RU2378573C1

RU2378573C1 - Recuperative burner for gaseous fuel

Info

Publication number: RU2378573C1
Application number: RU2008137888/06A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Михайлович Дружинин (RU); Геннадий Михайлович Дружинин; Николай Борисович Лошкарев (RU); Николай Борисович Лошкарев; Михаил Рудольфович Барташ (RU); Михаил Рудольфович Барташ; Алексей Борисович Попов (RU); Алексей Борисович Попов; Ильшат Маулитович Хамматов (RU); Ильшат Маулитович Хамматов
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2010-01-10

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: invention relates to heat engineering, can be used for burning of gaseous fuel during the process of heating of working space of industrial furnaces and other thermal aggregates. Technical result is achieved in recuperative burner for gaseous fuel, containing casing, located in casing with annular gap pipe of primary air, combustion chamber, heat exchanger, implemented of pipe bundle, provided for combustion materials, herewith pipes of heat exchanger pass through mounted between casing and pipe of primary air helical spiral for air direction, washing heat exchanger pipes.

EFFECT: increasing of air warming temperature and reduction of fuel consumption.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для сжигания газообразного топлива в процессе обогрева рабочего пространства промышленных печей и других тепловых агрегатов.The invention relates to heat engineering and can be used to burn gaseous fuel in the process of heating the working space of industrial furnaces and other thermal units.

Известна рекуперативная горелка для сжигания газообразного или жидкого топлива (SU 1400519, публ. 1988 г.) /1/. Горелка содержит воздухоподающий корпус, размещенную в корпусе с кольцевым зазором трубу первичного воздуха, камеру сгорания с выходным соплом, соединенную с топливной трубой, подключенной к топливному патрубку. В зазоре между трубой первичного воздуха и вокруг камеры сгорания смонтирована обечайка, образующая внутреннюю и наружную кольцевые полости рекуператора. Конструктивное решение известной горелки направлено в основном на снижение образования окислов азота в продуктах сгорания. При этом конструкция горелки неэффективна с точки зрения использования теплоты продуктов сгорания топлива, т.к. для интенсификации теплообмена между продуктами сгорания и воздухом, подаваемым на горение, в ней использована игольчатая теплообменная поверхность трубы первичного воздуха. В данном конструктивном варианте использование игольчатых поверхностей для интенсификации теплообмена оказывается малоэффективным, поскольку при таком способе интенсификации коэффициенты теплоотдачи возрастают сколь-либо существенно только при числах Рейнольдса выше 5000 (см. В.М.Антуфьев. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева. - M. - Л.: Энергия, 1966, 184 стр. с рис.). В рекуперативных же горелках, с их сравнительно малыми размерами и низкими скоростями движения воздуха и продуктов сгорания, проблематично обеспечить числа Рейнольдса, превышающие 1000.Known regenerative burner for burning gaseous or liquid fuels (SU 1400519, publ. 1988) / 1 /. The burner comprises an air supply housing, a primary air pipe placed in the housing with an annular gap, a combustion chamber with an output nozzle connected to a fuel pipe connected to the fuel pipe. In the gap between the primary air pipe and around the combustion chamber, a shell is formed that forms the inner and outer annular cavities of the recuperator. The structural solution of the known burner is mainly aimed at reducing the formation of nitrogen oxides in the combustion products. Moreover, the design of the burner is ineffective from the point of view of using the heat of the combustion products of fuel, because to intensify heat transfer between the combustion products and the air supplied to the combustion, it uses a needle heat exchange surface of the primary air pipe. In this constructive embodiment, the use of needle surfaces for heat transfer intensification is ineffective, since with this method of intensification the heat transfer coefficients increase only significantly at Reynolds numbers above 5000 (see V.M. Antufiev. Efficiency of various forms of convective heating surfaces. - M. - L.: Energy, 1966, 184 pp. With the picture). In recuperative burners, with their relatively small sizes and low speeds of air and combustion products, it is problematic to provide Reynolds numbers in excess of 1000.

