УЗЕЛ РЕКУПЕРАТИВНОЙ ГОРЕЛКИ С РАДИАЦИОННОЙ ТРУБОЙ Российский патент 2023 года по МПК F23C9/00 F23D14/12 F23D14/66 F23L15/04 

Настоящее изобретение относится к узлу рекуперативной горелки с радиационной трубой.

Горелки с радиационными трубами снабжены каналом, в котором развивается пламя и циркулируют отходящие газы. Такие горелки используют в устройстве, где необходим контакт между отходящими газами и подлежащим нагреванию материалом. Радиационные трубы могут иметь различную форму, в том числе, форму «I», «U» или «М».

Целью настоящего изобретения является обеспечение узла рекуперативной горелки с радиационной трубой, отличающегося высокой эффективностью теплообмена между отходящими газами и воздухом горения.

Другой целью является увеличение поверхности теплообмена.

Другой целью является увеличение температуры воздуха горения.

Другой целью является сокращение образования NО_х.

В соответствии с настоящим изобретением, эти и другие цели достигнуты посредством узла рекуперативной горелки с радиационной трубой, включающего теплообменник и горелку; указанный теплообменник включает: первую внутреннюю трубу; вторую трубу теплообменника, соосную и внешнюю относительно первой трубы; третью трубу, соосную и внешнюю относительно указанной второй трубы; четвертую трубу, расположенную перпендикулярно к указанной первой трубе; пятую трубу, соосную и внутреннюю относительно указанной четвертой трубы; выпускной канал отходящих газов, расположенный внутри указанной пятой трубы; первый зазор между указанной первой трубой и указанной второй трубой; второй зазор между указанной третьей трубой и указанной второй трубой; шестой зазор между указанной четвертой трубой и указанной пятой трубой; указанный первый зазор сообщается с указанным шестым зазором; указанный второй зазор сообщается с указанным выпускным каналом отходящих газов; трубу Вентури, расположенную поперек указанной пятой трубы; впуск трубы Вентури сообщается с указанным шестым зазором; выпуск указанной трубы Вентури сообщается с указанным выпускным каналом отходящих газов и с соединительной трубой между указанным теплообменником и указанной горелкой.

Другие отличительные особенности изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Этому решению свойственно множество преимуществ относительно решений известного уровня техники.

Отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидны из нижеследующего подробного описания конкретного варианта его осуществления, поясняемого на не имеющем ограничительного характера примере на прилагаемых чертежах на которых:

На фиг. 1 показан узел рекуперативной горелки с радиационной трубой в соответствие с настоящим изобретением;

На фиг. 2 на виде сбоку в разрезе показан теплообменник узла рекуперативной горелки с радиационной трубой в соответствие с настоящим изобретением;

На фиг. 3 на виде сверху в разрезе показана часть теплообменника узла рекуперативной горелки с радиационной трубой в соответствие с настоящим изобретением;

На фиг. 4 на виде спереди показан узел рекуперативной горелки с радиационной трубой в соответствие с настоящим изобретением;

На фиг. 5 на виде спереди показан теплообменник альтернативного варианта осуществления узла рекуперативной горелки с радиационной трубой в соответствие с настоящим изобретением.

Как показано на прилагаемых фигурах, узел 10 рекуперативной горелки с радиационной трубой, соответствующий настоящему изобретению, содержит горелку 11, расположенную на конце U-образной радиационной трубы 12, и теплообменник 13, расположенный на другом конце этой радиационной трубы 12

Теплообменник 12 включает первую внутреннюю трубу 15, вторую трубу 16 теплообменника, соосную и внешнюю относительно указанной первой трубы 15. Вторая труба 16 имеет волнистую (гофрированную) наружную поверхность для улучшения теплообмена.

Первый кольцевой горизонтальный зазор 17 образован между первой трубой 15 и второй трубой 16.

Первая труба 15 прикреплена, с одной стороны, к пластине 20, имеющей круглую форму с центральным круглым отверстием 21, обеспечивающим поступление (холодного) воздуха горения в первую трубу 15, другой конец которой открыт.

Первая наружная кольцевая структура 22, к которой вторая труба 16 прикреплена посредством второй внутренней кольцевой структуры 23, соосной первой кольцевой структуре 22, прикреплена к пластине 20.

