RU2682202C1

RU2682202C1 - Recuperative burner unit

Info

Publication number: RU2682202C1
Application number: RU2018117155A
Authority: RU
Inventors: Юрий Леонидович Леухин; Евгений Владимирович Панкратов
Priority date: 2018-05-08
Filing date: 2018-05-08
Publication date: 2019-03-15

Abstract

FIELD: fuel combustion devices.SUBSTANCE: invention relates to recuperative devices for heating gas furnaces and can be used for high-temperature heating of air used for burning fuel in heating and thermal furnaces. Recuperative burner unit contains a burner and a heat exchanger with an air supply unit, including a flow swirl generator with a tangential air supply nozzle, forward and reverse annular air channels connected in series to the flow swirl generator, an air collector connected to the burner and a return annular channel, a smoke channel located coaxially with the annular air channels and a heat transfer wall, the heat transfer wall is made in the form of a truncated cone extending in the direction of the inlet of the smoke channel.EFFECT: invention allows to increase the operational reliability of the recuperative-burner unit, and by increasing the final temperature of the heated air to increase the thermal efficiency of the device.1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к рекуперативным устройствам отопления газовых печей и может быть использовано для высокотемпературного подогрева воздуха, используемого для сжигания топлива в нагревательных и термических печах.The invention relates to recuperative devices for heating gas furnaces and can be used for high-temperature heating of air used for burning fuel in heating and thermal furnaces.

Известен рекуперативно-горелочный блок, содержащий горелку и рекуператор, состоящий из обечаек, образующих газовый и воздушный каналы с расположенным в последнем перфорированной перегородкой, наружная обечайка, образующая воздушный канал, выполнена в виде усеченного конуса, а в аксиальном газовом канале установлена дополнительная перфорированная перегородка, причем упомянутые перегородки выполнены в виде усеченных конусов (А.с. 1765625, СССР, МПК F23L 15/04, 1989 г.) - аналогA recuperative-burner unit is known, comprising a burner and a recuperator, consisting of shells forming gas and air channels with a perforated partition located in the latter, the outer shell forming the air channel is made in the form of a truncated cone, and an additional perforated partition is installed in the axial gas channel, moreover, the mentioned partitions are made in the form of truncated cones (A.S. 1765625, USSR, IPC F23L 15/04, 1989) - an analog

Недостатками данного рекуперативно-горелочного блока являются его низкие тепловая эффективность и эксплуатационная надежность.The disadvantages of this regenerative burner block are its low thermal efficiency and operational reliability.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является рекуперативно-горелочный блок, содержащий горелку и рекуператор, размещенные вблизи друг друга в кладке печи, где подводящий воздух узел, содержащий генератор закрутки с тангенциально установленным патрубком, подключен последовательно к прямому -внутреннему и обратному - внешнему воздушным кольцевым каналам, а дымовой канал, расположенный соосно воздушным кольцевым каналам и отделенный от внутреннего канала теплопередающей цилиндрической стенкой, содержит радиационную и конвективную ступени, причем последняя содержит перфорированную трубу, заглушенную с одного торца. (Сабуров Э.Н. Циклонные нагревательные устройства с интенсифицированным конвективным теплообменом / Арх. Гос. техн. ун-т. - Архангельск: Сев. - Зап. кн. изд-во, 1995. - 341 с.) - прототип.The closest in technical essence to the proposed invention is a regenerative-burner unit containing a burner and a recuperator located close to each other in the masonry furnace, where the air supply unit containing a swirl generator with a tangentially installed nozzle is connected in series to the direct-internal and reverse - external air annular channels, and the smoke channel, located coaxially with the air annular channels and separated from the internal channel by a heat transfer cylindrical wall, contains t of radiation and convective steps, the latter containing a perforated pipe plugged from one end. (Saburov E.N. Cyclone heating devices with intensified convective heat transfer / Arch. Gos. Tech. Un-t. - Arkhangelsk: Sev. - Zap. Pr. Publishing house, 1995. - 341 p.) - prototype.

