ТУПИКОВАЯ РАДИАЦИОННАЯ ТРУБА Российский патент 2003 года по МПК F23D14/12 

Изобретение относится к устройствам косвенного нагрева металла в печах машиностроительной и металлургической промышленности.

Известна тупиковая радиационная труба, в которой внутренняя жаровая труба выполнена составной из огнестойких керамических сегментов, набираемых как по длине жаровой трубы, так и по поперечному сечению (четыре сегмента по окружности) (см. а.с. СССР 1077410, МПК F 23 D 14/12, 1982).

Известна также рекуперативная горелка, состоящая из нескольких коаксиально расположенных труб, образующих дымовой и воздушный щелевые каналы, и снабженная несколькими подводами воздуха к газу (а.с. СССР 1171644, МПК F 23 D 14/00, 1985).

Недостатком известных конструктивных решений является их громоздкость и сложность в сборке и эксплуатации как в части сборной жаровой трубы, так и рекуперативной горелки.

Наиболее близкой к изобретению является тупиковая радиационная труба, содержащая излучающий корпус, рекуперативную горелку с двухступенчатым подводом воздуха к газу и систему коаксиально расположенных труб в ее рекуперативной части, а также жаровую трубу, установленную с разрывом от горелки (Крейнин Е.В., Кафырин Ю. П. Сжигание газа в радиационных трубах. Л.: Недра, 1986, с. 71, 72, р.3.8а).

Недостатками этой трубы являются:
- перегрев жаровой трубы;
- отсутствие конструктивных решений по надежному исполнению жаровой трубы из керамических элементов;
- излучающий корпус выполняется из жаропрочного металла, что ограничивает его эксплуатационный ресурс 1,0-1,5 годами;
- эксплуатация рециркуляционной радиационной трубы в диапазоне регулирования тепловой мощности 1:4 и выше приводит к выбиванию факела через разрыв между жаровой трубой и горелкой (на малой тепловой мощности);
- не оптимизированы геометрические размеры разрыва между горелкой и жаровой трубой, что обуславливает либо неустойчивое горение в жаровой трубе, либо выбивание факела через упомянутый разрыв;
- расположение дымового и воздушных щелевых каналов в рекуператоре не отвечает задаче максимального его КПД и повышенному ресурсу радиационной трубы в целом.

Задача изобретения заключается в повышении надежности и эффективности тупиковой радиационной трубы путем устранения перечисленных недостатков.

Поставленная задача решается тем, что в известной тупиковой радиационной трубе, содержащей излучающий корпус, рекуперативную горелку с двухступенчатым подводом воздуха к газу и коаксиально расположенными трубами в рекуператоре, образующими дымовой и воздушный щелевые каналы, а также жаровую трубу, устанавливаемую с разрывом от сопла горелки, излучающий корпус и жаровая труба выполнены сплошными из огнестойкой керамики, а соотношение между диаметром сопла горелки и расстоянием от него до жаровой трубы выполнено равным 0,5-0,8.

Дымовой щелевой канал рекуператора выполнен внутри и образован стенками внутреннего и периферийного воздушных щелевых каналов, а периферийный воздушный канал выполнен двухходовым с разворотом на 180^o у перемычки своего дальнего конца.

Каждая радиационная труба снабжена индивидуальными отсекающими газовым и воздушным клапанами, а также регулятором соотношения "газ-воздух", обеспечивающими ее эксплуатацию на оптимальной тепловой мощности.

Признаки, отличающие предлагаемое техническое решение от прототипа, можно считать существенными и отвечающими критерию "новизна".

На фиг. 1 представлена принципиальная схема заявляемой тупиковой радиационной трубы, а на фиг.2 - система ее автоматического регулирования.

Тупиковая радиационная труба содержит излучающий корпус 1, рекуперативную горелку 2 с двумя подводами воздуха к газу (первичным, инжектируемым через воздушные отверстия 3 с помощью газового сопла 4, и вторичным, движущимся по кольцевой щели между газовой трубой 5 и внутренней воздушной трубой 6). Горелка 2 кончается соплом 7.

С разрывом от сопла 7 горелки устанавливают жаровую трубу 8.

Излучающий корпус 1 и жаровая труба 8 изготовлены из огнестойкой керамики (в нашем случае из карбида кремния - SiC).

Особенности эксплуатации тупиковой радиационной трубы обусловлены следующими факторами.

Инжекционная способность горелки 2 во многом определяется, с одной стороны, диаметром сопла 7 горелки и, с другой стороны, расстоянием от него до переднего края жаровой трубы 8. Для оптимизации этих геометрических размеров был проведен специальный эксперимент. Результаты представлены в таблице.

В проведенном эксперименте проверялись варианты с различным расстоянием между горелкой 2 и жаровой трубой 8. Конструктивно и гидродинамически было определено оптимальное расстояние, равное 50 мм. Сопло 7 горелки 2 было сменным с диаметром от 20 до 50 мм.

