Двухпоточная нефутерованная топка Российский патент 2024 года по МПК F23C5/00 F24H3/02 

Изобретение относится к воздухонагревательным устройствам, в частности к топочным устройствам сушильных и нагревательных печей, прокалочных печей, работающих на газообразном топливе. Предназначено для прямого нагрева приточного воздуха, используемого, например, для процесса сушки хлористого калия. Может использоваться в химической, металлургической, горнорудной промышленности, при производстве минеральных удобрений и строительных материалов.

Известен воздухонагреватель по патенту РФ на полезную модель №69210, F24H 3/00, 2007, содержащий корпус с находящейся внутри цилиндрической топкой, газовой горелкой, патрубками нагретого воздуха. Топка состоит из расположенных соосно камеры сгорания и камеры нагрева, между которыми имеется кольцевой зазор. На торцевой стенке камеры сгорания выполнены отверстия для подсоса воздуха. Последовательное соосное расположение камеры сгорания и камеры нагрева, вынесение газовой горелки за пределы корпуса и камеры сгорания приводит к большим габаритам топки, к удлинению канала охлаждения, образованного внутренними и наружными стенками. Это в свою очередь снижает эффективность охлаждения стенок камеры сгорания и камеры нагрева, снижает надежность работы устройства из-за возможности их прогара.

В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбрано топочное устройство по патенту на изобретение №2728581, F23C 1/08, 31.07.2020. Камера сгорания содержит корпус и концентрично установленный внутри него экран - камеру сгорания. Горелочный узел выполнен в виде установленной на входе в камеру сгорания диафрагмы с отверстиями и размещенными за ними газовыми горелками. Топочное устройство лишено внутренней футеровки, за счет того, что в топочном устройстве, содержащем корпус и коаксиально установленную в нем камеру сгорания с образованием зазора между ними, согласно изобретению, горелочный узел выполнен в виде установленной на входе в камеру сгорания диафрагмы с отверстиями, для размещения за ними газовых горелок, а вдоль периметра диафрагмы установлены поворотные заслонки. Торец топочного устройства снабжен раструбом для подачи в нее нагреваемого воздуха, а противоположный торец снабжен конфузором для выпуска нагретых топочных газов. В целях безопасности эксплуатации топочного устройства, оно снабжено также взрывным клапаном, установленным на верхней грани корпуса.

Недостатком указанного устройства является однопоточность, что снижает возможности использования устройства. Например, для эксплуатации сушильного устройства по патенту на изобретение №2716354 «Сушильное устройство с псевдоожиженным слоем», F26B 17/10, 11.03. 2020 потребуется два топочных устройства и два вентилятора. Экономически целесообразно, для таких сушильных устройств, обойтись одним топочным устройством.

Техническим результатом заявляемого изобретения является изменение конструкции топочного устройства таким образом, что появляется второй полноценный поток теплоносителя. При этом, отбор теплоносителя происходит непосредственно из камеры сгорания, путем встраивания патрубка отбора топочных газов в верхнюю грань корпуса.

Технический результат достигается за счет того, что в двухпоточной нефутерованной топке, содержащей корпус и коаксиально установленную в нем камеру сгорания с образованием зазора между ними, раструб и конфузор с торцов корпуса, горелочный узел, выполненный в виде установленной на входе в камеру сгорания диафрагмы с отверстиями, для размещения за ними газовых горелок, вдоль периметра диафрагмы установлены поворотные заслонки, взрывной клапан, установлен на верхней грани корпуса. Согласно изобретению, топка снабжена дополнительным патрубком отбора теплоносителя, установленным на верхней грани корпуса, а в зоне установки патрубков взрывного клапана и дополнительного патрубка отбора теплоносителя, в зазоре между корпусом аппарата и камерой сгорания дополнительно установлен защитный экран из жаропрочной стали, который имеет выпуск под верхней гранью конфузора. Кроме того, дополнительный патрубок отбора теплоносителя заключен в воздухоохлаждаемую рубашку, охлаждаемый воздух из которой выходит через сопловые элементы во внутреннюю часть дополнительного патрубка отбора теплоносителя.