Третья труба 24, соосная и внешняя относительно второй трубы 16, прикреплена к первой кольцевой структуре 22.

Второй кольцевой горизонтальный зазор 25 образован между третьей трубой 24 и второй трубой 16.

Вторая труба 16 находится на некотором расстоянии от пластины 20, оставляя пространство для третьего, по существу, вертикального зазора 30, сообщающегося с первым зазором 17.

Третий зазор 30, находящийся рядом с пластиной 20, сообщается с четвертым кольцевым горизонтальным зазором 31, образованным между второй кольцевой структурой 23 и первой наружной кольцевой структурой 22.

Четвертый зазор 31 проходит по всей длине первой кольцевой структуры 22, что приблизительно соответствует четверти всей длины второй трубы 16 теплообменника.

Третья труба 24 начинается у конца первой кольцевой структуры 22 и, следовательно, составляет примерно три четверти длины второй трубы 16 теплообменника.

Пятый кольцевой горизонтальный зазор 26, сообщающийся со вторым зазором 25, образован между второй трубой 16 теплообменника и второй внутренней кольцевой структурой 23.

Четвертая труба 35, расположенная перпендикулярно к первой кольцевой структуре 22, прикреплена вертикально к первой наружной кольцевой структуре 22.

Пятая труба 36, на которую опирается выпускная труба 37 отходящих газов, соосно расположена внутри четвертой трубы 35.

Таким образом, пятый кольцевой зазор 26 непосредственно соединен с выпускным каналом 27 отходящих газов, образованным четвертой трубой 35 и трубой 37.

Четвертый зазор 31 соединен с шестым кольцевым вертикальным зазором 40, образованным между четвертой трубой 35 и пятой трубой 36.

Шестой зазор 40 соединен с трубой 41 Вентури, расположенной поперек пятой трубы 36, которая проходит через эту трубу и сообщается с соединительной трубой 42 между выпускным каналом 27 отходящих газов и горелкой 11, т.е., между теплообменником 13 и горелкой 11.

Диаметр выпуска трубы 41 Вентури меньше, чем диаметр трубы 42.

Внутренние элементы, контактирующие с отходящими газами, изготовлены из сталей, способных выдерживать их температуру, поэтому защитной теплоизоляции не требуется. А наружные элементы могут быть изготовлены из более легких материалов, менее стойких к высокой температуре, так как контактируют с еще холодным воздухом горения.

В любом случае, где необходимо, располагают изолирующий материал, например, снаружи четвертого зазора 31, внутри четвертой трубы 35 и внутри трубы 37.

Воздух, проходящий через отверстие 21, поступает в первую трубу 15, дальний конец которой открыт, но поскольку дальний конец второй трубы 16 теплообменника закрыт, он проходит в первый зазор 17, достигает третьего зазора 30, а затем четвертого зазора 31.

Отсюда он проходит в шестой зазор 40, поступает в трубу 41 Вентури и смешивается с отходящими газами внутри трубы 42.

Отходящие газы, напротив, достигают второго зазора 25, перемещаясь в направлении, противоположном потоку воздуха, поступающего через отверстие 21, и достигают пятого кольцевого зазора 26. Они поступают в выпускной канал 27 отходящих газов и проходят в выпускную трубу 37 отходящих газов.

Таким образом, под действием скорости выходящего из трубы 41 Вентури воздуха, часть проходящих вблизи нее отходящих газов проталкивается в трубу 42 и смешивается с воздухом.

Следовательно, в горелку 11 поступает нагретый воздух горения, смешанный с частью отходящих газов.

Таким образом, температура подогретого воздуха может достигать величин более 500°С. В такой системе может быть рециркулировано до 40% отходящих газов, при этом, система устойчива также на этапе холодного запуска. Размеры вставки Вентури связаны с некоторыми параметрами, в том числе:

- максимальная производительность горелки

- доля в процентах рециркулируемых отходящих газов

- давление воздуха горения, достижимое в теплообменнике.

Преимуществом данной системы является возможность достижения величин выбросов NО_х менее 150-200 мг/нм³ для системы, интегрированной в теплообменник.

Шестой кольцевой вертикальный зазор 40 соединен с седьмым зазором 50, который окружает трубу 51, обеспечивая соединение пятой трубы 36 и соединительной трубы 42.

