РЕКУПЕРАТОР ДЛЯ РАДИАЦИОННОЙ ТРУБЧАТОЙ ГОРЕЛКИ Российский патент 2013 года по МПК F23C3/00 F23D14/12 F23L15/04 

Настоящее изобретение касается рекуператора для радиационной трубчатой горелки, содержащей трубу горелки и выпускную трубу, при этом горелка установлена на входе трубы горелки, а рекуператор установлен на выходе выпускной трубы.

Рекуператор тепла, рассматриваемый в рамках настоящего изобретения, содержит теплообменник, установленный внутри соединительной трубы, выполненный с возможностью соединения с выпускной трубой для обеспечения противоточного подогрева воздуха для горения посредством части дымовых газов, при этом теплообменник содержит:

- направляющий участок для направления предназначенного для нагрева воздуха к наконечнику, установленному на конце рекуператора со стороны впуска дымовых газов,

- и обратный участок, открывающийся в трубопровод, подающий воздух в горелку, при этом наконечник определяет путь для изменения на противоположное направление потока воздуха для горения и его прохождения в обратный участок,

при этом устройство выполнено таким образом, чтобы часть дымовых газов увлекалась воздухом для горения и смешивалась с ним, что позволяет снизить уровень оксидов азота в продуктах горения.

Рекуператор тепла этого типа раскрыт в документе FR-А-2780770. Как правило, радиационные трубчатые горелки оборудуют системой отбора тепла из дымовых газов, представляющей собой пластинчатый теплообменник.

В документе WO 2008/022722 раскрыт также рекуператор тепла, в котором направляющий участок охвачен обратным участком. Воздух для горения нагревается дымовыми газами только во время прохождения в обратном участке.

Рекуператоры, предлагаемые до настоящего времени, требуют усовершенствования для того, чтобы:

- повысить их тепловую производительность и теплопередачу между дымовыми газами и воздухом для горения,

- повысить степень рециркуляции дымовых газов в воздухе для горения таким образом, чтобы снизить выбросы оксидов азота и улучшить однородность температуры радиационной трубки,

- ограничить потери напора таким образом, чтобы снизить требуемое давление на воздух для горения, и необходимый отвод дымовых газов с целью транспортировки текучих сред,

- контролировать потери напора,

- повысить надежность зажигания в холодном состоянии горелки,

- и снизить стоимость изготовления.

Согласно изобретению рекуператор тепла для радиационной трубчатой горелки, содержащей трубу горелки и выпускную трубу, при этом горелка установлена на входе трубы горелки, при этом рекуператор установлен на выходе выпускной трубы и содержит теплообменник, установленный внутри соединительной трубы, выполненной с возможностью соединения с выпускной трубой для обеспечения противоточного подогрева воздуха для горения частью дымовых газов, при этом теплообменник содержит:

- направляющий участок для направления воздуха, подлежащего предварительному нагреву воздуха к наконечнику, установленному на конце рекуператора со стороны впуска дымовых газов,

- и обратный участок, открывающийся в линию, подающую воздух в горелку, при этом наконечник определяет путь для изменения на противоположное направление потока воздуха для горения и направления его в обратный участок,

при этом узел выполнен таким образом, чтобы часть дымовых газов увлекалась воздухом для горения и смешивалась с этим воздухом,

отличающийся тем, что:

- направляющий участок теплообменника содержит множество теплообменных трубок, параллельных оси соединительной трубы, для прохождения воздуха для горения, при этом теплообмен между дымовыми газами и воздухом происходит через теплообменные трубки, при этом обе текучие среды имеют параллельные потоки, проходящие в противоположных направлениях,

- теплообменные трубки открыты внутрь наконечника,

- воздушный контур выполнен в виде «петли», при этом обратный участок смещен в радиальном направлении относительно трубок направляющего участка, и поперечные сечения теплообменных трубок и обратного участка расположены снаружи относительно друг друга.

Подогрев воздуха дымовыми газами продолжается в этом обратном участке за счет прямого теплообмена в результате смешивания воздуха с более горячими дымовыми газами и за счет опосредованного теплообмена с дымовыми газами, циркулирующими вокруг обратного участка.

Предпочтительно теплообменные трубки сгруппированы вместе в зоне пространства, заключенной между обратным участком и соединительной трубой или выпускной трубой. Обратный участок можно выполнить в виде трубки с достаточным поперечным сечением для прохождения воздуха, поступающего от теплообменных трубок, и рециркулируемой части дымовых газов.

Согласно первому варианту трубку обратного участка герметично соединяют с наконечником, при этом другой осевой конец трубки закрыт, при этом обратный участок открыт поперечно эжектору, расположенному напротив линии питания, подающей воздух в горелку.

Согласно другому варианту трубка обратного участка открыта со стороны входа дымовых газов и наконечник содержит изогнутый крюкообразный выходной патрубок, объединяющий потоки из коллекторных трубок и открытый в открытый конец обратного участка, в котором происходит смешивание воздуха и части дымовых газов. Обратный участок может быть изогнутым, в частности, под прямым углом для выхода из соединительной трубы.

