DE2435659C3 - Gasbeheiztes Strahlheizrohr - Google Patents

Gasbeheiztes Strahlheizrohr

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DE2435659C3
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Semen E. Bark
Ivan S. Garkuscha
Jurij P. Kafyrin
Efim V. Krejnin
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VSESOJUZNYJ NAUTSCHNO-ISSLEDOVATELSKIJ INSTITUT ISPOLZOVANIJA GAZA V NARODNOM CHOZJAJSTVE PODZEMNOGO CHRANENIJA NEFTI NEFTEPRODUKTOV I SSCHISCHENNYCH GAZOV VNIIPROMGAZ MOSKAU
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VSESOJUZNYJ NAUTSCHNO-ISSLEDOVATELSKIJ INSTITUT ISPOLZOVANIJA GAZA V NARODNOM CHOZJAJSTVE PODZEMNOGO CHRANENIJA NEFTI NEFTEPRODUKTOV I SSCHISCHENNYCH GAZOV VNIIPROMGAZ MOSKAU
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L15/00—Heating of air supplied for combustion
    • F23L15/04—Arrangements of recuperators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C3/00—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber
    • F23C3/002—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber the chamber having an elongated tubular form, e.g. for a radiant tube
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Description

gewählt ist, wobei d\ den Innendurchmesser des Luftleitungsrobres (2) und di den Außendurchmesser in der Trennwand (5) bezeichnet, und daß der Durchmesser des zentralen Gasleitungsrohres (6) nicht größer als 0,03 · \[d7i ist, wobei du der Außendurchmesser des Mantelrohres (1) ist.
4. Strahlheizrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4r> 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Mantelrohr (1) und dem Luftleitungsrohr (2) höchstens gleich dem 7fachen Durchmesser der Öffnungen (9) in der Umfangswand (4) des Luftleitungsrohres (2) ist. "> <>
Die Erfindung bezieht sich auf ein Strahlheizrohr gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges Strahlheizrohr ist aus dem UdSSR-Ur- wi heberschein 2 51 743 bekannt.
Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Strahlheizrohrkonstruktion besteht darin, daß das zentrale Brennstoffrohr und das in ihm befindliche Gas am geschlossenen Ende des außenliegenden Mantelrohres μ unerwünschterweise auf eine Temperatur, die in der Nähe der Temperatur der Strahlungsfläche liegt, erhitzt Ufprripn
Die Folge hiervon ist, daß Erdgas thermisch zersetzt wird und daß sich das zentrale Brennstoffrohr mit ungebundenem Kohlenstoff verstopft
Mit der vorliegenden Erfindung sollen diese Nachteile beseitigt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine üchere und hochwirksame Konstruktion eines gasbeheizten Strahlheizrohres durch Verbesserung der Kühlung des zentralen Brennstoffrohrs zu schaffen, wobei die Ausscheidung von Ruß in diesem verhindert werden soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unieransprüchen gekennzeichnet
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert auf der ein Schnitt durch die Konstruktion eines gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführten gasbeheizten Strahlheizrohres abgebildet ist.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, besteht das gasbeheizte Strahlheizrohr aus koaxialliegenden Elementen, und zwar aus einem außenliegenden Mantelrohr 1, einem Luftleitungsrohr 2 mit einem Rekuperator 3 und einer gelochten Umfangswand 4 und weiter innen einer rohrförmigen Trennwand 5 sowie einem zentralen Gasleitungsrohr 6 für gasförmigen Brennstoff. An der Stelle, wo das Luftleitungsrohr 2 in den Rekuperator 3 und die gelochte Umfangswand 4 unterteilt ist, befindet sich ein Ring 7, welcher einen Ringkanal 8 zwischen der rohrförmigen Trennwand 5 und der gelochten Umfangswand 4 des Luftleitungsrohres 2 überdeckt, in die auf bestimmte Weise Öffnungen 9 gebohrt sind. Der Unterteil der Umfangswand 4 des Lufleitungsrohres 2 ist durch ein mit öffnungen 9' versehenes Ende 10 abgeschlossen. Im Raum zwischen dem außenliegenden Mantelrohr 1 und dem Luftleitungsrohr 2 ist eine Brennkammer U gebildet.
