Струминно-вихровий рекуперативний пальник

Реферат: Струминно-вихровий рекуперативний пальник включає розміщену в центральному отворі вхідної кільцевої перфорованої дошки трубу подачі окисника із співвісним патрубком паливоподачі та завихрювачем. Додатково оснащений встановленою в центральному отворі перфорованої дошки рифленою випромінюючою вогнетривкою трубою. Всередині вогнетривкої труби співвісно встановлена зовнішня нагрівна труба з коаксіально розташованою всередині трубою подачі окисника із співвісним патрубком паливоподачі, яка виконана із розміщеними по всій довжині гвинтовими поперечними статичними лопатями-завихрювачами прямокутної, трикутної, трапецоїдної, серпоподібної форми або у формі складної гвинтової крильчатки. По всій довжині труби подачі окисника розміщені по спіралі отвори-сопла. UA 112254 C2 (12) UA 112254 C2 UA 112254 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до пальникових пристроїв високотемпературних нагрівальних і термічних пічних агрегатів, з роздільною подачею газоподібного (рідкого, пиловугільного) палива та окисника (повітря). Пальник може бути використаний у різних галузях промисловості: в металургії, хімічній промисловості в печах термічних ділянок та ділянок гартування ливарних цехів, для печей допоміжних хімічних виробництв у контурі підприємств великої металургії. Відомий вихровий пальник [Патент РФ № 2308645 С2, опубл. 20.10.2007, МПК F23D 14/24], який включає зовнішню трубку паливоподачі із співвісно встановленою всередині центральною трубкою подачі окисника. Всередині трубки подачі окисника у вихідному кінці коаксіально встановлено направляюче тіло і погано обтічне тіло, останнє виконано із куполоподібним кінцем на вході і конічним кінцем на виході. Перпендикулярно до осі зовнішньої трубки паливоподачі у вихідному кінці розміщений завихрювач із внутрішніми та зовнішніми статичними лопатями. При цьому внутрішні лопаті завихрювача є інтегральною частиною погано обтічного тіла, а зовнішні лопаті завихрювача є інтегральною частиною направляючого тіла. Внутрішні лопаті завихрювача розташовані вздовж трубки подачі окисника. Трубка паливоподачі та трубка подачі окисника на вихідному кінці виконані із закругленням у формі верхівкового кута. 9 Відомий рекуператор [Патент України № 104396 С2, опубл. 27.01.2014, МПК F28D 1/04, F23L 15/04], який включає вхідний повітряний короб, встановлений у ніші димоходу в горизонтальній або вертикальній стінці, виконаний із відкритою вхідною стінкою-дифузором та перфорованою вихідною стінкою. У протилежній стінці димоходу в ніші встановлений вихідний короб, виконаний із вхідною перфорованою стінкою і вихідним повітроводом. Між розташованими в нішах димаря вхідним та вихідним коробами у димоході розміщені пучки зовнішніх нагрівних труб, які розташовані в шаховому порядку. Один кінець пучка нагрівних труб розміщений в отворах вхідної перфорованої стінки повітряного короба, протилежний кінець цього пучка розміщений в отворах вхідної перфорованої стінки вихідного короба. Всередині нагрівних труб коаксіально встановлені внутрішні повітряні труби. По всій довжині внутрішніх труб по спіралі виконана перфорація (отвори-сопла круглої, прямокутної або еліптичної форми однакового або різного діаметра). Вздовж внутрішньої повітряної перфорованої труби в проміжку між нею і нагрівною трубою по всій довжині встановлені розпірки-завихрювачі прямокутної, трикутної або трапецоїдної форми, встановлені під гострим кутом до осі труб. Вихідні кінці внутрішніх повітряних труб закриті наглухо кришками. Відомий рекуперативний пальник [Авторське свідоцтво СССР № 1684570 А1, опубл. 5 15.10.1991, МПК F23D 14/00], який включає циліндричний корпус, на вході закритий вхідною перфорованою трубною дошкою із центральним та радіальними отворами, а з протилежного боку - вихідною трубною дошкою також із центральним та радіальними отворами. До вихідного кінця корпусу приєднана камера завихрювача, виконана у вигляді зрізаного конуса із центральним отвором-соплом і приєднана до пальникового каменю. Всередині корпуса коаксіально осі пальника в центральному отворі вхідної перфорованої трубної дошки розміщений перфорований повітряний патрубок із заглушеним вихідним кінцем, розміщений в центральному отворі вихідної перфорованої трубної дошки. Всередині перфорованого повітряного патрубка коаксіально встановлений паливний трубопровід із паливною насадкою та лопатковим завихрювачем на вихідному