RU2756713C1

RU2756713C1 - Recuperative burner block

Info

Publication number: RU2756713C1
Application number: RU2021106636A
Authority: RU
Inventors: Юрий Леонидович Леухин; Павел Денисович Алексеев; Евгений Владимирович Панкратов
Priority date: 2021-03-15
Filing date: 2021-03-15
Publication date: 2021-10-04

Abstract

FIELD: energy.

SUBSTANCE: invention relates to the field of energy. The recuperative-burner block contains a burner and a recuperator with an air supply unit, which includes a flow swirl generator with a tangential air supply pipe, forward and reverse annular air ducts connected through a swirler, serially connected to the flow swirl generator and separated by a partition, while the return duct is connected to to the air manifold connected to the burner, a cylindrical heat-transferring wall, a smoke channel with radiation and convective stages, the latter containing a perforated pipe plugged from the rear end. The inlet part of the perforated pipe is made in the form of an inner quarter of a torus, on the outer surface of which there are protrusions, and on the inner surface of the cylindrical heat-transferring wall there is an annular flow divider.

EFFECT: invention makes it possible to increase the final temperature of the heated air and to increase the thermal efficiency of the proposed device.

1 cl, 5 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 fuel combustion in heating and thermal furnaces.

Известен 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, разделенным цилиндрической перегородкой, а дымовой канал, расположенный соосно воздушным кольцевым каналам и отделенный от внутреннего прямого канала цилиндрической теплопередающей 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.) - аналог.Known recuperative-burner unit containing a burner and a recuperator, placed close to each other in the masonry of the furnace, where the air supply unit containing a swirl generator with a tangentially installed branch pipe is connected in series to the direct (internal) and return (external) air annular channels, separated by a cylindrical a partition, and the smoke channel, located coaxially with the annular air channels and separated from the inner straight channel by a cylindrical heat-transferring wall, contains a radiation and convective stage, the latter containing a perforated pipe plugged from one end (E.N. Saburov, Cyclonic heating devices with intensified convective heat exchange / Arch. State Technical University - Arkhangelsk: North - Western book publishing house, 1995. - 341 p.) - analogue.

Недостатком данного рекуперативно-горелочного блока является его низкая тепловая эффективность.The disadvantage of this recuperative-burner unit is its low thermal efficiency.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является рекуперативно-горелочный блок, имеющий горелку и рекуператор, с подводящим в рекуператор воздух узлом, содержащим генератор закрутки с тангенциальным патрубком подачи воздуха, прямого и обратного кольцевых воздушных каналов, последовательно подключенных к генератору закрутки и разделенных перегородкой, при этом обратный канал подключен к воздушному коллектору, соединенному с горелкой, дымовой канал, расположенный соосно с кольцевыми воздушными каналами, и цилиндрическую теплопередающую стенку, последняя расположена между дымовым и обратным воздушным каналами, прямой и обратный каналы соединяются через завихритель, а разделяющая их перегородка выполнена в виде усеченного конуса, расширяющегося в направлении входного отверстия дымового канала (Патент РФ на изобретение № 2682214, МПК F23L 15/04 (2006.1) от 11.07.2018. Опубл. 15.03.2019 Бюл. №8) - прототип.The closest in technical essence to the proposed invention is a recuperative-burner unit having a burner and a recuperator, with a unit supplying air to the recuperator, containing a swirl generator with a tangential air supply pipe, forward and reverse annular air ducts connected in series to the swirl generator and separated by a partition , while the return channel is connected to the air manifold connected to the burner, the smoke channel located coaxially with the annular air channels, and the cylindrical heat transfer wall, the latter is located between the smoke and return air channels, the direct and return channels are connected through a swirler, and the partition separating them made in the form of a truncated cone expanding in the direction of the inlet of the smoke channel (RF patent for invention No. 2682214, IPC F23L 15/04 (2006.1) from 11.07.2018. Publ. 03/15/2019 Bul. No. 8) - prototype.

