположных поверхностях со смещением друг относительно друга.

Теплообменная поверхность (фиг.1) представляет собой стенку 1. в которой выполнены расположенные параллельными рядами сферические лунки 2, образующие с одной стороны стенки вогнутости, а с другой выпуклости. Со стороны вогнутостей стенку 1 обтекает воздух, а со стороны выпуклостей - теплоноситель, например, вода. Сферические лунки 2, например, первого ряда снабжены топливными форсунками 3, которые расположены в задней части лунок по направлению потока и сообщены с коллектором подвода топлива, например, природного газа. Установлен запальник 4, например, свеча зажигания. На поверхности между сферическими лунками 2 и топливными форсунками 3 выполнены канавки 5 для организации пламепереброса. Лунки 2 с топливными форсунками 3 выполнены с соотношением h/d не менее 0.2, где h - глубина, a d - диаметр лунки 2.

Теплообменная поверхность (фиг. 2) отличается от теплообменной поверхности (фиг.1) тем, что на ней сферические лунки 2 нескольких рядов снабжены топливными форсунками 3, расположенными в задней части лунок 2 по потоку и сообщенными с коллектором подвода топлива, например, природного газа. Первый ряд лунок 2 с топливными форсунками 3 снабжен запальником 4, например, свечой зажигания. При этом ряды лунок 2 с топливными форсунками 3 чередуются с рядами лунок без них. Для организации пламепереброса между лунками 2 с топливными форсунками 3 каждого ряда выполнены канавки 5 и, кроме того, выполнены продольные канавки 6 между рядами лунок 2 с топливными форсунками 3. При этом для лунок 2 с форсунками 3 выполняется соотношение h/d не менее 0,2. Количество рядов лунок 2 с топливными форсунками 3 определяется заданной мощностью теплообменного устройства, а расстояние между рядами с топливными форсунками, т.е. количество рядов лунок 2 без топливных форсунок, определяется теплоемкостью теплоносителя.

Работает теплообменная поверхность следующим образом. Со стороны сферических лунок 2 на поверхность набегает поток воздуха. С противоположной стороны, т. е. со стороны выпуклостей, проходит поток теплоносителя, например, вода. В топливные форсунки 3 подается природный газ и поджигается запальником 4. Пламепереброс осуществляется по канавкам 5, что обеспечивает стабильное горение по всей ширине поверхности. При обтекании воздухом поверхности в лунках 2 происходит самоорганизация крупномасштабных вихревых структур. Вихревые структуры поочередно выбрасываются во внешний набегающий поток. Посредством этих вихрей и происходит интенсивный вынос тепла и массы из лунок. Исследования показали, что внутри лунки в задней ее части по направлению основного потока образуется зона подсоса воздуха в лунку 2. Поскольку именно в задней части лунки 2 начинается возвратное течение, то попавший туда газ проходит весь путь от задней части до передней. В этом месте лунок 2 и устанавливаются топливные форсунки 3. При такой подаче топлива достигается устойчивое горение и надежная стабилизация пламени, так как время пребывания газовоздушной смеси в области горения оказывается достаточным для поддержания пламени. При подаче топлива в первый ряд лунок 2 с форсунками 3 организуется первая стадия горения. Расположенные далее ряды лунок 2 без форсунок интенсифицируют процесс теплопередачи. Если необходим дальнейший нагрев теплоносителя, то организуются следующие стадии горения, т. е. природный газ подводится в последующие ряды лунок 2 с топливными форсунками 3, которые чередуются с рядами лунок 2 без форсунок 3. Для поддержания стабильного горения пламепереброс осуществляется по канавкам 6. При этом предусматривают достаточное для последующих стадий горения содержание кислорода в потоке.

Предлагаемые теплообменные поверхности используются в теплообменных устройствах в виде пакета таких поверхностей. Предлагаемая секция теплообменника (фиг.3) включает пакет теплообменных поверхностей. Каждые две теплообменные поверхности обращены друг к другу сферическими лунками 2. Сферические лунки 2 с топливными форсунками 3 противоположных поверхностей расположены друг против друга. В пространстве между поверхностями, обращенными лунками друг к другу, образуется канал 7, представляющий собой камеру сгорания, в которой происходит устойчивое сгорание газа и интенсивный теплообмен через стенки в поток теплоносителя, обтекающего канал 7 с двух сторон. Расположение топливных форсунок друг против друга в канале 6 позволяет создать устойчивую зону горения с высокой полнотой сгорания. Такая схема используется для создания теплообменной установки с повышенной мощностью.