Более эффективным средством интенсификации теплообмена обладает теплообменный блок, которым оснащена рекуперативная горелка (SU 1684570, публ. 1991 г.) /2/. Известная горелка содержит размещенные в керамическом блоке коаксиально установленные топливный трубопровод, воздушный патрубок и теплообменный блок с кольцевыми зазорами между ними. Теплообменный блок выполнен в виде дымовых и воздушных труб, скрепленных между собой, установленных в шахматном порядке и снабженных отверстиями, расположенными в полостях между соседними трубами. При этом отверстия в воздушных трубах обращены к оси горелки, а в дымовых трубах - к периферии керамического блока.A more efficient means of intensifying heat transfer is the heat exchange unit, which is equipped with a regenerative burner (SU 1684570, publ. 1991) / 2 /. Known burner contains placed in a ceramic block coaxially installed fuel pipe, air pipe and heat transfer unit with annular gaps between them. The heat exchange unit is made in the form of chimneys and air pipes fastened together, installed in a checkerboard pattern and equipped with holes located in the cavities between adjacent pipes. The holes in the air pipes are facing the axis of the burner, and in the chimneys - to the periphery of the ceramic block.

Воздух, подаваемый для горения, через отверстия труб в виде системы струй направляется на наружную поверхность внутреннего ряда дымовых труб. Омывая их поверхность в поперечном направлении, воздух поступает во внутреннюю межтрубную полость и, перемещаясь в направлении выходного сопла горелки, через отверстия струйно истекает в полость воздушных труб и далее - на лопатки завихрителя, где, получив вращательное движение, направляется к выходному соплу горелки и смешивается с топливом. Продукты сгорания через каналы, расположенные в кладке печи, далее двигаются вдоль наружной поверхности воздушных труб и струйно истекают в полость труб воздушных. Проходя по этим трубам, продукты сгорания омывают их внутреннюю поверхность и отводятся в дымовой коллектор и далее в трубу. Таким образом, использование известной рекуперативной горелки повышает эффективность теплообмена и снижает расход топлива на нагрев садки за счет многократного натекания воздуха на теплообменную поверхность. Фактором, ограничивающим применение струйного способа интенсификации конвективной составляющей теплообмена в рассматриваемых рекуперативных горелках, является то обстоятельство, что для обеспечения высокой скорости натекания струй на теплообменную поверхность, а значит, и высоких коэффициентов теплообмена, необходимо иметь высокие скорости, а значит, малые диаметры отверстий при небольшом, вполне определенном расстоянии между ними. С другой стороны, при вполне определенных расходах воздуха и продуктов сгорания, зависящих от мощности горелки, количество отверстий оказывается ограниченным. Это исключает возможность увеличения теплообменной поверхности, а значит, и возможность увеличения количество теплоты, передаваемой от продуктов сгорания к подогреваемому воздуху, поскольку увеличение теплообменной поверхности приведет к увеличению количества отверстий, а значит, к снижению скорости струй и эффективности струйного теплообмена.The air supplied for combustion through the openings of the pipes in the form of a system of jets is directed to the outer surface of the inner row of chimneys. Washing their surface in the transverse direction, the air enters the inner annulus and, moving in the direction of the outlet nozzle of the burner, flows through the holes into the cavity of the air pipes and then onto the blades of the swirler, where, after receiving a rotational movement, it goes to the outlet nozzle of the burner and mixes with fuel. The combustion products through the channels located in the masonry of the furnace, then move along the outer surface of the air pipes and flow jet into the cavity of the air pipes. Passing through these pipes, the products of combustion wash their inner surface and are discharged into the smoke collector and further into the pipe. Thus, the use of the known recuperative burner increases the efficiency of heat transfer and reduces fuel consumption for heating the charge due to the multiple leakage of air onto the heat exchange surface. A factor limiting the use of the jet method of intensification of the convective component of heat transfer in the considered regenerative burners is the fact that in order to ensure a high rate of jets flowing onto the heat exchange surface, and hence high heat transfer coefficients, it is necessary to have high speeds, and therefore, small hole diameters at a small, well-defined distance between them. On the other hand, for well-defined air and combustion products, depending on the power of the burner, the number of holes is limited. This excludes the possibility of increasing the heat transfer surface, and hence the possibility of increasing the amount of heat transferred from the combustion products to the heated air, since an increase in the heat transfer surface will lead to an increase in the number of openings, and therefore, to a decrease in the speed of the jets and the efficiency of the jet heat transfer.