Недостатком данного рекуперативно-горелочного блока является его низкая тепловая эффективность из-за того, что в передней части конвективной ступени наблюдается слабая интенсивность теплоотдачи от дымовых газов к теплопередающей цилиндрической стенке.The disadvantage of this recuperative-burner unit is its low thermal efficiency due to the fact that in the front part of the convective stage there is a weak intensity of heat transfer from flue gases to the heat-transferring cylindrical wall.

Задача изобретения - повышение тепловой эффективности рекуперативно-горелочного блока.The objective of the invention is to increase the thermal efficiency of the recuperative-burner unit.

Для достижения этого в рекуперативно-горелочном блоке, имеющем горелку и рекуператор, с подводящим в рекуператор воздух узлом, содержащим генератор закрутки с тангенциальным патрубком подачи воздуха, соединяющихся через завихритель прямого и обратного кольцевых воздушных каналов, последовательно подключенных к генератору закрутки и разделенных перегородкой, при этом обратный канал подключен к воздушному коллектору, соединенному с горелкой, цилиндрическую теплопередающую стенку, дымовой канал с радиационной и конвективной ступенями, причем последняя содержит заглушенную с заднего торца перфорированную трубу, входная часть которой выполнена в форме внутренней четверти тора, а на ее внешней поверхности установлены выступы, кольцевой рассекатель потока, расположенный на внутренней поверхности цилиндрической теплопередающей стенки.To achieve this, in a recuperative-burner block, which has a burner and a recuperator, with an air supply to the recuperator, a unit containing a swirl generator with a tangential air supply branch pipe connected through a swirler of forward and reverse annular air ducts connected in series to the swirl generator and separated by a partition, at the return channel is connected to an air manifold connected to the burner, a cylindrical heat-transfer wall, a smoke channel with radiation and convective stages, the latter containing a perforated pipe plugged from the rear end, the inlet part of which is made in the form of an inner quarter of a torus, and on its outer surface are installed protrusions, annular flow divider located on the inner surface of the cylindrical heat transfer wall.

На фиг. 1 изображен рекуперативно-горелочного блок, продольный разрез; на фиг. 2 - выноска А на фиг.1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг.1; на фиг. 4 - сечение В-В на фиг.1; на фиг. 5 показаны графики, характеризующие последовательное влияние различных конструктивных элементов на изменение коэффициента теплоотдачи по длине части теплопередающей цилиндрической стенки, расположенной в начале конвективной ступени, в направлениях движения потока дымовых газов: линия 20 - для конвективной ступени конструкции прототипа, линия 21 - для конвективной ступени, входная часть которой выполнена в форме внутренней четверти тора, линия 22 - для конвективной ступени, входная часть которой выполнена в форме внутренней четверти тора, а на внешней ее поверхности установлены выступы, линия 23 - для конвективной ступени, входная часть которой выполнена в форме внутренней четверти тора, с выступами на ее поверхности, а на внутренней поверхности теплопередающей стенки расположен кольцевой рассекатель потока.FIG. 1 shows a recuperative burner block, longitudinal section; in fig. 2 - callout A in figure 1; in fig. 3 - section b-b in figure 1; in fig. 4 - section B-B in figure 1; in fig. 5 shows graphs characterizing the sequential effect of various structural elements on the change in the heat transfer coefficient along the length of the part of the heat transfer cylindrical wall located at the beginning of the convective stage, in the directions of the flue gas flow: line 20 - for the convective stage of the prototype design, line 21 - for the convective stage, the inlet part of which is made in the form of an inner quarter of a torus, line 22 is for a convective stage, the inlet part of which is made in the form of an inner quarter of a torus, and projections are installed on its outer surface, line 23 is for a convective stage, the inlet part of which is made in the form of an inner quarter torus, with protrusions on its surface, and an annular flow divider is located on the inner surface of the heat-transferring wall.