кінці, розміщеним співвісно із зазором у камері завихрювача. У радіальних отворах вхідної перфорованої трубної дошки із зазором ззовні перфорованого повітряного патрубка співвісно розміщені вхідні кінці перфорованих димових труб, а вихідні заглушені кінці перфорованих димових труб приєднані до вихідної трубної дошки. Осі отворів перфорованих димових труб розташовані радіально. Ззовні перфорованих димових труб коаксіально з пальником із зазором розміщені перфоровані повітряні труби, вхідні заглушені кінці яких приєднані до вхідної перфорованої трубної дошки, а вихідні кінці розміщені у радіальних отворах вихідної перфорованої трубної дошки. Осі отворів повітряних перфорованих труб розташовані радіально. При цьому перфоровані димові труби та повітряні перфоровані труби розміщені у шаховому порядку та з'єднані між собою бічними поверхнями. У вхідній частині пальника розміщені технологічні патрубки: впускний повітряний, впускний паливний та випускний патрубок димових газів. У відомих пальниках центральна трубка подачі окисника, що розміщена співвісно всередині зовнішньої паливної трубки, піддається безпосередній дії високотемпературної пічної атмосфери, що вимагає застосування жароміцних легованих сталей. Крім того, вказане розміщення паливної трубки та центральної трубки подачі окисника робить пальниковий пристрій неуніверсальним за спалюваним паливом із можливістю застосування виключно газоподібних палив. Складна система розміщених у шаховому порядку димових та повітряних перфорованих труб з отворами-соплами, розміщеними радіально, істотно ускладнює та здорожує пальниковий пристрій, робить його складним при збиранні та обслуговуванні, 1 UA 112254 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 збільшує габарити пальника, а у разі прориву з'єднання між димовими і повітряними трубами або виходу труби із ладу підсос димових газів може призвести до порушення режиму горіння факела або аварії. Крім того, у відомих пристроях конструктивно неможливе встановлення інтегрованого рекуперативного теплообмінника, оскільки пальник розміщений в кладці печі без винесення в робочий простір печі. В основу винаходу поставлена задача удосконалення струминно-вихрового пальника, у якому в результаті встановлення у центральному отворі кільцевої перфорованої дошки рифленої випромінюючої вогнетривкої труби, всередині якої співвісно встановлена зовнішня нагрівна труба з коаксіально установленою всередині внутрішньою трубою подачі окисника, виконаною із гвинтовими поперечними статичними лопатями-завихрювачами та отворамисоплами по усій довжині, розташованими по спіралі, забезпечується одночасне охолодження пальника та рекуперація тепла відхідних продуктів згорання пальникового факела із одночасним підігріванням повітря дуття, і за рахунок цього досягається стабільність горіння факела полум'я та подавляння NOx у продуктах згоряння, а також зниження витрати палива, металоємкості та габаритів пальника, спрощення і здешевлення його конструкції, причому можлива робота пальника в імпульсному режимі. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що струминно-вихровий рекуперативний пальник, який включає розміщену в центральному отворі вхідної кільцевої перфорованої дошки трубу подачі окисника із співвісним патрубком паливоподачі, а також завихрювачем, згідно з винаходом, оснащений встановленою в центральному отворі перфорованої дошки рифленою випромінюючою вогнетривкою трубою, всередині якої співвісно встановлена зовнішня нагрівна труба з коаксіально розташованою всередині трубою подачі окисника із співвісним патрубком паливоподачі, яка виконана із розміщеними по всій довжині гвинтовими поперечними статичними лопатями-завихрювачами прямокутної, трикутної, трапецоїдної, серпоподібної форми або у формі складної гвинтової крильчатки та із розміщеними по всій довжині отворамисоплами круглої, прямокутної, щілинної або еліптичної форми однакового або різного діаметра з постійним або і змінним кроком по довжині внутрішньої труби подачі окисника, розташованими по спіралі. Сукупність відмітних ознак забезпечує підвищення температури підігріву повітря дуття (окисника) безпосередньо у пальнику, утворення паливно-окислювальної суміші із заданими параметрами, формування стабільного факела полум'я при її підпалюванні та завдяки цьому підвищення повноти згоряння палива, зменшення кількості NOx у продуктах згоряння та забезпечення економії палива. Завдяки одночасному підігріву