Das gasbeheizte Strahlheizrohr arbeitet folgendermaßen:
Die in das gasbeheizte Strahlheizrohr eingepreßte Luft strömt durch den Rekuperator 3 des Luftleitungsrohres 2, wird (je nach der Leistungsfähigkeit des Heizrohres) auf 400 bis 7000C erhitzt und gelangt in einen Ringkanal, welcher durch das zentrale Gasleitungsrohr 6 und die rohrförmige Trennwand 5 gebildet wird. Ein Teil der Luft strömt über die öffnungen 9' im Ende 10 aus, während der Rest, nachdem er um 180° umgelenkt ist, in den Ringkanal 8 zwischen der rohrförmigen Trennwand 5 und der gelochten Umfangswand 4 des Luftleitungsrohres 2 gelangt, wo er sich auf die öffnungen 9 verteilt.
Der Verbrennungsproduktestrom, der sich von der geschlossenen Stirnseite des außenliegenden Mantelrohres 1 zum Austritt hin bewegt, wird von zahlreichen Luftstrahlen durchdrungen, wodurch ein intensives Mischen und Brennen gewährleistet wird.
Das zentrale Gasleitungsrohr 6 wird dadurch effektiv gekühlt, daß die gesamte Luft es umspült und erst hiernach beginnt, sich auf die öffnungen 9 der gelochten Umfangswand 4 des Luftleitungsrohres 2 ?.u verteilen. Außerdem vermindert die rohrförmige Trennwand 5 den Strahlungsstrom des Luftleitungsrohres 2, der auf das zentrale Gasleitiingsrohr 6 für gasförmigen Brennstoff einwirkt, um fast die Hälfte.
Gemäß Versuchswerten sind die Druckverluste beim
Umlenken der Luft um 180° gleich dem vierfachen dynamischen Druck, was einer Verengung des Strömungsquerschnittes auf die Hälfte entspricht Diese Strömungsverengung entsteht infolge einer Abreißzone in der Nähe der rohrförmigen Trennwand 5 direkt hinter der Umlenkung. Die Querschnittsfläche der Abreißzone ist gleich der Hälfte des Gesamtquerschnitts des Ringkanals 8:
Uf= 0,5,
wobei
ft — Querschnittsfläche der Abreißzone,
f — Querschnittsfläche des Ringkanals 8
Wenn die Höhe der Abreißzone gleich (h,) angenommen wird, so ist
A. _
d\-d\
- dj _
wobei
d\ Innendurchmesser des Luftleitungsrohres 2,
di Außendurchmesser der rohrförmigen Trennwand 5
sind.
Hieraus folgt
IK = 0,7 U\+d\-dx.
Die Untersuchung von Abreißzonen hat gezeigt, daß das Längsmaß f/Jder Abreißzone ungefähr 6mal größer als das Quermaß (Höhe, h,) ist.
Folglich wird
I2 ~ 6/i2 = 2,1 \'d\ + dl - Id1.
Aufgrund von Versuchswerten, die im Ringkanal 8 eines gasbeheizten Strahlheizrohres mit einem Durchmesser des Mantelrohres 1 von 180 mm (d\=92 mm, c/2 = 63mm) erhalten wurden, wurde ein negativer statischer Druck im Ringkanal 8 in einem bis 25 mm betragenden Abstand vom Ende der rohrförmigen Trennwand 5 beobachtet. Folglich hat das Vorhandensein von öffnungen 9 in dieser Zone der Umfangswand 4 das Eindringen von brennbaren Bestandteilen in den Ringkanal 8 zur Folge, deren Verbrennung ein Überhitzen (Durchbrennen) der rohrförmigen Trennwand 5 und des zentralen Gasleitungsrohres 6 für gasförmigen Brennstoff hervorrufen würde.
Bei der Berechnung der obenangeführten Formel der Abreißzonenlänge (I1,) wird ein Maß von 46 mm erhalten, wobei die Zone mit negativem Druck f/) gleich der Hälfte der gesamten Abreißzone ist:
/ = 0,5 I2 χ \ld\ +""d\ - 1,Sd2.
Das Fehlen von Öffnungen in dieser Zone verhindert ein Einsaugen von brennbaren Bestandteilen in den Ringkanal 8. Die Wahl des optimalen Durchmessers des zentralen Gasleitungsrohres 6 für gasförmigen Brennstoff wird aufgrund folgender Überlegungen durchgeführt:
Die in das Strahlheizrohr stromende Gasmenge wird einerseits durch die Bedingungen des äußeren Wärmeaustausches
Bg =
ldH ■ π
ί ■ QS
und andererseits durch die Bedingung der Gasbewegung im zentralen Gasleitungsrohr
Bg =
bestimmt, wobei
0,785 Id2- 3600
Bg - Gasdurchströmmenge,
q — Wärmeleistung des Strahlheizrohres in kj/m3 · h,
/ — Länge des Strahlheizrohr-Arbeitsteils in m,
>(] dh — Außendurchmesser des Mantelrohres in m,
d — Innendurchmesser des zentralen Gasleitungsrohres in m,
Q'}' — Heizwert des Brennstoffes, in kJ/mJ,
r — Verweilzeit des Brennstoffs im zentralen _)-, Gasleitungsrohr in Sek.,
?/ — Wirkungsgrad des Strahlheizrohres (~0,7)
ist.
