Способ нагрева жидких и газообразных сред и горелочное устройство для его осуществления

 

Изобретение предназначено для нагрева жидкостей и газов в теплообменных элементах при сжигании газообразного топлива в бытовых и промышленных котлах, печах, топках. Изобретение позволяет увеличить коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к теплообменному элементу и КПД устройства при ламинарном течении горючего газа. Способ нагрева жидких и газообразных сред обеспечивает вихреобразование в продуктах сгорания при ламинарном истечении горючей смеси вниз на нижнюю поверхность плоского теплообменника через трубку-горелку, установленную внутри теплообменника, при числе Рейнольдса потока от 30 до 50. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а более конкретно к устройству водонагревателей, воздухоподогревателей и других установок для нагрева жидкостей и газов в теплообменных элементах при сжигании газообразного топлива в бытовых и промышленных котлах, печах, топках.

В известных схемах нагрева жидкостей и газов в теплообменных элементах при сжигании газообразного топлива (см., например, книгу В.П. Михеев, Ю.П. Медников. Сжигание природного газа. Д.: Недра, 1975) теплообмен достигается за счет процессов конвекции, диффузии и оптического излучения факела. Газовые горелки при этом располагаются на определенном расстоянии от теплообменных элементов. Увеличение скорости v потока горючей смеси на горелке и увеличение диаметра d горелки вызывает увеличение расхода теплоносителя пропорционально числу Рейнольдса потока Re = vd/ ν , где ν - кинематическая вязкость газа. Увеличение же коэффициента теплопередачи при этом пропорционально (Re)^1/2 (см., например, книгу Б.Е. Юдаев Техническая термодинамика. Теплопередача. -М.: Высшая школа, 1988).

Турбулизация потока подводимого газа при Re > 2300, вихреобразование при истечении газа по пересекающимся направлениям, размещение на пути потока насадок и различных препятствий, способствующие турбулизации процесса горения, позволяют увеличить тепловое напряжение в топочном устройстве, а соответственно и теплопередачу, но это увеличивает расход горючего газа, вызывает неполноту сгорания, снижая тем самым КПД устройства.

В известной схеме ламинарного факела при числе Рейнольдса потока Re < 2300 (см. книгу А.П. Михеев, Ю.П. Медников Сжигание природного газа. -Л.: Недра, 1975, глава II, 6-7, с. 60-69, рис. 11-20), выбранной в качестве прототипа, горючая смесь ламинарным потоком со скоростью v вытекает из устья горелки диаметром d вверх на нижнюю поверхность теплообменника, образуя при горении конус пламени правильной геометрической формы. Продукты сгорания, растекаясь вдоль нижней поверхности теплообменного элемента, передают тепло нагреваемой среде. Тепловое напряжение топочного объема при сжигании газа в ламинарном потоке, а соответственно и теплопередача, зависят от теплоты сгорания газа, нормальной скорости распространения пламени, диаметра горелки, скорости потока газа, коэффициента избытка воздуха, температурного уровня реакции (см. формулу II-104 на стр. 66 в предыдущей ссылке), что требует применения высокоэнергетического топлива для создания нагревательных устройств с высоким КПД.

Дальнейшее увеличение коэффициента теплопередачи в теплообменных элементах при сжигании газообразного топлива, а соответственно и повышение КПД устройства, можно добиться, лишь изменив сам процесс горения и теплопередачи.

Целью настоящего изобретения является увеличение коэффициента теплоотдачи от продуктов сгорания к теплообменному элементу и соответствующее увеличение КПД устройства при ламинарном течении горючего газа.

Указанная цель достигается за счет спонтанного вихреобразования в продуктах сгорания при ламинарном истечении горючей смеси вниз на нижнюю поверхность плоского теплообменного элемента через трубку-горелку, установленную внутри теплообменного элемента, при числе Рейнольдса потока от 30 до 50.