Технический результат обеспечивается тем, что помимо конфузора, служащего выходным патрубком теплоносителя из рассматриваемого устройства и, одновременно, и камерой смешения (горячих топочных газов с холодным воздухом, нагнетаемым во внутреннее пространство двухпоточной нефутерованной топки внешним вентилятором), двухпоточная нефутерованная топка снабжена дополнительным патрубком отбора теплоносителя (топочных газов) из нагретой камеры сгорания, а для защиты корпуса топки, локально, в зоне установки взрывного клапана и дополнительного патрубка отбора теплоносителя (топочных газов), в зазоре между корпусом аппарата и камерой сгорания установлен защитный экран из жаропрочной стали. Размещение дополнительного, второго патрубка отбора теплоносителя позволяет обеспечить одновременно формирование двух потоков теплоносителя от одного устройства, что является преимуществом устройства по сравнению с аналогами, генерирующими лишь один поток теплоносителя. Кроме того, заявляемая двухпоточная нефутерованная топка, не требует внутренней тепловой защиты в форме футеровки, что упрощает конструкцию, снижает массу и габариты устройства. Выполнение устройства управления потоком охлаждающего воздуха в виде поворотных прямоугольных заслонок позволяет перераспределять потоки холодного воздуха по граням корпуса аппарата. Например, выполненные расчеты математической модели двухпоточной нефутерованной топки показали, что наиболее теплонагруженной является верхняя грань корпуса аппарата. Расчетная температура металла корпуса двухпоточной нефутерованной топки в зоне входа патрубков (дополнительного патрубка отбора теплоносителя и патрубка взрывного клапана) в корпус аппарата может превышать 700°С, что снижает межремонтный ресурс топки. Большее открытие верхней поворотной заслонки позволяет уменьшить температуру нагрева рассматриваемой локальной зоны на 20-30°С, что не достаточно, но все же обеспечивает некоторый процесс регулирования охлаждающего потока в указанную зону. Размещение защитного экрана в зазоре между камерой сгорания и корпусом двухпоточной нефутерованной топки позволяет защитить корпус в локальной, наиболее теплонапряженной зоне. Защитный экран охлаждается потоком воздуха, идущем в двухпоточную нефутерованную топку от внешнего вентилятора по каналу между корпусом и камерой сгорания. Защитный экран также предотвращает от возможных прогаров верхнюю часть конфузора. Продукты недожога при горении топлива, а также СО могут догорать в дополнительном патрубке. На него также действует и лучистое излучение от факела. Все это увеличивает температуру теплоносителя в локальной рассматриваемой области дополнительного патрубка отбора теплоносителя, снижает ресурс эксплуатации указанного патрубка. Подача холодного воздуха от вентилятора в воздухоохлаждаемую рубашку дополнительного патрубка отбора теплоносителя, снижают температуру стенок этого патрубка, что увеличивает ресурс его работы. Подача воздуха во внутрь дополнительного патрубка отбора теплоносителя через сопловые элементы, расположенные тангенциально, также охлаждают стенки дополнительного патрубка отбора теплоносителя в самой теплонапряженной зоне. Кроме того, поток воздуха, выходящего из сопловых элементов, может быть регулируемым по расходу, что позволяет также и регулировать температуру теплоносителя в дополнительном патрубке отбора теплоносителя в пределах ±50°С. Расход охлаждающего воздуха, подаваемого в воздухоохлаждающую рубашку составляет 3-5% от расхода теплоносителя (топочных газов), проходящего через дополнительный патрубок отбора теплоносителя. Воздух от одного источника (вентилятора) расходуется на процесс горения топлива, на охлаждение и защиту корпуса, камеры сгорания, на охлаждение и защиту дополнительного патрубка отбора теплоносителя, на смешение и образование горячего газа-теплоносителя. Таким образом, установка дополнительного патрубка отбора теплоносителя в верхней грани корпуса двухпоточной нефутерованной топки позволяет отказаться от использования дополнительного вентилятора, второй топки в случае использования двух стадийных сушилок, что так же направлено на достижение заявленного технического результата. Следует отметить, что температура теплоносителя, выходящего из дополнительного патрубка отбора теплоносителя, может достигать 850°С, тогда как температура теплоносителя, выходящего из конфузора, не превышает 650°С. При изменении расхода топлива в газовые горелки, изменяется одновременно и температура обоих потоков теплоносителя. Соотношение расходов теплоносителя через дополнительный патрубок отбора теплоносителя и конфузор рекомендуется, как 1:4.