Недостатком данного рекуперативно-горелочного блока является его низкие эксплуатационная надежность и тепловая эффективность, вызванная тем, что интенсивность теплоотдачи от теплопередающей цилиндрической стенки дымового канала к воздушному потоку, движущемуся по внутреннему прямому воздушному каналу, значительно снижается по направлению его течения от генератора закрутки в сторону входного отверстия дымового канала. Низкая интенсивность теплоотдачи от цилиндрической теплопередающей стенки к воздушному потоку в области входного отверстия дымового канала уменьшает тепловую эффективность рекуперативно-горелочного блока, приводит к перегреву и разрушению его наиболее термически напряженного участка.The disadvantage of this regenerative burner block is its low operational reliability and thermal efficiency, due to the fact that the heat transfer from the heat-transferring cylindrical wall of the smoke channel to the air flow moving along the internal direct air channel is significantly reduced in the direction of its flow from the swirl generator towards the input smoke channel openings. The low heat transfer rate from the cylindrical heat transfer wall to the air flow in the area of the inlet of the smoke channel reduces the thermal efficiency of the regenerative burner unit, leads to overheating and destruction of its most thermally stressed section.

Задача изобретения - повышение эксплуатационной надежности и тепловой эффективности рекуперативно-горелочного блока.The objective of the invention is to increase the operational reliability and thermal efficiency of the regenerative burner block.

Для достижения этого в рекуперативно-горелочном блоке, имеющем горелку и рекуператор, с узлом подводки воздуха, содержащем генератор закрутки с тангенциальным патрубком подачи воздуха, прямого и обратного кольцевых воздушных каналов, последовательно подключенных к генератору закрутки, при этом обратный канал подключен к воздушному коллектору, соединенному с горелкой, дымовой канал, расположенный соосно с кольцевыми воздушными каналами, и теплопередающую стенку, последняя выполнена в виде усеченного конуса, расширяющегося в направлении входного отверстия дымового канала.To achieve this, in a recuperative-burner unit having a burner and a recuperator, with an air supply unit containing a swirl generator with a tangential air supply pipe, forward and reverse annular air channels connected in series to the swirl generator, while the return channel is connected to the air manifold, connected to the burner, a smoke channel located coaxially with the annular air channels, and a heat transfer wall, the latter is made in the form of a truncated cone, expanding in a directional and flue inlet.

На фиг. 1 изображен рекуперативно-горелочный блок, продольный разрез; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1.In FIG. 1 shows a regenerative burner block, a longitudinal section; in FIG. 2, section AA in FIG. one.

Рекуперативно-горелочный блок включает горелку 1 и рекуператор 2, с узлом подвода воздуха в рекуператор, содержащий генератор 3 закрутки потока с патрубком 4 подачи воздуха, расположенным тангенциально по отношению к внутренней поверхности генератора 3 закрутки потока, к которому последовательно подключены прямой 5 и обратный 6 кольцевые воздушные каналы, причем обратный канал 6 подключен с противоположной стороны к воздушному коллектору 7, соединенному с горелкой 1, а дымовой канал, расположенный соосно с кольцевыми воздушными каналами 5 и 6, имеет радиационную 8 и конвективную 9 ступени, при этом последняя содержит перфорированную, заглушенную с заднего торца трубу 10, и кроме этого рекуперативно-горелочный блок снабжен теплопередающей стенкой 11 дымового канала, выполненной в виде усеченного конуса, расширяющегося в направлении входного отверстия 12.The recuperative-burner unit includes a burner 1 and a recuperator 2, with a unit for supplying air to the recuperator, comprising a flow swirl generator 3 with an air supply nozzle 4 located tangentially with respect to the inner surface of the flow swirl generator 3, to which a straight 5 and a return 6 are connected in series ring air channels, the return channel 6 being connected from the opposite side to the air collector 7 connected to the burner 1, and the smoke channel located coaxially with the ring air channels 5 and 6, has a radiation 8 and convective 9 stages, while the latter contains a perforated pipe muffled from the rear end, and in addition, the regenerative burner unit is equipped with a heat transfer wall 11 of the smoke channel made in the form of a truncated cone expanding in the direction of the inlet 12.