Заявляемый способ удовлетворяет критериям новизны и существенности отличия от известных технических решений, так как в научной литературе отсутствует информация, предсказывающая этот эффект с помощью данного признака (спонтанное вихреобразование в продуктах сгорания при истечении горючей смеси вниз на нижнюю поверхность теплообменного элемента при 30 < Re < 50), и применение аналогичного решения в других областях техники заявителю неизвестно.

На чертеже изображен общий вид предложенного способа нагрева жидких и газообразных сред и горелочного устройства для его осуществления.

Горючий газ подается вниз по трубке-горелке 1 на нижнюю поверхность 2 теплообменного элемента с нагреваемой средой 4, установленного горизонтально или под некоторым углом к горизонту. При малых скоростях вдува горючего газа под действием подъемной силы, направленной против течения, вблизи устья трубки-горелки 1 устанавливается пламя 3. Встречные струи опускающегося горючего газа, всплывающих продуктов горения и окружающего воздуха образуют гидродинамическое поле с ламинарным растеканием от среза трубки-горелки 1 вдоль нижней поверхности 2 теплообменного элемента 4. Увеличение скорости вдува v горючего газа из трубки-горелки 1 с диаметром d выше критического значения числа Рейнольдса потока Re = 30, приводит к качественной перестройке поля скоростей течения - спонтанному вихреобразованию. Ламинарное течение сменяется устойчивым вихревым с числом вихревых ячеек в продуктах сгорания от одной до шести. При увеличении скорости вдува горючего газа v обнаруживается тенденция к уменьшению числа вихревых ячеек. Увеличение же диаметра d трубки-горелки приводит к устойчивому образованию только одной вихревой ячейки.

Дальнейшее увеличение скорости вдува горючего газа приводит к турбулизации течения.

Для определения эффективности предлагаемого и известного способов нагрева произведен расчет количества тепла, поступившего от продуктов сгорания при вдуве горючего газа вниз через плоскую вертикальную щель на нижнюю поверхность теплообменного элемента и при натекании продуктов сгорания при расположении той же горелки под поверхностью теплообменного элемента при подаче горючей смеси вертикально вверх. КПД установки определим как отношение количества тепла, поступившего на поверхность теплообменного элемента, к общему количеству тепла, выделившегося при горении. Расчеты для горелки в виде плоской щели показали, что при вдуве газа вертикально вниз КПД установки равен 53%, а в случае натекания при подаче газа вертикально вверх - 32%. При увеличении скорости вдува (натекания) расхождение между значениями КПД по предлагаемому и известному способам нагрева увеличивается, причем КПД установки при вдуве газа по предлагаемому способу уменьшается медленнее, чем при натекании газа на поверхность пор известному способу нагрева.

Для повышения КПД нагревательного устройства необходимо располагать трубки-горелки внутри теплообменного элемента в шахматном порядке.

Для более полного использования тепла, выделяющегося при горении, вблизи нижней поверхности теплообменного элемента устанавливают дополнительный плоский теплообменный элемент. Установка дополнительного плоского теплообменного элемента приводит к увеличению скорости конвективного течения и возникновению при определенных условиях вибрационного режима горения, повышающего теплообмен и соответственно КПД устройства.

Использование изобретения позволит создать наиболее выгодные с энергетической точки зрения компактные нагревательные устройства с высоким КПД, что особенно важно, например, при разработке бытовых водонагревательных устройств.

Формула изобретения

1. Способ нагрева жидких и газообразных сред путем передачи тепла от продуктов сгорания горючего газа на горелке к теплообменному элементу с нагреваемой средой, отличающийся тем, что рабочий газ подается вниз через трубку-горелку, установленную внутри теплообменного элемента, на нижнюю поверхность плоского теплообменного элемента при числе Рейнольдса потока от 30 до 50.

2. Горелочное устройство, содержащее установленные внутри теплообменного элемента с нагреваемой средой трубки-горелки, по которым подается вниз горючий газ на нижнюю поверхность плоского теплообменного элемента, отличающееся тем, что газоподводящие трубки-горелки в теплообменном элементе устанавливают в шахматном порядке.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что вблизи нижней поверхности теплообменного элемента устанавливают плоский теплообменный элемент.

РИСУНКИ

Рисунок 1