Рекуператор может содержать впускную воздушную линию, охваченную трубчатым кожухом, закрытым на своем внутреннем конце и открывающимся на своем другом конце в камеру впуска воздуха для теплообменных трубок, при этом трубчатый кожух охвачен дымовыми газами таким образом, чтобы воздух для горения проходил первый путь подогрева и назад до своего захождения в теплообменные трубки.

Наконечник может содержать цилиндрическую часть, продолженную выше по потоку воронкой, которая соединена со смесительной трубкой, при этом в своей центральной части воронка содержит трубчатый удлинитель, образующий инжектор для воздуха для горения, при этом удлинитель удерживается радиально направленными патрубками, обеспечивающими сообщение между кольцевым пространством, в которое выходят теплообменные трубки, и внутренним пространством трубчатого удлинителя.

Предпочтительно рекуператор тепла является полностью сваренной конструкцией с трубчатыми элементами и компонентами из нержавеющих стальных листов. По меньшей мере, в одной теплообменной трубке можно установить геликоид.

Теплообменные трубки могут быть окружены охватывающими трубками, при этом воздух для горения протекает через теплообменные трубки, тогда как дымовые газы протекают через кольцевые проходы, заключенные между теплообменными трубками и охватывающими трубками. Можно предусмотреть перегородку, через которую герметично проходят охватывающие трубки, чтобы образовать на конце соединительной трубы или выпускной трубы камеру, соединенную с выходом дымовых газов, при этом охватывающие трубки открыты в эту камеру.

Рекуператор тепла может содержать отводную трубку для подачи части холодного воздуха непосредственно в горелку без прохождения через рекуператор, пока радиационная трубка не достигнет температуры самовоспламенения топлива, со средством перекрывания для воздуха, предназначенного для зажигания горелки.

Теплообменные трубки могут иметь разные диаметры, например больший диаметр в верхней части и меньший диаметр в нижней части. Предпочтительно теплообменные трубки закрепляют сваркой только на одном конце, то есть на горячем конце, соединенном с наконечником, тогда как на другом конце они зацеплены с возможностью герметичного скольжения в стенке.

Теплообменные трубки распределены соответствующим образом, чтобы оптимизировать сечения прохождения текучих сред, например, по дуге окружности с центром на оси выпускной трубы и чтобы снизить потери напора дымовых газов, циркулирующих в свободном сечении.

Согласно варианту все теплообменные трубки окружены охватывающей стенкой, и дымовые газы циркулируют в зоне, заключенной между наружной поверхностью теплообменных трубок и охватывающей стенкой. Этот вариант выполнения более предпочтителен для работы с металлургическими газами (типа коксовых газов и доменных газов) по причине большого объема производимых дымовых газов.

Кроме вышеизложенных отличительных признаков изобретение может содержать другие отличительные признаки, включенные в варианты выполнения, представленные в качестве не ограничительных примеров и описанные со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - схематичный частичный вертикальный разрез печи, оборудованной горелкой с рекуператором тепла.

Фиг.2 - схематичный вертикальный аксиальный разрез с вынесенными частями рекуператора тепла в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3 - схематичный увеличенный вид справа относительно фиг.2.

Фиг.4 - схематичный вид в разрезе инжектора 18, показанного на фиг.3.

Фиг.5 - вид, аналогичный фиг.4, альтернативного варианта выполнения.

Фиг.6 - вид, аналогичный фиг.4, другого альтернативного варианта выполнения.

Фиг.7 - схематичный вертикальный аксиальный разрез по линии VII-VII фиг.8, альтернативного варианта рекуператора тепла в соответствии с настоящим изобретением, с частичным вырезом.

Фиг.8 - увеличенный поперечный разрез по линии VIII-VIII фиг.7.

Фиг.9 - вид в перспективе в аксиальном вертикальном разрезе другого альтернативного варианта рекуператора в соответствии с настоящим изобретением.

На чертежах, в частности на фиг.1, показана горелка В типа радиационной трубы Т. Труба Т содержит трубу горелки Tb, на входе которой установлена горелка В. Труба Т проходит через стенку Р печи, заходит в камеру печи и выходит через стенку за счет выпускной трубы 1. Подачу топлива в горелку В осуществляют через трубу Вс. Пламя горелки В распространяется в радиационной трубе Т, и дымовые газы (газообразные продукты горения) проходят в этой трубе, обеспечивая нагрев печи. Дымовые газы проходят по трубе Т в трубу 1.

Рекуператор тепла R установлен на выходе выпускной трубы 1. Как показано на фиг.2, рекуператор R содержит теплообменник Е, установленный внутри соединительной трубы 1b, выполненной с возможностью соединения при помощи фланца (на фиг.2 не показан) с выпускной трубой для обеспечения противоточного подогрева воздуха для горения частью 2 дымовых газов, проходящих на выход.

