RU2137050C1 - Method of heating liquids - Google Patents

Method of heating liquids Download PDF

Info

Publication number
RU2137050C1
RU2137050C1 RU98109240A RU98109240A RU2137050C1 RU 2137050 C1 RU2137050 C1 RU 2137050C1 RU 98109240 A RU98109240 A RU 98109240A RU 98109240 A RU98109240 A RU 98109240A RU 2137050 C1 RU2137050 C1 RU 2137050C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
combustible mixture
burner
flame
combustion products
tube
Prior art date
Application number
RU98109240A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.П. Самсонов
А.И. Китаев
Original Assignee
Чувашский государственный педагогический институт им.И.Я.Яковлева
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Чувашский государственный педагогический институт им.И.Я.Яковлева filed Critical Чувашский государственный педагогический институт им.И.Я.Яковлева
Priority to RU98109240A priority Critical patent/RU2137050C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2137050C1 publication Critical patent/RU2137050C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: storage water heaters and other heat exchange apparatus for burning gaseous fuel. SUBSTANCE: heat is transferred from combustion products to combustible mixture in tube-burner located inside heat exchanger filled with liquid being heated. Combustible mixture is fed to tube-burner from beneath at constant flow rate ensuring rate of spread of flame found from the following formula:
Figure 00000003
, where d is transversal size of tube-burner; T0 and T are initial temperature of combustible mixture and combustion temperature, respectively. Flow of combustible mixture at constant rate ensuring spread of flame at rate "U" which is distinctive feature for free convective vorticity increases heat transfer coefficient from combustion products. EFFECT: enhanced efficiency of heat transfer. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а более конкретно - к устройству емкостных водонагревателей и других установок для нагрева жидкостей в теплообменных элементах при сжигании газообразного топлива в бытовых и промышленных котлах, печах, топках. The invention relates to the field of power engineering, and more specifically to a device for capacitive water heaters and other installations for heating liquids in heat exchange elements when burning gaseous fuels in domestic and industrial boilers, furnaces, furnaces.

В известных схемах нагрева жидкостей в водонагревателях при сжигании газообразного топлива теплообмен достигается за счет процессов конвекции, диффузии и оптического излучения факела. Увеличение коэффициента теплопередачи в таких водонагревателях возможно за счет увеличения скорости потока горючей смеси, турбулизации потока газа, размещения на пути потока насадок и различных препятствий, турбулизирующих поток продуктов сгорания (см., например, книгу В.П. Михеев, Ю.П. Медников. Сжигание природного газа. Л.: Недра, 1975). In well-known schemes for heating liquids in water heaters during the combustion of gaseous fuels, heat transfer is achieved through convection, diffusion, and optical radiation from the torch. An increase in the heat transfer coefficient in such water heaters is possible due to an increase in the flow rate of the combustible mixture, turbulization of the gas flow, placement of nozzles and various obstructions in the flow path of the combustion products (see, for example, the book by V.P. Mikheev and Yu.P. Mednikov The burning of natural gas. L .: Nedra, 1975).

Известная схема нагрева жидкостей в емкостных водонагревателях при сжигании газообразного топлива (см., книгу: Рагозин А.С. Бытовая аппаратура на газовом, жидком и твердом топливе. Л.: Недра, 1982, стр. 131), выбранная в качестве прототипа, содержит цилиндрический бак с проходящей по его вертикальной оси жаровой трубой, в которой установлен спиральный удлинитель потока. Теплопередача от установленной под баком горелки осуществляется через днище и стенки жаровой трубы. В таких водонагревателях устанавливаются горелки с вертикально направленными огневыми отверстиями (или дисковые горелки с периферийно размещенными огневыми отверстиями). Газовые горелки при этом располагаются на определенном расстоянии от днища и жаровой трубы. Увеличение скорости потока горючей смеси v 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. Н. Юдаев. Техническая термодинамика. Теплопередача. М.: Высшая школа, 1988).A well-known scheme for heating liquids in DHW tanks while burning gaseous fuels (see book: Ragozin AS, Gas, Liquid, and Solid Fuel Home Appliances. L .: Nedra, 1982, p. 131), selected as a prototype, contains a cylindrical tank with a flame tube passing along its vertical axis, in which a spiral flow extension is installed. Heat transfer from a burner installed under the tank is carried out through the bottom and walls of the flame tube. In such water heaters, burners with vertically directed fire holes (or disk burners with peripherally placed fire holes) are installed. Gas burners are located at a certain distance from the bottom and the flame tube. An increase in the flow rate of the combustible mixture v on the burner and an increase in the diameter d of the burner causes an increase in the coolant flow rate in proportion to the Reynolds number of the flow Re = vd / ν, where ν is the kinematic viscosity of the gas. The increase in the heat transfer coefficient is proportional to (Re) 1/2 (see, for example, the book of B. N. Yudaev. Technical thermodynamics. Heat transfer. M: Higher school, 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. Например, для обогрева помещения площадью 60 м2 в течение 6 месяцев с помощью бытового емкостного водонагревателя АГВ-80 требуется 470 м3 природного газа (Рагозин А. С. Бытовая аппаратура на газовом, жидком и твердом топливе. Л.: Недра, 1982).Turbulization of the gas supply stream at Re> 2300, vortex formation at gas outflow in intersecting directions, placement of nozzles and various obstacles in the flow path, contributing to the turbulization of the combustion process, increase the thermal stress in the furnace device and, accordingly, the heat transfer, but this increases the fuel consumption gas, causes incompleteness of combustion, thereby reducing the efficiency of the device. For example, for heating a room with an area of 60 m 2 for 6 months using an AGV-80 domestic DHW cylinder, 470 m 3 of natural gas is required (Ragozin A. S. Household appliances using gas, liquid and solid fuels. L .: Nedra, 1982) .