В одном из альтернативных вариантов осуществления изобретения, вместо шестого зазора 40, соединенного непосредственно со впуском трубы 41 Вентури, седьмой зазор 50 сообщается со множеством отверстий 52, расположенных кольцеобразно относительно трубы 51 и открывающихся в трубу 42 соосно потоку отходящих газов, поступающему из трубы 36.

Множество отверстий 52 создает эффект Вентури, так как имеет меньшее сечение, чем зазор, с которым оно соединено.

Внутри трубы 51 может быть установлен клапан 53, позволяющий регулировать количество подлежащих рециркуляции отходящих газов.

В данной системе отходящие газы всегда рециркулируются в трубу 42, создавая в центре разрежение, засасывающее отходящие газы, однако, имеется преимущество, заключающееся в возможности установки двухстворчатого клапана 53, который позволяет закрывать канал отходящих газов во время нагревания теплообменника из холодного состояния.

Устойчивость в холодном состоянии является для системы решающим критерием, который ограничивает долю в процентах рециркулируемых отходящих газов.

Чем больше доля рециркуляции, тем более нестабильным становится пламя, следовательно, всегда необходимо соблюдать специальный пусковой режим. Это увеличивает длительность начального нагревания и, в любом случае, сопряжено со значительным содержанием СО в отходящих газах.

Следовательно, необходим компромисс между потребностью в этапе холодного запуска и соблюдением требований в отношении выбросов.

Обычно, доля в процентах выбрасываемых отходящих газов достигает, самое большее, 40%, так как холодная горелка не может поддерживать стабильное пламя при большей доле выбрасываемых отходящих газов.

При наличии клапана 53 возможно уменьшить количество или блокировать холодные отходящие газы, следовательно, горелка может быть запущена без рециркуляции отходящих газов и в намного более стабильном режиме.

По достижении заданной температуры, клапан 53 открывают, количество рециркулируемых отходящих газов может превышать 40%, и горение в любом случае будет устойчивым, так как система разогрета.

Группа поверхностей 16, 23, 36 и 41 повышает эффективность горелки, так как теплообмен с отходящими газами не ограничивается поверхностью теплообменника 16, для него ниже по потоку имеются другие металлические элементы.

Разбавление воздуха горения продуктами сгорания позволяет регулировать содержание кислорода в зоне реакции и, следовательно, уменьшить температуру горения, сокращая количество выбросов NО_х.

Труба 41 Вентури позволяет увеличить количество рециркулируемых отходящих газов.

Клапан 53 позволяет регулировать их количество.

Таким образом, возможно организовать рециркуляцию отходящих газов, которая, как функция давления имеющегося воздуха горения, поступающего в теплообменник, может достигать более 50%.

Изобретение относится к устройствам для сжигания. Узел рекуперативной горелки с радиационной трубой включает теплообменник (13) и горелку (11). Теплообменник (13) включает: первую внутреннюю трубу (15); вторую трубу (16) теплообменника, соосную и внешнюю относительно первой трубы (15); третью трубу (24), соосную и внешнюю относительно второй трубы (16); четвертую трубу (35), расположенную перпендикулярно к первой трубе (15); пятую трубу (36), соосную и внутреннюю относительно четвертой трубы (35); выпускной канал (27) отходящих газов, расположенный внутри пятой трубы (36); первый зазор (17) между первой трубой (15) и второй трубой (16); второй зазор (25) между третьей трубой (24) и второй трубой (16); шестой зазор (40) между четвертой трубой (35) и пятой трубой (36). Первый зазор (17) сообщается с шестым зазором (40). Второй зазор (25) сообщается с выпускным каналом (27) отходящих газов. Теплообменник (13) включает трубу (41, 52) Вентури, расположенную поперек пятой трубы (36). Впуск трубы (41, 52) Вентури сообщается с шестым зазором (40). Выпуск трубы (41, 52) Вентури сообщается с выпускным каналом (27) отходящих газов. Узел включает соединительную трубу (42) между теплообменником (13) и горелкой (11). Техническим результатом является обеспечение высокой эффективности теплообмена между отходящими газами и воздухом горения. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Узел рекуперативной горелки с радиационной трубой, имеющий теплообменник (13) и горелку (11); указанный теплообменник (13) содержит: первую внутреннюю трубу (15); вторую трубу (16) теплообменника, соосную и внешнюю относительно первой трубы (15); третью трубу (24), соосную и внешнюю относительно указанной второй трубы (16); четвертую трубу (35), расположенную перпендикулярно к указанной первой трубе (15); пятую трубу (36), соосную и внутреннюю относительно указанной четвертой трубы (35); выпускной канал (27) отходящих газов, расположенный внутри указанной пятой трубы (36); первый зазор (17) между указанной первой трубой (15) и указанной второй трубой (16); второй зазор (25) между указанной третьей трубой (24) и указанной второй трубой (16); шестой зазор (40) между указанной четвертой трубой (35) и указанной пятой трубой (36); указанный первый зазор (17) сообщается с указанным шестым зазором (40); указанный второй зазор (25) сообщается с указанным выпускным каналом (27) отходящих газов; трубу (41, 52) Вентури, расположенную поперек указанной пятой трубы (36); впуск трубы (41, 52) Вентури сообщается с указанным шестым зазором (40); упомянутая труба (41, 52) Вентури имеет выпуск, который сообщается с указанным выпускным каналом (27) отходящих газов; и с соединительной трубой (42) между указанным теплообменником (13) и указанной горелкой (11).

