BRPI0900737A2 - queimador de alta velocidade para troca de calor por convecção - Google Patents

Abstract

QUEIMADOR DE ALTA VELOCIDADE PARA TROCA DE CALOR POR CONVECçãO, consiste essencialmente de um queimador (1) de alta eficácia a ser preferencialmente utilizado em aquecimento de fornos e unidades industriais, manutenção de temperatura de unidades aquecidas ou o resfriamento controlado dessas, com destaque para um sistema interno de abafamento e mistura ótima do ar x gás basicamente viabilizado por um flange (2) dotado de orifícios (3) capaz de promover, dentre outras coisas, a estabilidade da chama em uma vasta gama de relações de mistura de ambos componentes.

Description

"QUEIMADOR DE ALTA VELOCIDADE PARA TROCA DE CALOR POR CONVECÇÃO"

Trata a presente solicitação de Patente de Invenção de um novo"QUEIMADOR DE ALTA VELOCIDADE PARA TROCA DE CALOR PORCONVECÇÃO", notadamente de um equipamento que opera sobre pressõesrelativamente elevadas cuja construtividade se destaca por apresentar um flangeinterno perfurado e chicanas que geram uma barreira responsável pela boaestabilidade da chama, mesmo com excesso de ar e, por conseguinte mistura ótimado ar - gás antes da ignição, assim como promove a geração de ar quente emetapas possibilitando um ajuste fino da temperatura de modo a atender às diversasnecessidades operacionais.

O queimador pleiteado é geralmente utilizado no aquecimento defornos e unidades industriais para início de produção e após paradas paramanutenção a frio, bem como manutenção da temperatura de unidades aquecidas,ou o resfriamento controlado de tais unidades.

Os fornos e unidades compreendem, dentre outros, altos fornos,regeneradores, canais de corrida de gusa, chaminés, dutos revestidos porrefratários, carros torpedos, panelas de aço e gusa, convertedores de aço,distribuidores para lingotamento, fornos de reaquecimento de tarugos e placas,válvulas siderúrgicas, fornos de fusão e de aquecimento de metais não ferrosos(cobre, alumínio, zinco, níquel, etc.). O queimador pode ainda ser aplicado em fornosde vidro e seus acessórios, fornos de cimento e cal, trocadores de calor em geral,fornos de coque, unidades de craqueamento de petróleo, caldeiras e incineradores,etc.No estado atual da técnica, os queimadores de processo sãodesenvolvidos para que sua máxima eficiência de operação ocorra em temperaturaselevadas nas quais devem operar na produção. Sendo assim, caso a partida dosfornos seja realizada diretamente com os queimadores de processo ouassemelhados, a controlabilidade necessária em temperaturas mais baixasrequeridas em alguns procedimentos, como, por exemplo, a secagem do refratárionão é possível e/ ou respeitada existindo o risco de dano ao refratário que éinutilizado ou tem a vida útil reduzida.

Ciente dos Iimitantes e inconvenientes acima e pensando numa formade oferecer ao mercado um equipamento queimador realmente eficaz, o inventor,pessoa atuante no segmento em apreço, após estudos e pesquisas criou o"QUEIMADOR DE ALTA VELOCIDADE PARA TROCA DE CALOR PORCONVECÇÃO" com o objetivo de fornecer ar em temperatura controlável com altavelocidade, de forma que quase toda a transferência de calor para o interior dosfornos ou unidades industriais se dê por convecção, ao passo que a chama, devidoao excesso de ar, possui baixa temperatura e é parcialmente encapsulada em umacâmara de combustão.

Basicamente, o queimador pleiteado recebe ar de um ventiladorcentrífugo que opera sob pressões relativamente elevadas (800 - 1100 mmH20). Oar é utilizado para a combustão de um combustível líquido (Diesel) ou gasoso (Gásnatural, GLP, Gás de coqueria, Gás de alto forno, ou qualquer outro gáscombustível). O ar é admitido em excesso no queimador, de forma que o excessopropriamente dito funciona como um diluidor de potência calorífica obtida pelacombustão, originando fumos com temperatura regulável em conformidade com arelação entre as vazões de gás e ar utilizadas.

Esse tipo de queimador possui estabilidade de chama em uma vastagama de relações ar χ gás, graças a um sistema interno de abafamento e misturaentre os dois componentes.