Холодный воздух для горения входит через конец 3 теплообменника Е в направлении стрелки 4 и направляется направляющим участком 5 теплообменника в наконечник 6, установленный на конце рекуператора, который представляет собой впускной конец для дымовых газов. Теплообменник Е содержит обратный участок 7, открывающийся в сторону линии 8, которая подает воздух в горелку. Наконечник 6 образует путь для изменения на противоположное направление потока воздуха для горения, поступающего из направляющего участка 5, и направляет его в обратный участок 7.

Устройство выполнено таким образом, чтобы часть 9 дымовых газов после горения увлекалась воздухом, который подается в горелку, и смешивалась с этим воздухом в линии 8.

Теплообменник Е занимает только часть поперечного сечения соединительной трубы 1b или выпускной трубы 1, как показано на фиг.2. Другая часть 1а поперечного сечения остается свободной. Обратный участок 7 теплообменника смещен в радиальном направлении относительно направляющего участка 5. Направляющий 5 и обратный 7 участки являются соответственно наружными относительно друг друга. Обратный участок 7 обдувается частью 9 дымовых газов.

Во время прохождения по направляющему участку 5 воздух для горения нагревается дымовыми газами через стенку направляющего участка 5, обдуваемую дымовыми газами. Нагрев воздуха продолжается на обратном пути через стенку обратного участка 7.

Часть рекуператора выше по потоку, находящаяся на уровне наконечника 6, выполнена с возможностью разделения дымовых газов на часть 2, которая будет удалена через выход 10, и часть 9, которая будет смешиваться с воздухом для горения. Как показано на фиг.7, выход 10 оборудован фланцем В2 для соединения с дымоходом (не показан). Часть 9 дымовых газов протекает через свободную секцию 1а между теплообменником Е и внутренней поверхностью соединительной трубы 1b или выпускной трубы 1.

Рекуператор содержит проход D для направления части 2 дымовых газов от выше по потоку теплообменника Е к выходу 10.

Как показано на фиг.2 и 3, направляющий участок 5 теплообменника содержит множество теплообменных трубок 11, параллельных геометрической оси трубы 1b и трубы 1. Согласно первому варианту выполнения центры поперечных сечений трубок 11 расположены по дуге окружности с центром на оси трубы 1, как показано на фиг.3 и 4, причем эта дуга окружности занимает немногим более 180°. Теплообменные трубки 11 выполнены с возможностью прохождения одной из текучих сред: воздуха для горения или дымовых газов. В примере, представленном на фиг.2-4, теплообменные трубки 11 выполнены для прохождения воздуха для горения и герметично проходят через поперечную концевую стенку 12, закрывающую часть (по направлению потока дымовых газов) ниже по потоку трубы 1b. Вход воздуха для горения содержит распределительную камеру (не показана), которая сообщается с различными концами трубок 11, выходящими снаружи стенки 12. В этом месте герметичность обеспечивают с возможностью перемещения скольжением трубок 11, чтобы не препятствовать тепловым расширениям. Это обеспечивает удлинение трубок независимо друг от друга.

Как показано на фиг.2-4, теплообменные трубки 11 индивидуально окружены коаксиальными охватывающими трубками 13, которые герметично проходят через перегородку 14, закрывающую трубу 1b выше по потоку выхода 10. Между перегородкой 14 и стенкой 12 образована камера 15 удаления, причем эта камера 15 сообщается с выходом 10. Охватывающие трубки 13 находятся на определенном радиальном расстоянии от внутренней поверхности трубы 1 и останавливаются перед стенкой 12, выходя в камеру 15. На своем другом конце охватывающие трубки 13 останавливаются на расстоянии от поперечной концевой стенки 6а наконечника 6, поэтому между концом выше по потоку каждой трубки 13 и наконечником 6 образовано кольцевое пространство 16, обеспечивающее впуск части 2 дымовых газов в кольцевые проходы D, заключенные между наружной поверхностью теплообменных трубок 11 и внутренней поверхностью охватывающих трубок 13. Удаляемая часть 2 дымовых газов выходит на выходном конце трубок 13 и удаляется через выход 10.

Согласно примеру выполнения, показному на фиг.3, наконечник 6 имеет контур в виде дуги окружности на радиальном расстоянии от внутренней поверхности трубы 1b. Теплообменные трубки 11 выходят внутрь наконечника 6. Предпочтительно концы трубок 11 крепят сваркой на стенке 6а, содержащей отверстия напротив каждой трубки 11.

Обратный участок 7 выполнен в виде цилиндрической трубки 17 с геометрической осью, параллельной геометрической оси трубы 1b. Предпочтительно поперечное сечение трубки 17, по меньшей мере, равно сумме поперечных сечений теплообменных трубок 11. Стенка 6а содержит отверстие для сообщения с трубкой 17, герметично соединенной, предпочтительно при помощи сварки, с этой стенкой 6а. Другой осевой конец трубки 17 закрыт стенкой 17а вблизи перегородки 14.