На фигуре 1 представлена двухпоточная нефутерованная топка.

На фигуре 2 представлено расположение газовых горелок в двухпоточной нефутерованной топке с поворотными заслонками для регулирования потока воздуха.

На фигуре 3 представлен поперечный разрез корпуса двухпоточной нефутерованной топки.

На фигуре 4 представлен разрез воздухоохлаждаемой рубашки в месте установки сопловых элементов.

Двухпоточная нефутерованная топка состоит из корпуса 1 прямоугольного сечения, камеры сгорания 2, коаксиально установленной в корпусе 1 с зазором 3. Корпус 1 снабжен раструбом 4 и конфузором 5. Корпус 1 представляет собой коробчатый кожух, выполненный из отдельных стальных теплоизолированных снаружи секций. На входе в камеру сгорания 2 установлена диафрагма 6, в которой выполнены отверстия (проемы) 7. За горизонтальными проемами 7 установлены газовые горелки 8 линейного типа. По периметру наружного контура диафрагмы 6 закреплены на осях поворотные заслонки 9, из которых две заслонки установлены горизонтально, а две - вертикально. Раструб 4 присоединяется к воздуховоду от приточного вентилятора (на чертеже не показан). Дополнительный патрубок отбора теплоносителя 10 установлен на верхней грани топки, так же, как и взрывной клапан 11 - обязательное оборудование подобных устройств. Дополнительный патрубок отбора теплоносителя 10 заключен в воздухоохлаждаемую рубашку 12 и снабжен сопловыми элементами 13. Защитный экран 14 установлен в зазоре между корпусом 1 и камерой сгорания 2. Холодный воздух подается в воздухоохлаждаемую рубашку через патрубок 15 от вентилятора (на чертеже не показан).

Двухпоточная нефутерованная топка работает следующим образом.

Поток воздуха от вентилятора попадает в зону газовых горелок 8, где за диафрагмой 6 установлены в прямоугольных проемах 7 газовые горелки 8, например типа «Maxon» фирмы «Honeywell Company», либо российские аналоги. После воспламенения топлива воздух через проемы 7 диафрагмы 6 попадает в камеру сгорания 2, участвует в горении топлива и образовании факела пламени. Горячие газы взаимодействуют с турбулентными струями воздуха, омывающими газовые горелки 8, образуя поверхность фронта горения. Часть потока воздуха, подаваемого от вентилятора, попадает в зазор 3 между корпусом 1 и камерой сгорания 2. Этот поток воздуха движется по прямоточному каналу, охлаждая стенки камеры сгорания 2 и корпуса 1. При этом происходит нагрев воздуха, движущегося по данному каналу. Температура потока воздуха, выходящего из прямоточного канала, образованного зазором 3 ниже температуры потока, выходящего из камеры сгорания 2. В конфузоре 5 данные потоки смешиваются и образуют единый, исходящий из двухпоточной нефутерованной топки поток горячего воздуха и газов, то есть теплоноситель, направляемый к устройствам-потребителям. Регулирование расхода воздуха, проходящего по прямоточному каналу в зазоре 3 происходит изменением положения поворотных заслонок 9. Поворотом горизонтальных и вертикальных заслонок 9 регулируют интенсивность процесса охлаждения корпуса 1 и конечную температуру горячего газа, выходящего из двухпоточной нефутерованной топки через конфузор 5. За счет того, что топочное устройство имеет прямоточную схему движения потоков воздуха, который поступает в устройство от одного источника (вентилятора), происходит также охлаждение защитного экрана 14. Из камеры сгорания 2 забирается через дополнительный патрубок отбора теплоносителя 10, еще более нагретый, чем выходящий из конфузора 5 теплоноситель. Как показали расчеты, проведенные по математическому моделированию процесса генерации тепла в рассматриваемой двухпоточной нефутерованной топке, температура корпуса аппарата в самой теплонапряженной зоне (район врезки патрубков взрывного клапана и дополнительного патрубка отбора теплоносителя) не превышает 650°С, что для жаропрочной стали является допустимой величиной. Взрывной клапан служит для безопасности газопотребляющего агрегата, которым является двухпоточная нефутерованная топка, ее газовые горелки. Дополнительный патрубок отбора теплоносителя 10 охлаждается воздухом, поступающим в воздухоохлаждаемую рубашку 12, а также через сопла 13. Добавление небольшого потока холодного воздуха в теплоноситель дополнительного патрубка отбора теплоносителя 10 позволяет в ограниченных пределах регулировать температуру этого потока теплоносителя.