Дальнейшего увеличения коэффициента теплопередачи в водонагревателях (отопительных аппаратах) при сжигании газообразного топлива, а соответственно, и повышения КПД устройства можно добиться, лишь изменив сам процесс горения и теплопередачи. A further increase in the heat transfer coefficient in water heaters (heating devices) during the combustion of gaseous fuels, and, accordingly, an increase in the efficiency of the device can be achieved only by changing the combustion and heat transfer process itself.

Целью настоящего изобретения является увеличение коэффициента теплоотдачи от продуктов сгорания к теплообменному элементу и соответствующее увеличение КПД устройства при ламинарном течении горючего газа. The aim of the present invention is to increase the coefficient of heat transfer from the combustion products to the heat exchange element and a corresponding increase in the efficiency of the device during the laminar flow of combustible gas.

Указанная цель достигается за счет свободноконвективного вихреобразования в продуктах сгорания при ламинарном течении горючей смеси снизу вверх в трубу-горелку, установленную внутри теплообменника, с постоянным расходом, обеспечивающим скорость распространения пламени u, характерную для режима свободноконвективного вихреобразования в продуктах горения. This goal is achieved due to the free convective vortex formation in the combustion products during the laminar flow of the combustible mixture from the bottom up into the burner pipe installed inside the heat exchanger, with a constant flow rate that ensures the flame propagation velocity u, which is characteristic of the free convective vortex formation mode in the combustion products.

Figure 00000004

где d - поперечный размер трубы-горелки, To и T - начальная температура горючей смеси и температура горения.
Figure 00000004

where d is the transverse dimension of the burner pipe, T o and T are the initial temperature of the combustible mixture and the combustion temperature.

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 (свободноконвективное вихреобразование в продуктах сгорания при истечении горючей смеси снизу вверх в трубу-горелку теплообменника с определенным постоянным расходом, обеспечивающим выполнение указанного выше условия (I)), и применение аналогичного решения в других областях техники заявителю неизвестно. The inventive method satisfies the criteria of novelty and materiality of the difference from the known technical solutions, since there is no information in the scientific literature that predicts this effect using this feature (free-convective vortex formation in the combustion products when the combustible mixture flows from the bottom up into the burner tube of the heat exchanger with a certain constant flow rate, ensuring the fulfillment of the above condition (I)), and the application of a similar solution in other areas of technology is unknown to the applicant.

На фиг. 1 изображен общий вид предложенного способа нагрева жидкостей; на фиг. 2 приведена типичная картина вихеробразования в продуктах сгорания. In FIG. 1 shows a General view of the proposed method for heating liquids; in FIG. Figure 2 shows a typical picture of vortex formation in combustion products.