Задача настоящего изобретения состоит в разработке конструкции рекуперативной горелки, обеспечивающей повышение эффективности использования тепла отходящих газов и снижение за счет этого расхода топлива на отопление теплотехнических агрегатов.The objective of the present invention is to develop the design of a regenerative burner, which improves the efficiency of use of heat of the exhaust gases and thereby reduce fuel consumption for heating of heating units.

В заявленном решении теплообменник выполнен из пучка труб, предназначенных для прохода продуктов сгорания, трубы теплообменника проходят сквозь смонтированную между корпусом и трубой первичного воздуха винтовую спираль для направления воздуха омывающего трубы теплообменника.In the claimed solution, the heat exchanger is made of a bundle of pipes intended for the passage of combustion products, the heat exchanger pipes pass through a screw spiral mounted between the body and the primary air pipe to direct the air of the heat exchanger washer pipe.

Теплообменник, смонтированный между внутренней стенкой корпуса и наружной поверхностью трубы первичного воздуха, выполнен в виде большого количества труб сравнительно небольшого диаметра, что значительно увеличивает теплообменную поверхность. В отличие от прототипа это цельные, без перфорации, трубы, предназначенные для прохождения только горячих дымовых газов, при этом дымовые газы проходят внутри труб, а воздух - снаружи. В заявленной конструкции трубы теплообменника проходят сквозь смонтированную между корпусом и трубой первичного воздуха винтовую спираль для направления воздуха, омывающего трубы теплообменника. За счет этого конструктивного приема организовано практически поперечное обмывание потоком воздуха наружной поверхности труб теплообменника, что позволяет увеличить скорость потока воздуха и повысить коэффициенты теплоотдачи, а значит, и температуры подогрева воздуха. Внутри теплообменных труб на определенном расстоянии друг от друга вставлены кольца, турбулизирующие поток продуктов сгорания, что приводит к интенсификации теплообмена между продуктами сгорания и стенками трубы и оказывает дополнительное воздействие на повышение температуры подогрева воздуха.The heat exchanger mounted between the inner wall of the housing and the outer surface of the primary air pipe is made in the form of a large number of pipes of relatively small diameter, which significantly increases the heat transfer surface. Unlike the prototype, these are solid pipes without perforation designed to pass only hot flue gases, while the flue gases pass inside the pipes and the air outside. In the claimed design, the heat exchanger pipes pass through a helix mounted between the housing and the primary air pipe to direct the air washing the heat exchanger pipes. Due to this constructive technique, practically transverse washing with an air flow of the outer surface of the heat exchanger tubes is organized, which allows to increase the air flow rate and increase the heat transfer coefficients, and hence the air heating temperature. Rings are inserted inside the heat exchange tubes at a certain distance from each other, which turbulent the flow of combustion products, which leads to intensification of heat exchange between the combustion products and the pipe walls and has an additional effect on increasing the temperature of the air heating.

Таким образом, новый технический результат, который может быть достигнут при использовании заявленной конструкции горелки, заключается в повышении количества теплоты, отбираемой у дымовых газов, и передаче ее воздуху, идущему на горение, что, соответственно, приводит к повышению температуры подогрева воздуха и снижению расхода топлива.Thus, a new technical result that can be achieved by using the claimed burner design is to increase the amount of heat taken from the flue gases and transfer it to the combustion air, which, accordingly, leads to an increase in the temperature of the air heating and lower consumption fuel.