Предлагаемая двухпоточная нефутерованная топка имеет следующие проектные параметры работы:

- расход воздуха на топку - 90000 нм³/ч;

- температура горячих газов, выходящих из конфузора топки - 500-600°С;

- температура топочных газов, выходящих из дополнительного патрубка теплоносителя - 700-850°С;

- тепловая мощность топки - 18 МВт;

- давление внутри топки - 6,5-8 кПа;

- расход природного газа на топку - до 1850 м³/ч.

Таким образом, изобретение позволяет получить два потока теплоносителя от одного устройства с требуемыми для сушки зернистых материалов характеристиками, при этом оставаясь нефутерованным топочным устройством.

Изобретение относится к топочным устройствам сушильных и нагревательных печей, работающих на газообразном топливе. Двухпоточная нефутерованная топка содержит корпус и коаксиально установленную в нем камеру сгорания с образованием зазора между ними, раструб и конфузор с торцов корпуса, горелочный узел, выполненный в виде установленной на входе в камеру сгорания диафрагмы с отверстиями для размещения за ними газовых горелок, вдоль периметра диафрагмы установлены поворотные заслонки, взрывной клапан, установленный на верхней грани корпуса. Топка снабжена дополнительным патрубком отбора теплоносителя, установленным на верхней грани корпуса и заключенным в воздухоохлаждаемую рубашку. Дополнительный патрубок снабжен сопловыми элементами, а в зазоре между корпусом и камерой сгорания в зоне установки патрубков взрывного клапана и дополнительного патрубка отбора теплоносителя установлен защитный экран, который имеет выпуск под верхней гранью конфузора. Изобретение позволяет обеспечить второй полноценный поток теплоносителя. 4 ил.

Двухпоточная нефутерованная топка, содержащая корпус и коаксиально установленную в нем камеру сгорания с образованием зазора между ними, раструб и конфузор с торцов корпуса, горелочный узел, выполненный в виде установленной на входе в камеру сгорания диафрагмы с отверстиями для размещения за ними газовых горелок, вдоль периметра диафрагмы установлены поворотные заслонки, взрывной клапан, установленный на верхней грани корпуса, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным патрубком отбора теплоносителя, установленным на верхней грани корпуса, дополнительный патрубок отбора теплоносителя заключен в воздухоохлаждаемую рубашку, дополнительный патрубок снабжен сопловыми элементами, а в зазоре между корпусом и камерой сгорания в зоне установки патрубков взрывного клапана и дополнительного патрубка отбора теплоносителя установлен защитный экран, который имеет выпуск под верхней гранью конфузора.