На фиг. 3 показаны графики изменения по длине прямого кольцевого воздушного канала относительного коэффициента теплоотдачи на его внутренней поверхности - теплопередающей стенке дымового канала (линия 13) и внешней поверхности (линия 14).In FIG. Figure 3 shows graphs of the change in the length of the direct annular air channel of the relative heat transfer coefficient on its inner surface — the heat transfer wall of the smoke channel (line 13) and the outer surface (line 14).

На фиг. 3 используются обозначения: α_к - коэффициент теплоотдачи для случая исполнения теплопередающей стенки дымового канала в виде расширяющегося усеченного конуса, α_ц - коэффициент теплоотдачи для случая исполнения стенки дымового канала, как в прототипе, в виде цилиндра, z - продольная координата, отсчитываемая от начала прямого кольцевого воздушного канала по направлению к входному отверстию дымового канала, d₁ и d₂ - внутренний и наружный диаметры прямого кольцевого воздушного канала в сечении подключения его к генератору закрутки.In FIG. 3, the following notation is used: α _k - heat transfer coefficient for the case of the heat transfer wall of the smoke channel in the form of an expanding truncated cone, α _c - heat transfer coefficient for the case of the execution of the wall of the smoke channel, as in the prototype, in the form of a cylinder, z - longitudinal coordinate counted from the beginning direct annular air channel towards the inlet of the smoke channel, d ₁ and d ₂ are the inner and outer diameters of the direct annular air channel in the cross section of connecting it to the swirl generator.

Рекуперативно-горелочный блок работает следующим образом.Recuperative-burner unit operates as follows.

Воздух, подводящийся к рекуператору 2 через патрубок 4 тангенциально внутренней поверхности генератора закрутки 3, закручивается, проходит прямой воздушный кольцевой канал 5 и нагревается от его внутренней поверхности - теплопередающей стенки 11 дымового канала, после чего воздух поворачивается на 180° и через обратный кольцевой канал 6 и воздушный коллектор 7 направляется в горелку 1. Через входное отверстие 12 отработанные продукты сгорания с высокой температурой поступают сначала в радиационную ступень 8 дымового канала, а затем с более низкой температурой в конвективную ступень 9. В радиационной ступени дымовые газы передают теплоту нагреваемому воздуху через теплопередающую стенку 11 дымового канала, преимущественно за счет излучения, а в конвективной ступени - конвекцией за счет струйного истечения дымовых газов из перфорированной трубы 10 на теплопередающую стенку 11.The air supplied to the recuperator 2 through the nozzle 4 of the tangentially inner surface of the swirl generator 3 is twisted, a direct air annular channel 5 passes and is heated from its inner surface - the heat transfer wall 11 of the smoke channel, after which the air rotates through 180 ° through the reverse ring channel 6 and the air collector 7 is directed to the burner 1. Through the inlet 12, the exhausted high temperature combustion products first enter the radiation stage 8 of the smoke channel, and then from no more Coy temperature in convective stage 9. The stage radiation heat of the flue gases pass the heated air through the heat transfer wall 11 of the flue duct, mainly due to radiation and convection in stage - due to convection jet expiration of flue gases from the perforated pipe 10 to the heat transfer wall 11.