Заявленная горелка иллюстрируется чертежом. Горелка содержит воздушный коллектор 1 с патрубками подвода воздуха 2 и отвода продуктов сгорания 3, теплообменник, содержащий пучок труб 4, газовое сопло 5, керамическую камеру сгорания 6, электрод розжига и контроля пламени 7, коллектор подвода газа 8. Трубы теплообменника проходят сквозь винтовую спираль 9. Внутри теплообменных труб 4 вставлены турбулизирующие кольца 10. Для предотвращения перегрева внутреннего пространства горелки камера сгорания отделена от этого пространства прокладкой 11 из керамического огнеупорного волокна. Для компенсации температурных расширений, возникающих при разогреве камеры сгорания 6, в воздушном коллекторе 1 установлен сильфон 12, соединенный с коллектором подвода газа 8 газовым патрубком 13. Горелка имеет дымовой коллектор 14. Трубы теплообменника закрыты наружным кожухом 15 и внутренней обечайкой 16.The claimed burner is illustrated in the drawing. The burner contains an air manifold 1 with nozzles for supplying air 2 and exhaust of combustion products 3, a heat exchanger containing a bundle of pipes 4, a gas nozzle 5, a ceramic combustion chamber 6, an ignition and flame control electrode 7, a gas supply manifold 8. Heat exchanger pipes pass through a spiral spiral 9. Inside the heat exchange tubes 4, turbulent rings are inserted 10. To prevent overheating of the internal space of the burner, the combustion chamber is separated from this space by a lining 11 made of ceramic refractory fiber. To compensate for the temperature expansion that occurs when the combustion chamber 6 is heated up, a bellows 12 is installed in the air manifold 1, which is connected to the gas supply manifold 8 by a gas pipe 13. The burner has a smoke manifold 14. The heat exchanger pipes are closed by the outer casing 15 and the inner shell 16.

Принцип работы скоростной рекуперативной горелки (скорость истечения продуктов сгорания свыше 150 м/с) основан на двухстадийном сжигании топлива. На первой стадии в камеру сгорания 6 подается 100% топлива и около 40% воздуха, необходимого для горения, поэтому топливо здесь сгорает с недостатком кислорода при сравнительно низких температурах, несмотря на значительный подогрев воздуха. Недостаток кислорода и низкие температуры на первой стадии сжигания топлива не позволяют образовываться в камере сгорания оксидам азота. Стабилизатором горения на первой стадии сжигания топлива служат разогретые стенки камеры сгорания. Остальная часть топлива сжигается на второй стадии, в струе горячих продуктов сгорания, выходящих из сопла камеры сгорания. При этом воздух на дожигание топлива подается через кольцевой зазор между соплом камеры сгорания и торцевой стенкой горелки. Таким образом, горячая струя, содержащая несгоревшее топливо, распространяется в окружении потока воздуха и в присутствии продуктов сгорания, что обеспечивает полное дожигание топлива при сравнительно низких температурах, вследствие чего уменьшается образование оксидов азота NO_x на первой и второй стадиях горения. Такая схема позволяет стабилизировать горение на второй стадии и сжигать топливо в струе, распространяющейся с большой скоростью. При этом сжигание газа осуществляют в среде воздуха за счет теплоты отходящих продуктов сгорания.The principle of operation of a high-speed recuperative burner (the rate of expiration of combustion products over 150 m / s) is based on two-stage combustion of fuel. At the first stage, 100% of the fuel and about 40% of the air necessary for combustion are supplied to the combustion chamber 6, therefore, the fuel burns here with a lack of oxygen at relatively low temperatures, despite the significant heating of the air. Lack of oxygen and low temperatures in the first stage of fuel combustion do not allow nitrogen oxides to form in the combustion chamber. The combustion stabilizer in the first stage of fuel combustion is the heated walls of the combustion chamber. The rest of the fuel is burned in the second stage, in a stream of hot combustion products leaving the nozzle of the combustion chamber. In this case, air is supplied to the fuel afterburning through the annular gap between the nozzle of the combustion chamber and the end wall of the burner. Thus, a hot stream containing unburned fuel spreads in an environment of an air stream and in the presence of combustion products, which ensures complete combustion of the fuel at relatively low temperatures, thereby reducing the formation of nitrogen oxides NO _x in the first and second stages of combustion. Such a scheme makes it possible to stabilize combustion in the second stage and burn fuel in a jet propagating at high speed. In this case, gas combustion is carried out in an air environment due to the heat of the exhaust combustion products.