На своем ближнем к стенке 17а конце трубка 17 оборудована поперечным эжектором 18 нагретого воздуха. Этот эжектор образован усеченным конусным соплом с поперечным сечением, уменьшающимся наружу, которое предназначено для нагнетания нагретого воздуха в направлении горелки через линию 8. Эжектор 18 останавливается на определенном расстоянии от трубы 1b или трубы 1 таким образом, что между выходом эжектора 18 и входом линии 8 остается кольцевая зона 19. Воздух, выходящий из эжектора 18, создает явление всасывания части 9 дымовых газов, увлекая их в линию 8 подачи.

Теплообменник Е можно полностью выполнять из трубок и листов из нержавеющей стали.

Рекуператор R работает следующим образом.

Холодный воздух для горения циркулирует и нагревается в теплообменных трубках 11 противотоком относительно части 2 горячих дымовых газов, которые проходят в проходах D между трубками 11 и охватывающими трубками 13. В наконечнике 6 направление нагретого воздуха меняется на противоположное, и воздух возвращается в эжектор 18 по обратному участку 7, который окружен частью 9 горячих дымовых газов. Нагрев воздуха продолжается в этом обратном участке 7. Нагретый воздух выходит через эжектор 18 и смешивается с частью 9 дымовых газов, увлекаемых в магистраль 8.

На фиг.5 показан альтернативный вариант выполнения, согласно которому все теплообменные трубки 11, в которых циркулирует предназначенный для подогрева воздух для горения, охвачены общим наружным кожухом 20. Дымовые газы циркулируют в проходе D, заключенном между наружным кожухом 20 и наружной поверхностью трубок 11. Обратный участок 7 оборудован эжектором 18. Теплообменный узел Е, показанный на фиг.5, установлен в соединительной трубе 1b или в выпускной трубе 1. Эта конфигурация предусматривает более значительные объемы дымовых газов в силу низких потерь напора и может быть использована с низкокалорийным металлургическим топливом.

На фиг.6 показан другой вариант выполнения с другим расположением теплообменных трубок, предназначенный для увеличения площади теплообмена без увеличения потери напора рециркулируемых дымовых газов. Теплообменные трубки 11, 13 сгруппированы в зоне пространства, заключенной между участком 7 и трубой 1. Эта конфигурация позволяет увеличить число теплообменных трубок в выпускной трубе и обеспечивает лучший нагрев воздуха для горения без уменьшения пропорционального количества рециркулируемых дымовых газов.

Значения расхода потоков дымовых газов и воздуха для горения, циркулирующего в теплообменных трубках, являются постоянными для всех вариантов выполнения настоящего изобретения, так как они зависят только от рабочего режима горелки. При наличии дополнительной трубки согласно варианту, показанному на фиг.6, скорость потока газов в трубках немного ниже, но зато увеличивается площадь теплообмена. Поскольку в нашем рабочем диапазоне площадь превалирует над скоростью для обеспечения уровня конвекционного теплообмена, получают более высокую эффективность теплообменника, показанного на фиг.6, несмотря на снижение скорости потоков дымовых газов и воздуха для горения.

Легко понять, что необходима оптимизация для достижения лучшего компромисса между площадью теплообмена (число, диаметр и длина трубок) и скоростью потоков, чтобы получить хороший баланс между габаритными размерами и потерями напора.

В варианте выполнения, показанном на фиг.6, обратный участок 7 уже не центрован по выпускной трубе, а смещен вниз таким образом, что теплообменные трубки оказываются в верхней части.

Теплообменники, показанные на фиг.5 и 6, работают аналогично теплообменнику, показанному на фиг.2-4.

Предпочтительно предусматривают подачу (отвод) части холодного воздуха непосредственно на горелку без прохождения через рекуператор, пока радиационная трубка не достигнет температуры самовоспламенения топлива. Эта система подачи (отвода) требует наличия средства 21 перекрывания (фиг.1) для перекрывания воздуха, предназначенного для зажигания горелки.

На фиг.7 и 8 показан еще один альтернативный вариант выполнения рекуператора в соответствии с настоящим изобретением. Элементы, выполняющие те же функции, что и элементы из предыдущих вариантов выполнения, обозначены такими же ссылочными позициями, в случае необходимости с добавлением апострофа. Их описание опускается или приведено в сжатом виде. Теплообменные трубки 11 проходят в соединительной трубе 1b от концевой стенки 12', расположенной на фиг.7 слева, через которую они проходят герметично с возможностью перемещения скольжением, и выходят в камеру G впуска воздуха для трубок 11. Эти теплообменные трубки 11 не окружены коаксиальными охватывающими трубками. Как показано на фиг.7, труба 1b оборудована фланцем В1 для соединения с трубой 1. Теплообменник Е частично выступает за пределы фланца В1, и эта выступающая часть заходит в трубу 1, коаксиальную с трубой 1b. Как показано на фиг.8, трубки 11 сгруппированы в пространстве в виде полумесяца, заключенном между стенкой трубы 1 или, в зависимости от случая, трубой 1b и трубкой 17', образующей обратный участок 7.