На фиг. 5 используются обозначения: α - коэффициент теплоотдачи для случаев исполнения конвективной ступени в предлагаемых конструктивных вариантах; z - продольная координата, отсчитываемая от начала конвективной ступени по направлению движения потока дымовых газов.FIG. 5 the following designations are used: α is the heat transfer coefficient for the cases of the convective stage in the proposed design options; z is the longitudinal coordinate measured from the beginning of the convective stage in the direction of the flue gas flow.

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, соединяющиеся через завихритель 7 и разделенные перегородкой 8, причем обратный канал 6 подключен с противоположной стороны к воздушному коллектору 9, соединенному с горелкой 1, а дымовой канал, расположенный соосно с кольцевыми воздушными каналами 5 и 6, имеет цилиндрическую теплопередающую стенку 10, радиационную 11 и конвективную 12 ступени, при этом последняя содержит заглушенную с заднего торца перфорированную трубу 13, образующую кольцевой канал 14 с теплопередающей стенкой 10, причем передний торец перфорированной трубы 15 выполнен в форме внутренней четверти тора, с выступами 16 на его поверхности, а на внутренней поверхности теплопередающей стенки 10 расположен кольцевой рассекатель потока 17, отделяющего переднюю часть кольцевого канала 14 и образующего совокупность вихревых камер 18.The recuperative-burner unit includes a burner 1 and a recuperator 2, with an air supply unit to the recuperator, containing a flow swirl generator 3 with an air supply pipe 4 located tangentially with respect to the inner surface of the flow swirl generator 3, to which direct 5 and return 6 are connected in series annular air channels connected through a swirler 7 and separated by a partition 8, and the return channel 6 is connected from the opposite side to the air manifold 9 connected to the burner 1, and the smoke channel, located coaxially with the annular air channels 5 and 6, has a cylindrical heat transfer wall 10 , radiation 11 and convective 12 stages, while the latter contains a perforated pipe 13 plugged from the rear end, forming an annular channel 14 with a heat transfer wall 10, and the front end of the perforated pipe 15 is made in the form of an inner quarter of a torus, with protrusions 16 on its surface, and on the inner surface On the heat transfer wall 10, there is an annular flow divider 17, which separates the front part of the annular channel 14 and forms a set of vortex chambers 18.

Рекуперативно-горелочный блок работает следующим образом.The recuperative-burner block operates as follows.

Воздух, подводящийся к рекуператору через патрубок 4 тангенциально внутренней поверхности генератора закрутки 3, закручивается, проходит прямой воздушный кольцевой канал 5 и нагревается от его внутренней поверхности - разделяющей воздушные каналы перегородки 8. После чего воздух поворачивается на 180⁰, закручивается в завихрителе 7 и через обратный кольцевой канал 6 и воздушный коллектор 9 направляется в горелку 1. При этом воздух в канале 6 нагревается от цилиндрической теплопередающей стенки 10 и перегородки 8. Через входное отверстие 19 отработанные продукты сгорания с высокой температурой поступают сначала в радиационную ступень 11 дымового канала, а затем с более низкой температурой в конвективную ступень 12. В радиационной ступени 11 дымовые газы передают теплоту теплопередающей цилиндрической стенке 10 преимущественно за счет излучения, а в конвективной ступени 12 - за счет конвекции от закрученного потока дымовых газов, подаваемых в вихревые камеры 18 через первый ряд отверстий, и струйного их истечения из остальных рядов перфорированной трубы 13 на цилиндрическую теплопередающую стенку 10. Охлажденные дымовые газы удаляются из конвективной ступени по кольцевому каналу 14. Теплопередающая стенка передает часть полученной от дымовых газов теплоты излучением перегородке 8, разделяющей воздушные каналы, и нагревает ее.The air inlet to the recuperator through the pipe 4 the inner surface tangentially swirling generator 3, is twisted, extends straight annular air channel 5 and is heated from its inner surface - separating air baffle channels 8. After that, the air is turned through 180 ^0, is twisted in the swirler through 7 and the return annular channel 6 and the air collector 9 are directed to the burner 1. In this case, the air in the channel 6 is heated from the cylindrical heat-transfer wall 10 and the partition 8. Through the inlet 19, the waste products of combustion with high temperature enter the radiation stage 11 of the smoke channel, and then with a lower temperature to the convective stage 12. In the radiation stage 11, the flue gases transfer heat to the heat-transferring cylindrical wall 10 mainly due to radiation, and in the convective stage 12 - due to convection from the swirling stream of flue gases supplied to the vortex chambers 18 through the first row of holes and their jet outflow from the remaining rows of the perforated pipe 13 onto the cylindrical heat transfer wall 10. The cooled flue gases are removed from the convective stage through the annular channel 14. The heat transfer wall transfers part of the heat received from the flue gases by radiation to the partition 8 separating the air channels and heats it ...