повітря дуття (окисника) і охолодженню розігрітих деталей пальника забезпечується підвищення максимальної зовнішньої температури його експлуатації, термостійкість та надійність у експлуатації пропонованого пристрою. При цьому знижується його металоємкість, досягається спрощення конструкції пальника та здешевлення його у виробництві. В сукупності, вказані чинники забезпечують підвищення термічного ККД печі як інтегрального показника її енергоефективності. На фіг. 1 зображений подовжній розріз струминно-вихрового рекуперативного пальника, на фіг. 2 зображений поперечний розріз по А-А, на фіг. 3 показаний поперечний розріз по Б-Б, на фіг. 4 - тривимірний ескіз пальника в ізометрії. Рекуперативний струминно-вихровий пальник включає встановлену у стінці печі кільцеву перфоровану трубну дошку 1 із центральним отвором, в якому коаксіально розміщений вхідний кінець рифленої випромінюючої вогнетривкої труби 2. Всередині рифленої випромінюючої вогнетривкої труби 2 співвісно із зазором розміщена зовнішня нагрівна труба 3, вхідний кінець якої закритий перфорованою кришкою 4, а вихідний кінець - сопловою насадкою-розсікачем 5. Між перфорованою кришкою 4 та кільцевою трубною дошкою 1 розміщена циліндрична камера відхідних димових газів 6 з газовідвідним патрубком 7, розміщеним перпендикулярно осі пальника у циліндричній стінці камери 6. Всередині зовнішньої нагрівної труби 3 коаксіально розміщена внутрішня труба подачі окисника (повітря) 8, вхідний кінець якої розміщений у центральному отворі перфорованої кришки 4. На виході труба 8 закрита сопловою кришкою 9 з отвором. По всій довжині внутрішньої труби подачі окисника (повітря) 8 по спіралі виконані отвори-сопла 10 круглої, прямокутної, щілинної або еліптичної форми однакового або різного діаметра з постійним або змінним кроком по довжині внутрішньої труби подачі окисника 8. Всередині внутрішньої труби подачі окисника 8 коаксіально встановлений патрубок паливоподачі 11, вихідний кінець якого розміщений в центральному отворі соплової кришки 9. Вздовж внутрішньої труби подачі окисника 8 в зазорі між нею і зовнішньою нагрівною трубою 3 по всій довжині встановлені гвинтові поперечні статичні лопаті-завихрювачі 12 прямокутної, трикутної, трапецоїдної, серпоподібної форми або і у формі складної гвинтової крильчатки. Гвинтові поперечні статичні лопаті-завихрювачі 12 приєднані до зовнішньої нагрівної труби 3. 2 UA 112254 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Струминно-вихровий рекуперативний пальник працює наступним чином. У внутрішню трубу подачі окисника 8 подають з надмірним тиском холодне повітря (20 °C), яке під час руху по трубі 8 витікає із розташованих по спіралі по всій довжині труби подачі окисника 8 отворів 10. Імпактні (ударні) струмені, які витікають із отворів 10 натікають на циліндричну стінку зовнішньої нагрівної труби 3 та формують холодний закручений вихор із імпактних струменів. Турбулізований вихор, який рухається в зазорі між зовнішньою нагрівною трубою 3 та внутрішньою трубою подачі окисника 8, додатково закручують встановленими по всій довжині останньої гвинтовими поперечними статичними лопатями-завихрювачами 12. Одночасно з подачею окисника у трубу 8, у патрубок паливоподачі 11 подають газоподібне (природний газ, біогаз), пиловугільне або рідке паливо (мазут), яке розпилюють (інжектують) через центральний отвір соплової кришки 9 на насадку-розсікач 5, де всередині пальника відбувається змішування холодного турбулізованого вихра окисника із паливом. Суміш газоподібного палива із окисником підпалюють з формуванням факела полум'я, яке витікає із центрального отвору насадкирозсікача 5 у робочий простір пічного агрегату або передтопка печі. При цьому відбувається ежектування (підсос) високотемпературних продуктів згоряння (димових газів) із факела полум'я у зазор між зовнішньою нагрівною трубою 3 і рифленою випромінюючою вогнетривкою трубою 2. Рухаючись по цьому зазору, димові гази нагрівають зовнішню нагрівну трубу 3 і внутрішню стінку рифленої випромінюючої вогнетривкої труби 2 та, охолоджуючись, поступають в циліндричну камеру відхідних димових газів 6, звідки їх видаляють по газовідвідному патрубку 7. У процесі роботи пальника рифлену випромінюючу вогнетривку трубу 2 додатково розігрівають ззовні за рахунок перевипромінювання від розігрітого факелом полум'я пічного футерування та димових газів з робочого простору печі. При цьому рифлена випромінююча вогнетривка