Наконечник 6' выполнен в виде усеченного конуса с большим основанием, образованным пластиной 6'а, которая содержит отверстия, соответствующие сечениям трубок 11. Эти трубки 11 закреплены сваркой на пластине 6'a и герметично выходят внутрь наконечника 6'. Малое основание наконечника 6' сопрягается с патрубком 22 в виде крюка, образующего выход, изогнутый под углом 180°, который объединяет воздушные потоки, выходящие из различных трубок 11.

Конец 23 обратного участка 7 (трубка 17') является открытым напротив конца 24 крюка 22. Воздух, выходящий из крюка 22, входит в трубку 17' и смешивается с частью 9 дымовых газов, поступающих от входа и заходящих в эту трубку 17'. Смешивание воздуха с частью дымовых газов позволяет снизить уровень кислорода в окислителе, в результате чего уменьшается количество NOx, образующихся во время горения. Это смешивание способствует также нагреву воздуха.

Часть дымовых газов проходит в свободное пространство 2, находящееся вокруг наконечника 6', между этим наконечником и внутренней поверхностью трубы 1 или трубы 1b. Эта часть дымовых газов проходит вокруг трубок 11, в частности, в пространство 1а в направлении выхода 10 противотоком относительно воздуха трубок 11. Трубка 17' обдувается также дымовыми газами, направляющимися к выходу 10.

Трубка 17' выходит сбоку соединительной трубы, будучи изогнутой под прямым углом в виде колена 25, продолженного выпускным патрубком 26, оборудованным на своем свободном конце фланцем 27 соединения с воздушным патрубком (не показан) горелки.

Воздух может входить в трубки 11 непосредственно в камере G. Вместе с тем, в представленном примере выполнения впуск воздуха происходит через линию 28, которая проходит через стенку 12' и которая охвачена в пространстве, где находятся дымовые газы, трубчатым кожухом 29, закрытым на своем внутреннем конце, ближнем к колену 25. Линия 28 останавливается перед внутренним концом трубчатого кожуха 29 и выполнена открытой, чтобы входящий воздух мог поменять направление на 180° и вернуться в отверстие стенки 12', вокруг которого герметично закреплен трубчатый кожух 29.

Поскольку кожух 29 окружен дымовыми газами, воздух, циркулирующий в обратном направлении между линией 28 и внутренней стенкой кожуха 29, подвергается первому нагреву перед захождением в камеру G.

Этот путь в двух направлениях, который проделывает воздух, заходящий в двойную трубку, образованную линией 28 и трубчатым кожухом 29, является факультативным. При его наличии экономится энергия и повышается производительность, хотя при этом увеличиваются потери напора.

Для повышения производительности и улучшения теплообменов внутри трубок, как показано на фиг.8, можно предусмотреть металлические пластинки 30, скрученные в виде геликоида.

Работа подогревателя, показанного на фиг.7 и 8, аналогична работе, описанной со ссылками на предыдущие фигуры.

Стрелки, показанные на фиг.7, позволяют проследить пути воздуха и дымовых газов.

Согласно факультативному варианту воздух, заходящий через линию 28, после циркуляции в прямом и обратном направлениях возвращается в камеру G и проходит в теплообменные трубки 11, выполненные в количестве тринадцати в примере, показанном на фиг.8. В этих трубках 11 воздух нагревается за счет теплообмена с дымовыми газами, обдувающими противотоком наружную поверхность трубок 11. Подогретый воздух собирается в наконечнике 6' и меняет направление на противоположное, проходя в трубку 17'. Именно в этом месте происходит рециркуляция дымового газа. Вынеся, таким образом, инжектор, образованный крюком 22, в конец рекуператора, максимально используют эффект рециркуляции.

Тринадцать трубок 11 обдуваются дымовыми газами, которые естественным образом больше проходят в нижней части, образующей приоритетный проход. Чтобы ограничить приоритетные проходы дымовых газов и лучше заполнить свободные пространства, можно выполнить трубки 11 с разными диаметрами, например, с большим диаметром в верхней части и с меньшим диаметром в нижней части поперечного сечения. Число трубок 11 будет также зависеть от размеров рекуператора.

Могут происходить дифференциальные расширения между трубками 11, поскольку они закреплены сваркой только с горячей стороны, соответствующей пластине 6'a. С другой стороны трубки заходят с возможностью перемещения скольжением в стенку 12', образованную тремя пластинами, разделенными изоляционной прокладкой.

На фиг.9 показан еще один пример выполнения рекуператора в соответствии с настоящим изобретением. Элементы, идентичные или подобные описанным выше элементам, обозначены такими же ссылочными позициями, в случае необходимости сопровождаемыми дополнительным обозначением ”. Их описание опускается или приведено в сжатом виде.