2. Узел горелки по п. 1, отличающийся тем, что содержит пластину (20), имеющую круглую форму, с центральным круглым отверстием (21), которое позволяет воздуху горения поступать в указанную первую трубу (15), и третий зазор (30) напротив указанной пластины (20).

3. Узел горелки по п. 2, отличающийся тем, что содержит: первую наружную кольцевую структуру (22), прикрепленную к указанной пластине (20); вторую внутреннюю кольцевую структуру (23), соосную указанной первой кольцевой структуре (22), указанная вторая труба (16) прикреплена к указанной первой кольцевой структуре (22); и четвертый зазор (31) между указанной второй кольцевой структурой (23) и указанной первой кольцевой структурой (22).

4. Узел горелки по п. 3, отличающийся тем, что указанная третья труба (24) прикреплена к указанной первой кольцевой структуре (22).

5. Узел горелки по п. 3, отличающийся тем, что указанная четвертая труба (35) прикреплена перпендикулярно к указанной первой наружной кольцевой структуре (22).

6. Узел горелки по п. 5, отличающийся тем, что на указанную пятую трубу (36) опирается выпускная труба (37) отходящих газов.

7. Узел горелки по п. 5, отличающийся тем, что указанный первый зазор (17) сообщается с указанным третьим зазором (30), указанным четвертым зазором (31) и указанным шестым зазором (40).

8. Узел горелки по п. 5, отличающийся тем, что указанный второй зазор (25) сообщается с указанным пятым зазором (26) и указанным выпускным каналом (27) отходящих газов.

9. Теплообменник (13) горелки (11), при этом указанный теплообменник (13) соединен с указанной горелкой (11) посредством соединительной трубы (42) и содержит: первую внутреннюю трубу (15); вторую трубу (16) теплообменника, соосную и внешнюю относительно первой трубы (15); третью трубу (24), соосную и внешнюю относительно указанной второй трубы (16); четвертую трубу (35), расположенную перпендикулярно к указанной первой трубе (15); пятую трубу (36), соосную и внутреннюю относительно указанной четвертой трубы (35); выпускной канал (27) отходящих газов, расположенный внутри указанной пятой трубы (36); первый зазор (17) между указанной первой трубой (15) и указанной второй трубой (16); второй зазор (25) между указанной третьей трубой (24) и указанной второй трубой (16); шестой зазор (40) между указанной четвертой трубой (35) и указанной пятой трубой (36); указанный первый зазор (17) сообщается с указанным шестым зазором (40); указанный второй зазор (25) сообщается с указанным выпускным каналом (27) отходящих газов; трубу (41, 52) Вентури, расположенную поперек указанной пятой трубы (36); впуск трубы (41, 52) Вентури сообщается с указанным шестым зазором (40); упомянутая труба (41, 52) Вентури имеет выпуск, который сообщается с указанным выпускным каналом (27) отходящих газов.