В соответствии с представленными на фиг.5 графиком 20, при входе дымовых газов в перфорированную трубу 13 конструкции прототипа, от его входной кромки происходит образование протяженной отрывной зоны, величина давления в которой ниже, чем в кольцевом канале 14. Это приводит к образованию возвратного течения из кольцевого канала 14 обратно в перфорированную трубу 13 через первый ряд отверстий. В кольцевом канале 14 напротив первого ряда отверстий существует застойная зона, а интенсивность теплоотдачи к цилиндрической теплопередающей стенке 10 в этой области наиболее низкая.In accordance with the graph 20 shown in Fig. 5, when the flue gases enter the perforated pipe 13 of the prototype design, an extended separation zone is formed from its input edge, the pressure in which is lower than in the annular channel 14. This leads to the formation of a return flow from the annular channel 14 back to the perforated pipe 13 through the first row of holes. There is a stagnant zone in the annular channel 14 opposite the first row of holes, and the intensity of heat transfer to the cylindrical heat transfer wall 10 in this area is the lowest.

При выполнении входной части перфорированной трубы в форме внутренней четверти тора наблюдается плавный вход дымовых газов в перфорированную трубу, ликвидируется зона отрыва потока, повышается давление дымовых газов в перфорированной трубе около первого ряда отверстий, возникает струйное истечение газов из перфорированной трубы в кольцевой канал 14 и коэффициент теплоотдачи на цилиндрической теплопередающей стенке 10 напротив первого ряда отверстий повышается в 3…3,5 раза (линия 21).When the inlet part of the perforated pipe is made in the form of an inner quarter of the torus, a smooth entrance of flue gases into the perforated pipe is observed, the flow separation zone is eliminated, the pressure of flue gases in the perforated pipe increases near the first row of holes, there is a jet outflow of gases from the perforated pipe into the annular channel 14 and the coefficient heat transfer on the cylindrical heat transfer wall 10 opposite the first row of holes increases 3 ... 3.5 times (line 21).

Установка выступов 16 перед отверстиями первого ряда уменьшает кинетическую энергию потока дымовых газов у первого ряда отверстий, за счет этого повышается его давление за выступами, улучшается проточность дымовых газов через первый ряд отверстий, увеличивается скорость истечения струй на цилиндрическую теплопередающую стенку 10. Коэффициент теплоотдачи на ее поверхности в области воздействия первого ряда струй увеличивается по сравнению с прототипом от 3,5 до 10 раз (линия 22).Installation of protrusions 16 in front of the holes of the first row reduces the kinetic energy of the flue gas flow at the first row of holes, thereby increasing its pressure behind the protrusions, improving the flow of flue gases through the first row of holes, increasing the flow rate of the jets onto the cylindrical heat transfer wall 10. The heat transfer coefficient on it the surface in the area of impact of the first row of jets increases in comparison with the prototype from 3.5 to 10 times (line 22).