Подогрев воздуха осуществляется в рекуператоре. При этом все дымовые газы, находящиеся в рабочем пространстве агрегата, просасываются через теплообменные трубы 4 теплообменника с помощью эжектора или дымососа. Турбулизирующие кольца 10 интенсифицируют конвективный теплообмен между дымовыми газами и внутренними стенками теплообменных труб. Отдав тепло стенкам труб теплообменника, продукты сгорания поступают в дымовой коллектор 14, а затем удаляются в дымовую трубу через патрубок 3. Для равномерного распределения дымовых газов по трубам теплообменника дымовой коллектор 14 выполнен в виде кольцевой полости переменной высоты. Воздух в горелку подается вентилятором в воздушный коллектор 1 тангенциально через патрубок 2, омывает со всех сторон дымовой коллектор, снимая с него дополнительно теплоту и охлаждая наружный корпус горелки. После этого воздух попадает в спиралевидный канал с теплообменными трубами, образованный наружным кожухом 15, внутренней обечайкой 16 и винтовой спиралью 9. Таким образом, воздух омывает наружные поверхности теплообменных труб практически поперечно, что значительно интенсифицирует конвективный теплообмен на воздушной стороне. Кроме того, спиралевидный канал имеет значительно меньшее сечение для прохода воздуха, а значит, воздух будет иметь большую скорость и коэффициенты конвективного теплообмена на воздушной стороне теплообменника будут выше, чем при продольном омывании теплообменных труб. За счет увеличения теплообменной поверхности и интенсификации конвективного теплообмена на дымовой и воздушной сторонах эффективность предложенной конструкции теплообменника будет значительно выше, чем у аналогов.Air heating is carried out in the recuperator. In this case, all the flue gases located in the working space of the unit are sucked through the heat exchange pipes 4 of the heat exchanger using an ejector or smoke exhaust. Turbulent rings 10 intensify convective heat transfer between flue gases and the inner walls of the heat exchanger tubes. Having given heat to the walls of the pipes of the heat exchanger, the combustion products enter the smoke collector 14, and then are removed into the chimney through the pipe 3. For uniform distribution of flue gases through the pipes of the heat exchanger, the smoke collector 14 is made in the form of an annular cavity of variable height. Air is supplied to the burner by a fan into the air collector 1 tangentially through the pipe 2, washes the smoke collector from all sides, removing additional heat from it and cooling the outer case of the burner. After that, the air enters the spiral channel with heat exchange tubes formed by the outer casing 15, the inner shell 16 and the helical spiral 9. Thus, the air washes the outer surfaces of the heat exchanger tubes almost transversely, which significantly intensifies convective heat transfer on the air side. In addition, the spiral channel has a much smaller cross section for the passage of air, which means that the air will have a higher speed and the convective heat transfer coefficients on the air side of the heat exchanger will be higher than when longitudinally washing the heat exchanger pipes. Due to the increase in the heat exchange surface and the intensification of convective heat transfer on the smoke and air sides, the efficiency of the proposed design of the heat exchanger will be significantly higher than that of analogues.

Экспериментальные испытания конструкции заявленной горелки показали ее возможности получать температуру подогрева воздуха, подаваемого на горение до 800°С при температуре продуктов сгорания в печи 1100°С.Experimental tests of the design of the claimed burner showed its ability to obtain a temperature for heating the air supplied to the combustion to 800 ° C at a temperature of combustion products in the furnace 1100 ° C.

Claims

1. A recuperative burner for gaseous fuel, comprising a housing, a primary air pipe placed in a housing with an annular gap, a combustion chamber, a heat exchanger made of a bundle of pipes intended for combustion products, the heat exchanger tubes passing through a spiral spiral mounted between the housing and the primary air pipe to direct the air washing the heat exchanger pipes.

2. The regenerative burner according to claim 1, characterized in that turbulent rings are mounted inside the tubes of the heat exchanger.