В секции теплообменника (фиг. 4) топливные форсунки 3 расположены в первом ряду лунок 2 одной поверхности, а каждый последующий ряд лунок 2 с топливными форсунками 3 расположен в чередующейся последовательности на противоположных поверхностях, т.е. ряды сферических лунок с топливными форсунками противоположных поверхностей расположены со смещением друг относительно друга. Такая схема может быть использована в высокоресурсных теплообменных установках, при этом обеспечивается снижение термонапряженности стенок за счет более равномерного теплоподвода. Кроме того, такая установка более дешевая за счет применения менее жаропрочных, жаростойких материалов.

Схема расположения топливных форсунок 3 на теплообменной поверхности внутри канала 7 определяется конкретными задачами и зависит от назначения теплообменного устройства, его мощности и размеров.

Таким образом, предлагаемый способ организации горения и стабилизации пламени на теплообменной поверхности и устройства для осуществления способа позволяют создать высокоэффективные теплообменные устройства, в которых одновременно сочетается устойчивое горение и надежная стабилизация пламени и интенсивная передача тепла теплоносителю, за счет использования сферических лунок - вихревых генераторов, не только как высокоэффективных интенсификаторов теплообмена, но и для совершенствования процесса горения газа.

Способ организации горения и стабилизации пламени на теплообменной поверхности, теплообменная поверхность и секция теплообменника могут быть использованы в области теплоэнергетики, а конкретно в теплоэнергетических установках, используемых для отопления помещений, зданий, сооружений, а также в различных промышленных установках. Способ организации горения и стабилизации пламени на теплообменной поверхности включает подачу воздуха вдоль поверхности с вогнутостями и теплоносителя со стороны выпуклостей, образование в каждой вогнутости в задней ее части по направлению основного потока зоны подсоса воздуха из потока, подвод топлива в зону подсоса воздуха в вогнутость и создание локальных зон горения в одну стадию или в несколько стадий последовательно по потоку, чередуя зоны горения с теплообменными зонами. Теплообменная поверхность для осуществления способа содержит расположенные параллельными рядами сферические лунки, при этом сферические лунки одного или нескольких рядов снабжены топливными форсунками, расположенными в задней части лунок по основному потоку, причем после каждого ряда лунок с форсунками расположены ряды лунок без них. Секция теплообменника включает пакет теплообменных поверхностей с различным расположением рядов сферических лунок с топливными форсунками на противоположных поверхностях. Такой способ и такое выполнение устройств позволяют получить устойчивое горение, надежную стабилизацию пламени и интенсивную передачу тепла теплоносителя. 3 с. и 4 з. п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ организации горения и стабилизации пламени на теплообменной поверхности, имеющей трехмерный рельеф, выполненный в виде вогнутостей, включающий подачу воздуха вдоль поверхности с вогнутостями и теплоносителя со стороны выпуклостей, образование в каждой вогнутости в задней ее части по направлению основного потока зоны подсоса воздуха из потока, отличающийся тем, что в зону подсоса воздуха в вогнутость подводят топливо и создают локальные зоны горения, причем горение организуют в одну стадию или в несколько стадий последовательно по потоку, чередуя зоны горения с теплообменными зонами. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс горения в локальных зонах горения как в первой стадии горения, так и в последующих, организуют при коэффициенте избытка воздуха α = 1,3-1,5.
3. Теплообменная поверхность, содержащая расположенные параллельными рядами сферические лунки, отличающаяся тем, что сферические лунки одного или нескольких рядов снабжены топливными форсунками, расположенными в задней части лунок по потоку, причем после каждого ряда сферических лунок с топливными форсунками расположены ряды лунок без них. 4. Теплообменная поверхность по п.3, отличающаяся тем, что на поверхности между сферическими лунками с топливными форсунками каждого ряда выполнены канавки. 5. Теплообменная поверхность по п.3 или 4, отличающаяся тем, что на поверхности между рядами сферических лунок с топливными форсунками выполнены продольные канавки. 6. Теплообменная поверхность по п.3 или 4, отличающаяся тем, что сферические лунки с топливными форсунками выполнены с соотношением h/d не менее 0,2, где h - глубина лунки, d - диаметр лунки. 7. Секция теплообменника, включающая пакет теплообменных поверхностей, отличающаяся тем, что каждые две теплообменные поверхности, выполненные по п. 3, обращены сферическими лунками друг к другу, при этом ряды сферических лунок с топливными форсунками противоположных поверхностей расположены друг против друга или со смещением друг относительно друга.