В соответствии с представленными на фиг. 3 графиками, при выполнении теплопередающей стенки дымового канала в виде расширяющегося в направлении входного отверстия усеченного конуса, коэффициенты теплоотдачи на обеих поверхностях прямого кольцевого воздушного канала увеличиваются в этом же направлении, по сравнению с прототипом, из-за возрастания скорости и турбулентности закрученного воздушного потока при его движении от генератора закрутки к входному отверстию дымового канала. Причем теплоотдача на внутренней поверхности прямого воздушного кольцевого канала - стенке дымового канала, увеличивается более интенсивно (линия 13), чем на внешней поверхности (линия 14). Вблизи выходного сопла увеличение теплоотдачи на внешней поверхности составляет 11%, а на стенке дымового канала 98%.In accordance with FIG. 3 graphs, when performing the heat transfer wall of the smoke channel in the form of a truncated cone expanding in the direction of the inlet opening, the heat transfer coefficients on both surfaces of the straight annular air channel increase in the same direction, compared with the prototype, due to the increase in the speed and turbulence of the swirling air flow at its movement from the swirl generator to the inlet of the smoke channel. Moreover, the heat transfer on the inner surface of the direct air annular channel - the wall of the smoke channel, increases more intensively (line 13) than on the outer surface (line 14). Near the exit nozzle, the increase in heat transfer on the outer surface is 11%, and on the wall of the smoke channel 98%.

Представленные результаты получены авторами при численном моделировании аэродинамики и теплоотдачи на поверхностях кольцевого канала (Yu. L. Leukhin, Е. V. Pankratov and S. V. Karpov. Investigation into aerodynamic and heat transfer of annular channel with inner and outer surface of the shape truncated cone and swirling fluid flow. / IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 891 (2017) 012143), причем для прототипа расчеты протестированы на опытных данных и хорошо с ними согласуются (Леухин Ю.Л., Сабуров Э.Н. Исследование аэродинамики и теплоотдачи в кольцевых каналах циклонных рекуператоров. Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. №1(12), 2013. - С. 123-129).The presented results were obtained by the authors in the numerical simulation of aerodynamics and heat transfer on the surfaces of the annular channel (Yu. L. Leukhin, E. V. Pankratov and SV Karpov. Investigation into aerodynamic and heat transfer of annular channel with inner and outer surface of the shape truncated cone and swirling fluid flow. / IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 891 (2017) 012143), and for the prototype, the calculations are tested on experimental data and are in good agreement with them (Leukhin Yu.L., Saburov E.N. Research aerodynamics and heat transfer in the annular channels of cyclone recuperators Modern science: research, ideas, results, technology ogy №1 (12), 2013 - pp. 123-129).

Значительное увеличение коэффициента теплоотдачи на наиболее термически напряженном участке теплопередающей стенки 11 дымового канала, особенно вблизи его входного отверстия 12, позволит, за счет более эффективного охлаждения ее закрученным потоком воздуха, существенно снизить ее максимальную температуру и, следовательно, повысить эксплуатационную надежность рекуперативно-горелочного блока. Также интенсификация теплоотдачи на поверхностях прямого воздушного канала увеличит конечную температуру нагреваемого воздуха и приведет к повышению тепловой эффективности предлагаемого устройства.A significant increase in the heat transfer coefficient in the most thermally stressed section of the heat transfer wall 11 of the smoke channel, especially near its inlet 12, will allow, due to more efficient cooling with a swirling air stream, to significantly reduce its maximum temperature and, therefore, increase the operational reliability of the regenerative burner unit . Also, the intensification of heat transfer on the surfaces of the direct air channel will increase the final temperature of the heated air and will increase the thermal efficiency of the proposed device.

Claims

A recuperative-burner unit containing a burner and a recuperator with an air supply unit, including a flow swirl generator with a tangential air supply pipe, forward and reverse annular air channels connected in series to the flow swirl generator, an air manifold connected to the burner and the reverse ring channel, smoke a channel located coaxially with the annular air channels and a heat transfer wall, characterized in that the heat transfer wall is made in the form of a truncated cone, expanding axis towards the inlet of the smoke channel.