В таблице приведены 6 вариантов диаметра сопла 7 горелки 2 (d_г.c.) от 20 до 50 мм. В качестве определяющих параметров эффективности были приняты давление газа и воздуха перед входом в горелку 2 и коэффициент рециркуляции уходящих из радиационной трубы продуктов сгорания (ψ).

Исходя из реальных напоров печных вентиляторов, давление воздуха перед радиационной трубой не должно превышать 3,0 кПа (300 мм водн.ст.). Кроме того, при величине коэффициента рециркуляции ψ≥0,4 появляются избыточные концентрации монооксида углерода (СО>250 мг/м³), что является следствием излишнего балластирования факела в зоне его формирования.

Минимальной величиной коэффициента рециркуляции следует считать ψ≥0,2. При ψ<0,2 в продуктах сгорания появляется избыточное количество оксидов азота (при Nox>150 мг/м³), что не допускается ГОСТом.

С учетом результатов эксперимента оптимальными соотношениями признаны 0,5≤d_г.c./l≤0,8.

При d_г.c./l<0,5 коэффициент рециркуляции ψ>0,3, что сопровождается неустойчивым горением из-за излишнего балластирования горящей смеси (вариант 1).

Экспериментальные испытания проводились в стендовых условиях на радиационной трубе диаметром 152 и рабочей длиной 2000 мм.

Оптимальность найденного соотношения была подтверждена на радиационных трубах диаметром 168 и 190 мм.

Дымовой щелевой канал размещен внутри рекуператора и ограничен стенкой воздушной трубы 6 внутреннего воздушного канала и стенкой 9 периферийного двухходового воздушного канала.

Такое исполнение рекуператора, с одной стороны, повышает степень утилизации тепла уходящих дымовых газов, а следовательно, КПД радиационной трубы - до 75-80% и, с другой стороны, предотвращает перегрев излучающего корпуса 1 в нерабочей части радиационной трубы на длине кладки печи за счет смывания ее холодным воздухом в первом ходе периферийного воздушного канала 10. После разворота на 180^o у перемычки 11 воздух поступает во второй ход.

Система автоматики заявляемой тупиковой радиационной трубы призвана обеспечить эксплуатацию последней в режиме включено - выключено с помощью отсекающих газового и воздушного клапанов, соответственно, 12 и 13 (фиг.2). Такой режим регулирования радиационной трубы обеспечивает ее работу на одном постоянном расходе, а соответственно - с постоянным оптимальным коэффициентом рециркуляции (ψ= 0,2-0,3). В этом случае гарантировано минимальное содержание в продуктах сгорания вредных компонентов (NOx и CO₂).

Включенный в систему автоматики регулятор соотношения газ - воздух 14 гарантирует поддержание постоянного коэффициента расхода воздуха на горение (α= 1,05-1,08), что, с одной стороны, предотвращает пережог газа и, с другой стороны, образование и выпадение сажи.

Изобретение относится к устройствам косвенного нагрева металла в печах машиностроительной и металлургической промышленности. Тупиковая радиационная труба содержит излучающий корпус, рекуперативную горелку с двухступенчатым подводом воздуха к газу и коаксиально расположенными трубами в рекуператоре, образующими дымовой и воздушные щелевые каналы, а также жаровую трубу, установленную с разрывом от сопла горелки, излучающий корпус и жаровая труба выполнены сплошными из огнестойкой керамики, а соотношение между диаметром сопла горелки и расстоянием от него до жаровой трубы равно 0,5-0,8. Дымовой щелевой канал рекуператора выполнен внутри и образован стенками внутреннего и периферийного воздушных щелевых каналов, при этом периферийный воздушный канал выполнен двухходовым с разворотом на 180^o у перемычки своего дальнего конца. Тупиковая радиационная труба снабжена индивидуальными отсекающими газовым и воздушным клапанами, а также регулятором соотношения "газ-воздух", обеспечивающими ее эксплуатацию на одной оптимальной тепловой мощности. Изобретение обеспечивает высокую эксплуатационную надежность и безопасность работы в широком диапазоне температурного режима. 2 з.п.ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Тупиковая радиационная труба, содержащая излучающий корпус, рекуперативную горелку с двухступенчатым подводом воздуха к газу и коаксиально расположенными трубами в рекуператоре, образующими дымовой и воздушные щелевые каналы, а также жаровую трубу, устанавливаемую с разрывом от сопла горелки, отличающаяся тем, что излучающий корпус и жаровая труба выполнены сплошными из огнестойкой керамики, а соотношение между диаметром сопла горелки и расстоянием от него до жаровой трубы равно 0,5-0,8. 2. Тупиковая радиационная труба по п.1, отличающаяся тем, что дымовой щелевой канал рекуператора выполнен внутри и образован стенками внутреннего и периферийного воздушных щелевых каналов, при этом периферийный воздушный канал выполнен двухходовым с разворотом на 180^o у перемычки своего дальнего конца. 3. Тупиковая радиационная труба по п.1, отличающаяся тем, что снабжена индивидуальными отсекающими газовым и воздушным клапанами, а также регулятором соотношения "газ-воздух", обеспечивающими ее эксплуатацию на одной оптимальной тепловой мощности.