Как показано на фиг.9, рекуператор R содержит цилиндрический корпус 31, коаксиальный с выпускной трубой 1, соединенной с этим корпусом. Вход воздуха для горения 3, предусмотренный на невидимой части корпуса, находящейся с другой стороны плоскости вертикального сечения, имеет горизонтальную геометрическую ось, перпендикулярную геометрической оси корпуса 31 и трубы 1. Выход 10 для остальной части продуктов горения имеет вертикальную геометрическую ось и направлен вниз, тогда как выход 8 для смеси, состоящей из воздуха для горения и части продуктов горения, диаметрально противоположен выходу 10. Вход 3 и выходы 8 и 10 оборудованы кольцевыми уступами образующими фланцы для соединения с линией.

Как показано на фиг.9, корпус 31 содержит внутренние перегородки, разделяющие различные зоны, которые сообщаются с входом 3 и выходами 8 и 10. Вход 3 сообщается с внутренней камерой 3а, ограниченной цилиндрической перегородкой 32, содержащей поперечную концевую стенку 32а, через которую достаточно герметично проходит обратный участок 7”, образованный смесительной трубкой, проходящей ниже по потоку за пределы концевой стенки 32а. На корпусе 31 закреплен, в частности, при помощи не показанного фланца колпак 33, коаксиальный с трубкой 17 и закрывающий конец ниже по потоку трубки 17. Кольцевое пространство, заключенное между наружной поверхностью трубки 17 и внутренней поверхностью колпака 33, сообщается с отверстием 8 выпуска смеси воздуха для горения и продуктов горения. Направление потока этой смеси меняется на 180° на выходе трубки 17 в сторону выхода 8.

Наконечник 6” (фиг.9) содержит цилиндрическую часть 34. Выходной конец этой части 34 образован круговым кольцом 35, плотно прикрепленным на трубке 17 и плотно окруженным частью 34. Теплообменные трубки 11 распределены вокруг смесительной трубки 17 параллельно этой трубке и выходят в наконечник 6” через отверстия, выполненные в кольце 35. На своем другом конце трубки 11 выходят через круговое кольцо 36 в камеру 3а впуска воздуха. Входной конец цилиндрической части 34 оборудован воронкой 37, входной периферический край 37а которой загнут под углом 180°. Стенка воронки 37 образует по существу усеченную конусную юбку, начиная от загнутого края 37а, и обеспечивает соединение между входным краем части 34 и смесительной трубкой 17 меньшего диаметра. Трубка 17, образующая обратный участок, смещена в радиальном направлении внутрь относительно окружающих ее трубок 11.

Трубчатый удлинитель 38, образующий инжектор и выступающий в трубку 17, является коаксиальным с воронкой 37, с которой его неподвижно соединяют полые патрубки 39, ориентированные радиально и открытые на каждом конце. Патрубки 39 выходят наружу в пространство, куда выходят трубки 11, и внутрь в удлинитель 38 через отверстия вытянутой формы. С конца выше по потоку трубчатый удлинитель 38 закрыт щелевидной формой 40, которая направляет рециркулируемую часть продуктов горения в трубку 17 через проходы, окружающие патрубки 39 и заключенные между внутренней поверхностью воронки 37 и наружной поверхностью трубчатого элемента 38.

Теплообменные трубки 11 можно крепить сваркой только на их холодном конце, при этом наконечник 6” может удерживаться внутренней трубкой 17.

Рекуператор, показанный на фиг.9, работает аналогично рекуператору, описанному со ссылками на предыдущие фигуры.

Воздух для горения циркулирует противотоком в трубках 11 параллельно трубке 17, заходит в цилиндрическую часть 34, затем проходит радиально внутрь через патрубки 39 в трубчатый элемент 38 и выходит в трубку 17 в осевом направлении, противоположном потоку в трубках 11.

Продукты горения частично проходят в кольцевом пространстве 2 к выходу 10 и частично - напрямую в проходы между патрубками 39 с минимальными потерями напора, смешиваясь в трубке 17 с воздухом для горения. В примере, показанном на фиг.9, наконечник 6” содержит три патрубка 39, расположенных на 120°.

Сужение сечения на конце инжектора 38 способствует повышению скорости воздуха, который создает явление всасывания продуктов горения.

Воздух для горения циркулирует в трубках 11 в направлении, противоположном продуктам горения, циркулирующим в сечении 2, и за счет этого улучшает теплообмены между двумя текучими средами и температурный профиль рекуператора, уменьшая перепады температуры между одним концом и противоположным концом.

Риски поломок, встречавшихся в классических рекуператорах, естественно снижаются по причине противоточной циркуляции, которая намного снижает интенсивность тепловых ударов.

Наконец, риск поломки снижается также за счет того, что можно не использовать детали, выполненные путем литья.

Рекуператор/горелку можно изолировать термически во время изготовления, поэтому можно не предусматривать термической изоляции на месте. Сборка на месте сводится к применению трех соединительных фланцев 27, В1, В2.