труба 2 виконує роль додаткового джерела перевипромінювання, за рахунок чого зовнішню нагрівну трубу 3 додатково розігрівають, що забезпечує нагрів відхідних продуктів згоряння з робочого простору печі, що рухаються у зазорі між трубами зовнішньою нагрівною 3 та випромінюючою вогнетривкою 2. Таким чином, зовнішню нагрівну трубу 3 розігрівають по всій довжині, а від неї теплопровідністю та за допомогою променистого теплообміну розігрівають гвинтові статичні лопаті-завихрювачі 12. В процесі роботи пальника, імпактні (ударні) струмені, що витікають із розташованих по спіралі отворів 10, натікають на розігріту димовими газами стінку зовнішньої нагрівної труби 3, розігріваються за рахунок теплообміну конвекцією із нагрітою стінкою зовнішньої нагрівної труби 3, а сформований із них розігрітий турбулізований вихор закручують, турбулізують гвинтовими поперечними статичними лопатями-завихрювачами 12 додатково розігріваючи повітря, чим досягають одночасної рекуперації тепла відхідних димових газів та розігрівання конвекцією холодного окисника, який подають у пальник, а також забезпечують скорочення обсягу нагрітого повітря дуття, яке необхідне для стабільного горіння факела полум'я. Одночасне натікання імпактних (ударних) струменів із отворів-сопел 10 забезпечує охолодження зовнішньої нагрівної труби 3 по всій довжині та запобігає її можливій термічній деформації і виходу пальника з ладу. При цьому рифлена випромінююча вогнетривка труба 2 виконує двояку роль, окрім вторинного джерела променистого нагріву, вона захищає зовнішню нагрівну трубу 3 від перегрівання при безпосередньому впливу на пальник високотемпературної пічної атмосфери. Таким чином, винахід дозволяє виконати пальник компактних розмірів із зниженою металоємкістю, при цьому значно підвищивши термін його експлуатації у високотемпературній пічній атмосфері, що дозволяє встановлювати пальник не лише у термічних камерних печах для нагріву, гартування і термообробки деталей, але й у плавильних ванних відбивникових печах, які працюють при значних термічних навантаженнях на пальник через перевипромінювання від кладки та дзеркала ванни печі. Вихровий спіральний рух окисника у зазорі між зовнішньою нагрівною трубою та внутрішньою трубою подачі окисника забезпечує збільшення довжини шляху повітря вздовж нагрітої стінки, що дозволяє досягти максимальної ефективності теплообміну конвекцією, а також ефекту синергії - одночасної струминно-вихрової рекуперації тепла відхідних продуктів згоряння і охолодження турбулізованим вихром окисника нагрітих частин пальника. Крім того, вихровий спіральний рух окисника дозволяє досягти ефективного повного змішування окисника із паливом, що при запалюванні дозволяє отримати факел полум'я із заданими параметрами, а розміщення патрубка паливоподачі співвісно всередині труби подачі окисника додатково оберігає паливо від нештатного займання поза зоною горіння. Струминно-вихрова рекуперація тепла дозволяє в процесі горіння факела полум'я знижувати кількість окисника, що подають у пальник, так, що можлива його експлуатація у імпульсному режимі. Крім того, струминно-вихровий рекуперативний пальник дозволяє значно підвищити термічний ККД камерних та інших печей, у яких конструктивно 3 UA 112254 C2 неможливе розміщення рекуператора в робочому просторі, а центральний рекуператор розміщений поза піччю. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 Струминно-вихровий рекуперативний пальник, що включає розміщену в центральному отворі вхідної кільцевої перфорованої дошки трубу подачі окисника із співвісним патрубком паливоподачі, а також завихрювачем, який відрізняється тим, що він оснащений встановленою в центральному отворі перфорованої дошки рифленою випромінюючою вогнетривкою трубою, всередині якої співвісно встановлена зовнішня нагрівна труба з коаксіально розташованою всередині трубою подачі окисника із співвісним патрубком паливоподачі, яка виконана із розміщеними по всій довжині гвинтовими поперечними статичними лопатями-завихрювачами прямокутної або трикутної, або трапецоїдної, або серпоподібної форми, або у формі складної гвинтової крильчатки та із розміщеними по всій довжині отворами-соплами круглої або прямокутної, або щілинної, або еліптичної форми однакового або різного діаметра з постійним або змінним кроком по довжині внутрішньої труби подачі окисника, розташованими по спіралі. 4 UA 112254 C2 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5