При установке на внутренней поверхности цилиндрической теплопередающей стенки в конвективной ступени кольцевого рассекателя потока, отделяющего переднюю часть кольцевого канала 14, образуется совокупность вихревых камер 18. Закручивание дымовых газов приводит к дополнительной интенсификации теплоотдачи на поверхности. В результате по сравнению с прототипом коэффициент теплоотдачи увеличивается здесь от 5,5 до 13 раз (линия 23).When installed on the inner surface of a cylindrical heat transfer wall in the convective stage of the annular flow divider separating the front part of the annular channel 14, a set of vortex chambers 18 is formed. Swirling of flue gases leads to additional intensification of heat transfer on the surface. As a result, in comparison with the prototype, the heat transfer coefficient increases here from 5.5 to 13 times (line 23).

Представленные результаты получены авторами при численном моделировании аэродинамики и теплоотдачи в конвективной ступени рекуперативно-горелочного блока тепловой мощностью 140 кВт в трехмерной постановке с использованием программного комплекса ANSYS Fluent 15.0. Тестирование методики расчетов выполнено по опытным данным, полученным при струйном течении теплоносителя в модульном рекуператоре (Сабуров Э.Н., Осташев С.И., Орехов А.Н., Леухин Ю.Л. и др. Исследование аэродинамики и конвективного теплообмена на натурной модели струйного модульного рекуператора // Промышленная энергетика. 1988. № 6. - С. 33–37). Сопоставление расчетов и экспериментов показало их хорошее совпадение.The presented results were obtained by the authors during numerical modeling of aerodynamics and heat transfer in a convective stage of a recuperative-burner unit with a thermal power of 140 kW in a three-dimensional formulation using the ANSYS Fluent 15.0 software package. Testing of the calculation methodology was carried out according to experimental data obtained with a jet flow of a coolant in a modular recuperator (E.N. Saburov, S.I.Ostashev, A.N. Orekhov, Yu.L. Leukhin, models of jet modular recuperator // Promyshlennaya energetika. 1988. No. 6. - P. 33–37). Comparison of calculations and experiments showed their good agreement.

При выполнении входной части перфорированной трубы в форме внутренней четверти тора и установке плавных выступов перед отверстиями первого ряда, улучшается проточность дымовых газов через первый ряд отверстий, увеличивается скорость натекания струй на цилиндрическую теплопередающую стенку. Установка на внутренней поверхности последней в конвективной ступени кольцевого рассекателя потока, отделяет переднюю часть кольцевого дымового канала и образует совокупность вихревых камер, в которых происходит закручивание потока дымовых газов. Увеличение скорости натекания струй дымовых газов, а также закрутка потока приводят к значительной интенсификации теплоотдачи на цилиндрической теплопередающей поверхности. Все перечисленные мероприятия обеспечат увеличение коэффициента теплопередачи от дымовых газов к нагреваемому воздуху, более высокую конечную температуру нагреваемого воздуха и приведут к повышению тепловой эффективности предлагаемого устройства.When the inlet part of the perforated pipe is made in the form of an inner quarter of a torus and smooth protrusions are installed in front of the holes of the first row, the flow of flue gases through the first row of holes is improved, the speed of the jets flowing onto the cylindrical heat-transfer wall increases. Installation of an annular flow divider on the inner surface of the last in the convective stage, separates the front part of the annular smoke channel and forms a set of vortex chambers in which the flue gas flow swirls. An increase in the flow rate of the flue gas jets, as well as the swirling of the flow, lead to a significant intensification of heat transfer on the cylindrical heat transfer surface. All of the above measures will ensure an increase in the heat transfer coefficient from flue gases to the heated air, a higher final temperature of the heated air and will lead to an increase in the thermal efficiency of the proposed device.

Claims

A recuperative-burner block containing a burner and a recuperator with an air supply unit, including a swirling flow generator with a tangential air supply branch pipe, direct and reverse annular air channels connected through a swirler, serially connected to the swirling flow generator and separated by a partition, while the return channel is connected to the air manifold connected to the burner, a cylindrical heat-transfer wall, a smoke channel with radiation and convective stages, the latter containing a perforated pipe plugged from the rear end, characterized in that the inlet part of the perforated pipe is made in the form of an inner quarter of a torus, on the outer surface of which there are installed protrusions, and an annular flow divider is located on the inner surface of the cylindrical heat-transfer wall.