Рекуператор в соответствии с настоящим изобретением позволяет одновременно повысить теплообмен воздух/дымовые газы, а также количество рециркулируемых дымовых газов, проходящих в линии 8 питания. Использование прямых трубок в теплообменнике позволяет ограничить и контролировать потери напора.

Выбор различных диаметров трубок обусловлен одновременно термическими характеристиками, линейными потерями напора (толщина трубок), а также легкостью поставки трубок. Поэтому можно использовать имеющиеся на рынке стандартные трубки.

Часть 9 дымовых газов проходит через большое свободное сечение 1а, поэтому скорость дымовых газов в нем остается ограниченной. Общая потеря напора дымовых газов изменяется лишь в незначительной степени при любой геометрии обратного контура, которая напрямую влияет на уровень рециркуляции дымовых газов, изменяя потери напора на части дымовых газов, циркулирующей в сечении 1а.

Чем больше объем рециркулируемых дымовых газов, тем выше скорость газов в радиационной трубке. Вместе с тем, это повышение скорости очень мало влияет на потерю напора в трубке.

Конструкция в соответствии с настоящим изобретением позволяет разделять дымовые газы на входе теплообменника, что приводит:

- к регулированию скорости дымовых газов в проходах вокруг теплообменных трубок 11 для повышения эффективности теплообменов;

- к ограничению потерь напора на рециркулируемых дымовых газах с повышением эффективности эжектора 18.

Применение трубок 11, 13, 17, 17' в соответствии с настоящим изобретением позволяет контролировать скорости текучих сред и, следовательно, воспроизводимым образом регулировать теплообмены и потерю напора, чего, как правило, невозможно добиться с классическими рекуператорами тепла, изготовляемыми методом литейного производства, с существенными различиями в проходных сечениях, связанными с производственными допусками.

Противоточная циркуляция способствует теплообмену между текучими средами и одновременно снижению механических напряжений за счет снижения температурного градиента между дымовыми газами и воздухом для горения на входе рекуператора.

Кроме того, трубчатая конструкция позволяет удлинить рекуператор, что способствует увеличению площади теплообмена и лучшей регенерации тепла.

Рекуператор в соответствии с настоящим изобретением, изготовляемый путем механического соединения и сварки, является более легким, чем рекуператор, изготовляемый литейным способом. Кроме того, качество жаропрочной нержавеющей стали можно подбирать для каждого компонента устройства рекуператора в зависимости от действующей на него температуры, что позволяет в целом снизить стоимость рекуператора за счет соответствующего подбора материала.

Рекуператор тепла для радиационной трубчатой горелки содержит трубу горелки и выпускную трубу. Горелка установлена на входе трубы горелки. Рекуператор установлен на выходе выпускной трубы и содержит теплообменник. Теплообменник расположен внутри соединительной трубы, выполненной с возможностью соединения с выпускной трубой. Теплообменник содержит направляющий участок для направления воздуха, который подлежит предварительному нагреванию, к наконечнику, расположенному на конце рекуператора со стороны впуска дымовых газов, и обратный участок, открывающийся в линию, подающую воздух в горелку. Наконечник определяет путь для изменения на противоположное направление потока воздуха для горения и для направления его в обратный участок. Часть дымовых газов увлекается воздухом для горения и смешивается с ним. Теплообменник занимает только часть поперечного сечения соединительной трубы, а другая часть остается свободной для прохождения дымовых газов к выходу. Направляющий участок теплообменника содержит множество теплообменных трубок, параллельных оси соединительной трубы. Обе текучие среды имеют параллельные потоки, проходящие в противоположных направлениях. Теплообменные трубки открыты внутрь наконечника. Воздушный контур выполнен в виде «петли». Обратный участок смещен в радиальном направлении относительно трубок направляющего участка. Поперечные сечения теплообменных трубок и обратного участка расположены снаружи относительно друг друга. Изобретение позволяет снизить механические напряжения, увеличить площадь теплообмена и уменьшить массу рекуператора. 15 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Рекуператор тепла для радиационной трубчатой горелки, содержащей трубу горелки и выпускную трубу (1), при этом горелка установлена на входе трубы горелки, при этом рекуператор установлен на выходе выпускной трубы и содержит теплообменник (E), расположенный внутри соединительной трубы (1b), выполненной с возможностью соединения с выпускной трубой (1) для обеспечения противоточного подогрева воздуха для горения частью (2) дымовых газов, при этом теплообменник (E) содержит:
направляющий участок (5) для направления воздуха, который подлежит предварительному нагреванию, к наконечнику (6, 6', 6''), расположенному на конце рекуператора со стороны впуска дымовых газов, и
обратный участок (7, 7''), открывающийся в линию (8), подающую воздух в горелку, при этом наконечник (6, 6', 6'') определяет путь для изменения на противоположное направление потока воздуха для горения и для направления его в обратный участок,
при этом узел выполнен таким образом, чтобы часть дымовых газов увлекалась воздухом для горения и смешивалась с этим воздухом,
теплообменник занимает только часть поперечного сечения соединительной трубы, а другая часть остается свободной для прохождения дымовых газов к выходу, отличающийся тем, что:
направляющий участок (5) теплообменника содержит множество теплообменных трубок (11), параллельных оси соединительной трубы (1b), для прохождения воздуха для горения, при этом теплообмен между дымовыми газами и воздухом происходит через теплообменные трубки, при этом обе текучие среды имеют параллельные потоки, проходящие в противоположных направлениях,
теплообменные трубки (11) открыты внутрь наконечника (6, 6', 6''),
воздушный контур выполнен в виде «петли», при этом обратный участок (7, 7'') смещен в радиальном направлении относительно трубок направляющего участка (5), и поперечные сечения теплообменных трубок и обратного участка расположены снаружи относительно друг друга.