Orientierungsweise wird die minimale Wärmelei-JO stung des Strahlheizrohres mit 33,5M]/m2h angenommen.
Durch experimentelle Sonderuntersuchungen wurde festgestellt, daß für jede Temperatur der Wand des zentralen Gasleitungsrohres 6 eine bestimmte Minimalj-, zeit besteht, während welcher der Brennstoff in ihm verweilt und die Reaktionen der thermischen Zersetzung des Brennstoffs ohne Ausscheiden von ungebundenem Kohlenstoff (in Form von Ruß im Rohrraum) beendet werden. Danach ist bei einer Wandtemperatur von 850°C die minimale zulässige Verweilzeit von Erdgas im zentralen Brennstoff rohr gleich 0,5 Sek.
Hieraus folgt, daß der optimale Innendurchmesser des zentralen Gasleitungsrohres durch folgendes Verhältnis bestimmt wird:
q-l-d,,·* 0,785 -Id2- 3600
in oder
_800JL· i/„ ■ 3,14 0,785 · d2 · 3600
0,7r84Ö0" ~" ~ ä5 ~' ~ '
woraus wiederum folgt
d = 0,0275 \d„ .
Auf diese Weise wird, um das Ausfallen von ungebundenem Kohlenstoff (Ruß) im zentralen Gasleitungsrohr für gasförmigen Brennstoff zu verhindern, dessci Innendurchmesser entsprechend der Ungleih-, chung£y<0,03/i?Hgewählt.
Die Breite der Brennkammer II, welche durch d;is Mantelrohr 1 und die Umfangswand 4 des Luftleitungsrohres 2 gebildet wird, hat einen wesentlichen Einfluß
auf den Wärmeaustausch. [Experimentell wurde nachge- merit steigt und als iolge hiervon wird die Temperatur
wiesen, daß bei einer Breite der Brennkammer 11 von des l.uftleitungsrohrcs 2 und hierdurch des zentralen
bis zu 7 Durchmessern der für den Luftdurchstrom Gasleitungsrohrs 6 erhöht.
bestimmten Öffnungen 9 die Umfangswund 4 nicht Unter Inbetrachtnahme der aufgezählten Bcdingun-
überhitzt wird. Beim Vergrößern dci Breite der . gen kann das gasbeheizte Strahlheizrohr betriebssicher
Brennkammer Π wird die Wärmeabgabe durch die bei Wärmevorgängen mit einer Ofenraumtemperalur
Flammen geringer, die Temperatur in der Brennkam- bis 9500C eingesetzt werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Gasbeheiztes Strahlheizrohr mit einem außenliegenden Mantelrohr und einem darin angeordneten, sürnseitig und am Umfang öffnungen aufweisenden Luftleitungsrohr, mit einer zwischen den Wänden des Mantelrohres und Luftleitungsrohres gebildeten Brennkammer, mit einem zentralen Gaslehungsrohr, welches den Brennstoff in die ι ο Brennkammer leitet, sowie mit einem am Ausgang der Brennkammer an dem Druckluft führenden Luftleitungsrohr angeordneten Rekuperator, dadurch gekennzeichnet, daß im Luftleitungsrohr (2) ein Kanal ausgebildet ist, der die Luft zuerst längs des zentralen Gasleitungsrohrs (6) bis zum stirnseitigen Ende (10) des Luftleitungsrohres (2) und dann in umgekehrter Richtung innenseitig längs der öffnungen (9) aufweisenden Umfangswand (4) des Luftleitungsrohres (2) leitet.
2. Strahlheizrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Kanals koaxial zwischen Luftleitungsrohr (2) und dem zentralen Gasleitungsrohr (6) eine rohrförmige Trennwand (5) vorgesehen ist, deren vorderes Ende offen ist und 2r> etwas vom Ende (10) des Luftleitungsrohres (2) absteht und deren anderes Ende luftzufuhrseitig offen und an das Luftleitungsrohr (2) dicht angeschlossen ist.
3. Strahlheizrohr nach Anspruch 2, dadurch w gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem vorderen Ende der rohrförmigen Trennwand (5) und den vordersten öffnungen (9) in der Umfangswand (4) des Luftleitungsrohres (2) größer als
f.
fä +11- \,sd2
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