Горючий газ подается из смесителя 1 снизу вверх через стабилизатор 2 в трубу-горелку 3, установленную внутри бака с нагреваемой средой 4. Горючий газ поджигается запальной горелкой 5, установленной внутри трубы-горелки 3. При определенных скоростях горючего газа вблизи устья трубы-горелки 3, а точнее вблизи стабилизатора 2, устанавливается пламя. Стабилизатор пламени 2 предотвращает проскок пламени в смеситель 1. Продукты горения при определенных условиях образуют гидродинамическое поле с отрывом пограничного слоя на стенках трубы-горелки 3, приводящее к образованию вихря. Постепенно вихрь сносится потоком к открытому концу трубы-горелки 3 и затухает. Через некоторое время аналогичный вихрь возникает на противоположной стенке трубы-горелки вблизи стабилизатора 2. Так образуется последовательность вихрей, появляющихся на противоположных стенках трубы-горелки и вращающихся попеременно вправо и влево: вниз у стенки трубы и вверх на оси трубы. При уменьшении скорости пламени до предельной размеры вихрей увеличиваются до размеров ширины (диаметра) канала трубы-горелки и течение за фронтом пламени становится хаотическим. Combustible gas is supplied from the mixer 1 from the bottom upwards through the stabilizer 2 to the burner pipe 3 installed inside the tank with the heated medium 4. The combustible gas is ignited by the ignition burner 5 installed inside the burner pipe 3. At certain speeds of the combustible gas near the mouth of the burner pipe 3 or rather, near the stabilizer 2, a flame is installed. The flame stabilizer 2 prevents the leakage of flame into the mixer 1. The combustion products under certain conditions form a hydrodynamic field with separation of the boundary layer on the walls of the pipe-burner 3, leading to the formation of a vortex. Gradually, the vortex is carried by the flow to the open end of the burner pipe 3 and decays. After a while, a similar vortex arises on the opposite wall of the burner pipe near stabilizer 2. This forms a sequence of vortices that appear on opposite walls of the burner pipe and rotate alternately to the right and left: down near the pipe wall and up on the pipe axis. When the flame velocity is reduced to the limiting size, the vortices increase to the width (diameter) of the burner pipe channel and the flow behind the flame front becomes chaotic.

Результаты проведенных исследований свидетельствуют о свободноконвективной природе механизма вихреобразования в продуктах горения. На фиг. 2-а) показана типичная фотография процесса отрыва пограничного слоя и последующего образования вихря вблизи стенки трубы-горелки квадратного сечения (d = 2,7 см), полученная с помощью поляризационного интерферометра сдвига, собранного на базе теневого прибора ИАБ-451. Фоторегистрация процесса производилась скоростной кинокамерой СКМ-1М. На фиг. 2-б) приведена картина отрыва пограничного слоя и образования вихря, полученная путем численного решения на ЭВМ. Линии на рисунке фиг. 2-б) соответствуют различным температурам в области продуктов сгорания (значения температуры на фиг. 2-б) даны в относительных единицах T/To).The results of the studies indicate the free-convective nature of the vortex formation mechanism in combustion products. In FIG. 2-a) shows a typical photograph of the process of separation of the boundary layer and the subsequent formation of a vortex near the wall of a square tube burner (d = 2.7 cm), obtained using a polarization shear interferometer assembled on the basis of the IAB-451 shadow device. Photographic registration of the process was carried out by a SKM-1M high-speed movie camera. In FIG. 2-b) a picture of the separation of the boundary layer and the formation of a vortex is obtained, obtained by numerical solution on a computer. The lines in the figure of FIG. 2-b) correspond to different temperatures in the field of combustion products (temperature values in Fig. 2-b) are given in relative units T / T o ).

Экспериментально во время опытов температура измерялась термопарой, встроенной в боковую стенку так, чтобы ее спай диаметром 50 мкм выступал над плоскостью стенки на расстоянии 0,5 мм. Результаты расчетов на ЭВМ и термопарные измерения показали, что при свободноконвективном вихреобразовании температура на стенке мало отличается от температуры на оси трубы, равной температуре горения. При отсутствии вихреобразования температура вблизи стенки в 4 раза ниже, соответственно уменьшается и теплопередача от продуктов сгорания к нагреваемой жидкости. During the experiments, the temperature was measured with a thermocouple embedded in the side wall so that its junction with a diameter of 50 μm protruded above the wall plane at a distance of 0.5 mm. The results of computer calculations and thermocouple measurements showed that with free-convective vortex formation, the temperature on the wall differs little from the temperature on the pipe axis equal to the combustion temperature. In the absence of vortex formation, the temperature near the wall is 4 times lower; accordingly, the heat transfer from the combustion products to the heated liquid also decreases.