Mais detalhadamente, o queimador possui uma entrada de ar na regiãotraseira, que passa por uma série de orifícios em um flange interno, com área totalpadronizada, que atenua parcialmente a pressão de entrada de ar. Esse ar éadmitido no queimador através de duas séries de orifícios em um anel externo àregião de admissão e abafamento do gás combustível. Logo à frente da entrada dear, um anteparo desvia o ar do contato direto com o gás, causando turbulência efacilitando a mistura entre os dois componentes.

Por sua vez, o gás é admitido por duas vias.

A primeira via, denominada entrada principal, recebe o ar na parteinterna do flange onde passa por uma seqüência de desvios, durante os quais o gásperde pressão e velocidade facilitando sua mistura com o ar nessa mesma região.Com a mistura realizada, uma vela de ignição produz uma centelha responsável peloinício da chama na área interna do flange.

Dessa forma, na posição em que ocorre a ignição, a relação ar χ gás está nos limitesde inflamabilidade dos gases, e, devido aos desvios pelos quais a chama passa atéa saída para a atmosfera, a velocidade da chama é reduzida tornandosuficientemente baixa para conferir estabilidade, mesmo com a admissão de mais arpela região externa do flange.

A segunda via de gás, denominada auxiliar, é utilizada para aadmissão de gás diretamente à frente da chama, com o objetivo de evitar aconcentração de toda a combustão no mesmo espaço confinado, evitando assim apressurização extrema e o risco de extinção da chama. A via auxiliar é utilizadadurante a operação do queimador apenas quando a chama tiver comprimentosuficiente para cobrir esse ponto de entrada auxiliar de gás, de maneira que achama principal serve como chama piloto para ignição do gás auxiliar. Tal fatoocorre quando o aquecimento está em torno de 300°C de temperatura do ar.

O queimador inovado se destaca, sobretudo pela sua capacidade defornecer ar em temperatura controlável, desde a temperatura ambiente até cerca de1400°C, com alta velocidade. Desse modo, quase toda a transferência de calor paraas paredes do interior do forno ou unidade industrial se dá por convecção, ao passoque a chama, devido ao excesso de ar, possui temperatura relativamente baixa epermanece parcialmente encapsulada em uma câmara de combustão metálica. Comisso, a influência da radiação da chama sobre as regiões mais próximas doqueimador é minimizada, o que aumenta a homogeneidade da distribuição datemperatura no interior do forno ou unidade industrial trabalhado.

Em contrapartida, a turbulência gerada pela alta velocidade dos gasesresultantes da combustão no interior do forno propicia uma elevação no número deReynolds e, consequentemente do coeficiente de transferência térmica do ar para orefratário. Sendo assim, mesmo sem a transferência de calor por radiação eficiente,assegura-se uma rápida admissão de calor ao refratário. A transferência de calor porradiação expõe o refratário a um gradiente de temperatura significativo, uma vez quea transferência por radiação é inversamente proporcional à distância da fonte decalor elevada ao quadrado.

É sabido que durante a entrada de operação dos equipamentosindustriais revestidos com refratários torna necessário que esses passem por umasérie de reações físicas e químicas as quais dependem de sua composiçãoespecífica. A título exemplificativo pode-se citar a eliminação da água de concretosrefratários, as transformações de fases dos cimentos, o encharque térmico, dentreoutras.

Essas reações são dependentes de inúmeros fatores, entre eles, acontrolabilidade da temperatura, ou seja, a capacidade de variá-la em taxasreduzidas. Além disso, também dependem da precisão dessa variação,homogeneidade térmica, tempo, pressão positiva, etc.

Desse modo, com a utilização do queimador inovado é possível queem temperaturas mais críticas se mantenha um controle tão preciso que os riscosrelacionados a variação súbita de temperatura sejam minimizados.

A seguir, explica-se a invenção com referência aos desenhos anexos,nos quais estão representadas de forma ilustrativa e não limitativa:

Fig. 1: Vista em perspectiva da disposição aplicada em queimador dealta velocidade para troca de calor por convecção;

Fig. 2: Vista em perspectiva explodida da disposição aplicada emqueimador de alta velocidade para troca de calor por convecção;

Fig. 3: Vista em anterior da disposição aplicada em queimador de altavelocidade para troca de calor por convecção;

Fig. 4: Vista posterior da disposição aplicada em queimador de altavelocidade para troca de calor por convecção.