2. Рекуператор по п.1, отличающийся тем, что теплообменные трубки (11) сгруппированы вместе в зоне пространства, заключенной между обратным участком (7, 7'') и соединительной трубой (1b) или выпускной трубой (1).

3. Рекуператор по п.1 или 2, отличающийся тем, что обратный участок (7, 7'') выполнен в виде трубки (17, 17') с достаточным поперечным сечением для прохождения потока воздуха от теплообменных трубок (11) и рециркулируемой части дымовых газов.

4. Рекуператор по п.3, отличающийся тем, что трубка (17) обратного участка герметично соединена с наконечником, при этом другой осевой конец трубки (17) закрыт, и обратный участок (7) открыт поперечно эжектору (18), расположенному напротив линии (8) подающей воздух в горелку.

5. Рекуператор по п.3, отличающийся тем, что трубка (17') обратного участка открыта (23) со стороны входа дымовых газов, и причем наконечник (6') содержит изогнутый крюкообразный выход (22), объединяющий потоки из коллекторных трубок и открытый в открытый конец (23) обратного участка, в котором происходит смешивание воздуха и части дымовых газов.

6. Рекуператор по п.5, отличающийся тем, что обратный участок (7) является изогнутым (25) на его выходе из соединительной трубы.

7. Рекуператор по п.5 или 6, отличающийся тем, что содержит впускную воздушную линию (28), охваченную трубчатым кожухом (29), закрытым на своем внутреннем конце и открытым на своем другом конце в камеру (G) впуска воздуха для теплообменных трубок, при этом трубчатый кожух (29) охвачен дымовыми газами таким образом, чтобы воздух для горения проходил первый путь подогрева в сторону и назад до своего захождения в теплообменные трубки (11).

8. Рекуператор по п.1 или 2, отличающийся тем, что наконечник (6") содержит цилиндрическую часть (34), продолженную выше по потоку воронкой (37), которая соединена со смесительной трубкой (17), при этом в своей центральной части воронка содержит трубчатый удлинитель (38), образующий инжектор для воздуха для горения, при этом удлинитель удерживается радиально направленными патрубками (39), обеспечивающими сообщение между кольцевым пространством, в которое выходят теплообменные трубки (11), и внутренним пространством трубчатого удлинителя (38).

9. Рекуператор по п.1 или 2, отличающийся тем, что является полностью сваренной конструкцией с трубчатыми элементами и компонентами из нержавеющих стальных листов.

10. Рекуператор по п.1 или 2, отличающийся тем, что в, по меньшей мере, одной теплообменной трубке (11) устанавливают геликоид (30).

11. Рекуператор по п.1 или 2, отличающийся тем, что теплообменные трубки (11) окружены охватывающими трубками (13), при этом воздух для горения протекает через теплообменные трубки (11), тогда как дымовые газы протекают через кольцевые проходы (D), заключенные между теплообменными трубками (11) и охватывающими трубками (13).

12. Рекуператор по п.11, отличающийся тем, что предусматривает перегородку (14), через которую герметично проходят охватывающие трубки (13) и которая предназначена для ограничения на конце соединительной трубы камеры (15), соединенной с выходом дымовых газов, при этом охватывающие трубки (13) открыты в эту камеру.

13. Рекуператор по п.1 или 2, отличающийся тем, что все теплообменные трубки (11) окружены охватывающей стенкой (20), и дымовые газы протекают через зону, заключенную между наружной поверхностью теплообменных трубок и охватывающей стенкой.

14. Рекуператор по п.1 или 2, отличающийся тем, что содержит отводную трубу для подачи части холодного воздуха непосредственно в горелку без прохождения через рекуператор, пока радиационная трубка не достигнет температуры самовоспламенения топлива, со средством (21) перекрывания для воздуха, предназначенного для зажигания горелки.

15. Рекуператор по п.1 или 2, отличающийся тем, что теплообменные трубки имеют разные диаметры, при этом диаметр больше в верхней части и меньше в нижней части.

16. Рекуператор по п.1 или 2, отличающийся тем, что теплообменные трубки закрепляют сваркой только на одном конце, то есть на горячем конце, соединенном с наконечником, тогда как на другом конце они зацеплены с возможностью герметичного скольжения в стенке.