Необходимые и достаточные условия конвективного вихреобразования вблизи фронта пламени следующие: период индукции конвекции должен быть достаточно мал, в области зарождения вихря должно выполняться условие отрыва течения на стенке. Для оценки первого из условий введем параметр σ = τ/t, где τ - характерное время распространения пламени, t - период индукции конвекции. При Pr≈ 1 период индукции конвекции равен t = 70d2/αRa2/3, где d - размер поперечного сечения трубы, α - коэффициент температуропроводности продуктов горения, Ra=PrGr - число Релея, Gr - число Грасгофа, Pr - число Прандтля (см. статью Мержанов А.Г., Штессель Э.А. Возникновение и развитие тепловой конвекции в слое вязкой жидкости. - ДАН СССР, 1970, т. 191, N 4). Поскольку τ = d/u, где u - скорость распространения пламени, то σ = 70Pe/Ra2/3, где Pe = ud/a - число Пекле. При σ > 1 необходимое условие вихреобразования вблизи фронта пламени выполняется. Это соотношение позволяет оценить то значение скорости распространения пламени, при котором необходимое условие вихреобразования выполняется. Например, для трубы диаметром 2,7 см скорость распространения пламени u ≤ 10 см/с.The necessary and sufficient conditions for convective vortex formation near the flame front are as follows: the convection induction period must be sufficiently short, and the flow separation condition on the wall must be satisfied in the vortex nucleation region. To evaluate the first of the conditions, we introduce the parameter σ = τ / t, where τ is the characteristic propagation time of the flame, t is the convection induction period. At Pr≈ 1, the convection induction period is t = 70d 2 / αRa 2/3 , where d is the pipe cross-sectional size, α is the thermal diffusivity of the combustion products, Ra = PrGr is the Rayleigh number, Gr is the Grashof number, Pr is the Prandtl number ( see article Merzhanov A.G., Shtessel EA.Appearance and development of thermal convection in a layer of viscous fluid.- DAN USSR, 1970, v. 191, No. 4). Since τ = d / u, where u is the flame propagation velocity, then σ = 70Pe / Ra 2/3 , where Pe = ud / a is the Peclet number. For σ> 1, the necessary vortex formation condition near the flame front is satisfied. This relation makes it possible to estimate the value of the flame propagation velocity at which the necessary condition of vortex formation is satisfied. For example, for a pipe with a diameter of 2.7 cm, the flame propagation velocity is u ≤ 10 cm / s.

Достаточное условие вихреобразования равносильно равенству нулю градиента скорости в направлении y, перпендикулярном стенке в точке отрыва, т.е. (∂v/∂y) = 0. В вертикальной трубе это условие может быть реализовано лишь при распространении пламени сверху вниз, когда скорость оттока расширяющихся продуктов горения компенсируется равной по величине скоростью возвратного течения опускающихся продуктов горения, охлажденных на стенке. Воспользовавшись формулой для скорости свободноконвективного движения продуктов горения

Figure 00000005
и учитывая, что скорость вытекания продуктов горения из трубы вследствие теплового расширения ν- = uo(T/To-1), можно оценить скорость распространения пламени, при которой должны наблюдаться отрыв пограничного слоя и образование вихря. Следует отметить, что данные соотношения справедливы в общем случае только для плоских пламен. Однако и в данном случае со слабоискривленными пламенами эта формула дает значения скоростей, достаточно близкие к реальным. Так как нормальная скорость uo = uSo/S, где So и S - площадь поперечного сечения трубы и площадь поверхности фронта пламени, а для слабоискривленных пламен So ≃ S, то uo=u и из условия ν+ = ν- можно получить соотношение для скорости распространения пламени:
Figure 00000006
Для трубы с поперечным размером d = 2,7 см оценка скорости распространения пламени по этому соотношению дает величину 5 см/с, что соответствует реальным значениям.A sufficient vortex formation condition is equivalent to the vanishing of the velocity gradient in the y direction, perpendicular to the wall at the separation point, i.e. (∂v / ∂y) = 0. In a vertical pipe, this condition can be realized only when the flame propagates from top to bottom, when the outflow velocity of expanding combustion products is compensated by the equal in return velocity of the descending combustion products cooled on the wall. Using the formula for the speed of free convection movement of combustion products
Figure 00000005
and taking into account that the rate of flow of combustion products from the pipe due to thermal expansion is ν - = u o (T / T o -1), we can estimate the flame propagation velocity at which separation of the boundary layer and the formation of a vortex should be observed. It should be noted that these relations are valid in the general case only for plane flames. However, in this case with slightly curved flames, this formula gives values of velocities that are quite close to real ones. Since the normal velocity is u o = uS o / S, where S o and S are the cross-sectional area of the pipe and the surface area of the flame front, and for weakly curved flames S o ≃ S, then u o = u and from the condition ν + = ν - you can get the ratio for the speed of flame propagation:
Figure 00000006
For a pipe with a transverse size d = 2.7 cm, an estimate of the flame propagation velocity from this ratio gives a value of 5 cm / s, which corresponds to real values.