O "QUEIMADOR DE ALTA VELOCIDADE PARA TROCA DE CALORPOR CONVECÇÃO", objeto desta solicitação de Patente, consiste essencialmentede um queimador (1) de alta eficácia a ser preferencialmente utilizado emaquecimento de fornos e unidades industriais, manutenção de temperatura deunidades aquecidas ou o resfriamento controlado dessas, com destaque para umsistema interno de abafamento e mistura ótima do ar χ gás basicamente viabilizadopor um flange (2) dotado de orifícios (3) capaz de promover, dentre outras coisa, aestabilidade da chama em uma vasta gama de relações de mistura de amboscomponentes.

Mais particularmente, o queimador (1) de alta velocidade, que recebear de um ventilador que opera sob grande pressão, é composto por um corpo (C)cilíndrico que na porção anterior apresenta um flange (2) com orifícios (3), com áreatotal padronizada. O queimador (1) possui uma entrada de ar na região posterior,que é obrigado a passar através dos orifícios (3) supracitados atenuandoparcialmente a pressão de entrada desse ar. O ar em questão é admitido aoqueimador (1) através de duas séries de orifícios (3) em uma região anular externa àzona de admissão e abafamento do gás combustível. Logo à frente da entrada de ar,um anteparo (A) desvia o ar do contato direto com o gás, causando turbulência efacilitando a mistura entre os dois componentes.

Já o gás é admitido por duas vias (4 e 5). A primeira via (4) recebe o arna saída do flange (2) onde passa por uma seqüência de desvios (6), durante o qualo gás perde pressão e velocidade facilitando sua mistura com o ar nessa mesmaregião. Com a mistura realizada, uma vela de ignição (7) produz uma centelharesponsável pelo início da chama na saída do flange (2). Na posição em que ocorrea ignição, a relação ar χ gás está nos limites de inflamabilidade dos gases, e, devidoaos desvios (6) que a chama passa até a saída para a atmosfera, a velocidade dachama é reduzida tornando suficientemente baixa para conferir estabilidade, mesmocom a admissão de mais ar pela região externa do flange gerando ar quente emuma primeira etapa. A mistura do ar remanescente após a estabilização da chama,na região externa ao flange gera ar quente em uma segunda etapa.

A segunda via (5) de gás é utilizada para a admissão de gásdiretamente à frente da chama, com o objetivo de evitar a concentração de toda acombustão no mesmo espaço confinado, evitando assim a pressurização extrema eo risco de apagamento da chama. A segunda via é utilizada durante a operação doqueimador apenas quando a chama tiver comprimento suficiente para cobrir esseponto de entrada auxiliar de gás, de maneira que a chama principal serve comochama piloto para ignição do gás auxiliar gerando ar quente em uma terceira etapa.

Tal fato ocorre quando o aquecimento está em torno de 300°C de temperatura do ar.

Claims (1)

1.) "QUEIMADOR DE ALTA VELOCIDADE PARA TROCA DE CALOR PORCONVECÇÃO", caracterizado por possuir um flange (2) dotado de orifícios (3) comárea padronizada, mesmo com excesso de ar; reduz a velocidade da chamanascente e abafamento do ar e gás propiciando mistura ótima antes da ignição; paratanto o queimador (1) possui uma entrada de ar na região posterior, que é obrigadoa passar através de duas séries de orifícios (3) em região anular externa zona deadmissão e abafamento do gás combustível; à frente da entrada de ar, um anteparo(A) desvia o ar do contato direto com o gás; a geração do ar quente em etapas se dáem uma primeira etapa na região da saída do flange (2) com a admissão do gás naprimeira via (4) recebe o ar na parte interna do flange (2) onde passa por umasequencia de desvios (6), durante o qual o gás perde pressão e velocidadefacilitando sua mistura com o ar nessa mesma região; com a mistura realizada, umavela de ignição (7) produz uma centelha responsável pelo início da chama na saídado flange (2); a mistura do ar remanescente após a estabilização da chama, naregião externa ao flange (2) gera ar quente em uma segunda etapa; a segunda via(5) de gás é utilizada para a admissão de gás diretamente à frente da chama gera arquente em uma terceira etapa e é utilizada durante a operação do queimadorapenas quando a chama tiver comprimento suficiente para cobrir esse ponto deentrada auxiliar de gás, de maneira que a chama principal serve como chama pilotopara ignição do gás auxiliar.