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. The use of the invention will make it possible to create the most energy-efficient compact heating devices with high efficiency, which is especially important, for example, when developing domestic water heating devices.

Claims (1)

Способ нагрева жидкостей путем передачи тепла от продуктов сгорания горючей смеси, подаваемой снизу вверх в трубу-горелку, расположенную внутри теплообменника с нагреваемой жидкостью, отличающийся тем, что горючая смесь подается в трубу-горелку с постоянным расходом, обеспечивающим скорость распространения пламени u, определяемую по формуле
Figure 00000007
где d - поперечный размер трубы-горелки, To и T - начальная температура горючей смеси и температура горения.
A method of heating liquids by transferring heat from the products of combustion of a combustible mixture supplied from the bottom up to a burner pipe located inside a heat exchanger with a heated liquid, characterized in that the combustible mixture is fed into a burner pipe with a constant flow rate, providing a flame propagation speed u, determined by the formula
Figure 00000007
where d is the transverse dimension of the burner pipe, T o and T are the initial temperature of the combustible mixture and the combustion temperature.
RU98109240A 1998-05-15 1998-05-15 Method of heating liquids RU2137050C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98109240A RU2137050C1 (en) 1998-05-15 1998-05-15 Method of heating liquids

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98109240A RU2137050C1 (en) 1998-05-15 1998-05-15 Method of heating liquids

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2137050C1 true RU2137050C1 (en) 1999-09-10

Family

ID=20206028

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU98109240A RU2137050C1 (en) 1998-05-15 1998-05-15 Method of heating liquids

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2137050C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2662260C1 (en) * 2017-11-09 2018-07-25 Александр Иванович Баженов Method of contact liquid heating

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Рагозин А.С. Бытовая аппаратура на газовом, жидком и твердом топливе.-Л.: Недра, 1982, с.131-133, рис.56. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2662260C1 (en) * 2017-11-09 2018-07-25 Александр Иванович Баженов Method of contact liquid heating

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kumar et al. Nusselt number and friction factor correlation of solar air heater having twisted-rib roughness on absorber plate
Dong et al. Heat transfer from an impinging premixed butane/air slot flame jet
Yang et al. Development of micro-thermophotovoltaic power generator with heat recuperation
Hou et al. Effects of heating height on flame appearance, temperature field and efficiency of an impinging laminar jet flame used in domestic gas stoves
CN105606485B (en) A kind of annular liquid pool fire Thermal feedback measuring system based under the conditions of liquid level stabilizing
US4079778A (en) Heating system
WO2011041279A2 (en) Low nox indirect fire burner
JPS63210558A (en) Spatial heating and water heating device by integrated liquid back type gas combustion furnace
Huang et al. Thermal characteristics of a premixed impinging circular laminar-flame jet with induced swirl
RU2137050C1 (en) Method of heating liquids
Özdemir et al. Investigation of partially-premixed combustion in a household cooker-top burner
CN206817736U (en) A kind of high energy efficiency gas heater
Mochizuki et al. Local heat-transfer performance and mechanisms in radial flow between parallel disks
RU2256846C1 (en) Piping heater
Umyshev et al. Application of semi perforated v-gutter flameholders in heat-generating systems for autonomous building heating
RU2132518C1 (en) Method of heating liquid and gaseous media and burner device for realization of this method
Kozhevnikov et al. Condensing hot water boiler: applicability, design, research
Moraga et al. Unsteady fluid mechanics and heat transfer study in a double-tube air–combustor heat exchanger with porous medium
US6889910B2 (en) Combustion environment control system
Moore et al. Effect of reactant initial temperature on methane/oxygen diffusion flame stability in a furnace
Putnam et al. Basic principles of combustion-model research
RU53410U1 (en) DEVICE FOR GAS AND OIL HEATING
RU186831U1 (en) FIRE BOILER
RU2036377C1 (en) Boiler plant for independent heat supply systems
KR950011909A (en) Premixed Burners for Gas Boilers