blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2017-8-643-650blackmet-1186Research ArticleИННОВАЦИИ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ ПРОМЫШЛЕННОМ И ЛАБОРАТОРНОМ ОБОРУДОВАНИИ, ТЕХНОЛОГИЯХ И МАТЕРИАЛАХINNOVATIONS IN METALLURGICAL INDUSTRIAL AND LABORATORY EQUIPMENT, TECHNOLOGIES AND MATERIALSТЕПЛООБМЕННЫЙ БЛОК ДЛЯ РЕГЕНЕРАТИВНОЙ ГОРЕЛКИHEAT EXCHANGE BLOCK FOR REGENERATIVE BURNERДружининГ. М.DruzhyninD. M.

доктор технических наук, зам. директора по науке, профессор кафедры «Теплофизика и информатика в металлургии».

620137, Россия, Екатеринбург, ул. Студенческая, 16.

Dr. Sci. (Eng.), Deputy Director for Science, Professor of the Chair “Thermal Physics and Informatics in Metallurgy”. 

 Ekaterinburg.

gorelka.D@yandex.ruЛошкаревН. Б.LoshkarеvN. B.

кандидат технических наук,  доцент кафедры «Теплофизика и информатика в металлургии». 

620002, Россия, Екатеринбург, ул. Мира, 19.

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Thermal Physics and Informatics in Metallurgy”. 

Ekaterinburg.

ЛошкаревА. Н.LoshkarеvA. N.

 старший преподаватель кафедры «Теплофизика и информатика в металлургии». 

620002, Россия, Екатеринбург, ул. Мира, 19.

Senior Lecturer of the Chair “Thermal Physics and Informatics in Metallurgy”. 

Ekaterinburg.

mrAir@mail.ruМухамадиеваА. Х.MukhamadievaA. Kh.

магистрант кафедры «Теплофизика и информатика в металлургии». 

620002, Россия, Екатеринбург, ул. Мира, 19.

 MA Student of the Chair “Thermal Physics and Informatics in Metallurgy”. 

Ekaterinburg.

halitovna93@gmail.comМуксиновД. Ф.MuksinovD. F.

 магистрант кафедры «Теплофизика и информатика в металлургии».  

620002, Россия, Екатеринбург, ул. Мира, 19.

 MA Student of the Chair “Thermal Physics and Informatics in Metallurgy”.

Ekaterinburg.

chuparpollo@mail.ruОАО «Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники» ; Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина.РоссияOJSC “Scientific Research Institute of Metallurgical Heat Engineering” (“VNIIMT”); Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin.Russian FederationУральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина.РоссияUral Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin.Russian Federation201702122017608643650Copyright © Дружинин Г.М., Лошкарев Н.Б., Лошкарев А.Н., Мухамадиева А.Х., Муксинов Д.Ф., 20172017Дружинин Г.М., Лошкарев Н.Б., Лошкарев А.Н., Мухамадиева А.Х., Муксинов Д.Ф.Druzhynin D.M., Loshkarеv N.B., Loshkarеv A.N., Mukhamadieva A.K., Muksinov D.F.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1186

Современные регенеративные горелки нагревательных и термических печей имеют достаточно большие размеры и малое время  перекидки, что связано с низкой теплоемкостью огнеупорных материалов, применяемых для изготовления насадки. Большие габариты регенеративных горелок затрудняют их применение на нагревательных и термических печах, а малое время перекидок приводит к снижению  срока эксплуатации перекидных клапанов. Существенно уменьшить размеры насадки и увеличить при этом время перекидки позволяет  использование скрытой теплоты плавления металлов, которая на порядок выше теплоемкости керамики, из которой изготавливают насадку в современных рекуперативных горелках. В предлагаемом техническом решении рекомендуется использовать тонкостенные емкости,  в  которые помещаются металлы с различной теплотой плавления. Из таких емкостей набираются блоки, в которых температура плавления  металла, заполняющего емкости, одинакова, а в соседних блоках отличается примерно на 100 °С. Как известно, при плавлении металлов  их температура остается постоянной, поскольку вся подводимая к металлу теплота расходуется на плавление. Это позволяет поддерживать  постоянную температуру секции, удерживая ее равной температуре плавления металла в данной секции, снимая с ее поверхности нагреваемым воздухом теплоту или отдавая поверхности теплоту продуктов сгорания, выделяющуюся при кристаллизации или поглощаемую  при плавлении металлического ядра. Расчет времени перекидки и массы металла в одной секции, основанный на совместном решении  уравнений теплового баланса и теплообмена между нагреваемым воздухом и поверхностью емкостей, позволяет определить габаритные  размеры каждой секции, заполненной плавящимся или кристаллизующимся металлом и ее теплообменную поверхность. В данной работе  приведен расчет массы плавкого ядра, размеров секции и времени перекидки регенеративного блока, состоящего из десяти секций с плавким ядром. Расчет обосновывает возможность снижения габаритов регенеративной насадки для горелки мощностью 200 кВт и увеличение  времени перекидки, причем температура подогрева воздуха остается постоянной. Кроме того, в работе предложена конструкция секции и  теплообменного блока, которые позволяют решить задачу уменьшения размеров регенеративного блока и увеличения времени перекидки  по сравнению с существующими регенераторами, используемыми для нагрева воздуха в регенеративных горелках. Предлагаемая конструкция может быть использована для создания регенеративных горелок нового класса, обладающих высокой эффективностью, высокой  температурой подогрева воздуха и значительным временем перекидки.

 Modern regenerative burners for heating and thermal furnaces  have rather larger sizes and small heat exchange period time that is  connected with a low thermal capacity of the refractory materials  applied to production of a nozzle. Considerable decrease in the sizes  of nozzle and increase in heat exchange period time can be reached  by using the hidden warmth of metals melting, which can be placed  in the closed thin-walled reservoirs. In addition, the paper propose  section design and a heat exchange unit enable to solve the problem  of reducing the size of regenerative unit and increase the time of the  swap, compared to existing regenerators that are used for air heating  in regenerative burners. The proposed design can be used to create  regenerative burners, a new class of highly effective, high temperature air preheating, and considerable time of swap. Such reservoirs,  in which temperature of metal melting is equal, are packed in the sections. The next sections’ melting temperature differs approximately by 100  °C. It allows to maintain the fixed section temperature, which  is equal the temperature of metal melting in this section, and removing from its surface or giving it, by products of combustion, warmth,  which sets out in case of crystallization or is absorbed when metal  kernel melts. Calculation of the swap time and the metal mass in one  section, based on the joint solution of equations of heat balance and  heat transfer between the heated air and the surface of tanks, allows  to determine the overall dimensions of each section, filled with melting or crystallizing metal and its heat exchange surface. Fusible kernel mass, sizes of section and heat exchange period time calculations  for regenerative block consisting of ten sections with a fusible kernel  is given in this work. Calculation proves a possibility of decrease in  dimensions of a regenerative nozzle for a 200 kW burner, and increase in heat exchange period time, while air heating temperature  remains constant. The technical solution can be used in a thin-walled  container in which are placed the metals with different heat of fusion. Large size regenerative burners hamper their use in heating and  thermal furnaces, and fast parecidos leads to a decrease in period of  operation of the changeover valve.

 регенератор теплообменный аппарат утилизация теплоты регенеративная горелка плавкое ядро плавкая насадка скрытая  теплота плавленияregenerator heat exchange device heat utilization regenerative burner fusible kernel fusible nozzle hidden warmth of meltingReferencesБирюков А.Б. Современные аспекты использования регенеративных горелок для отопления пламенных печей // Черная металлургия. Бюл. ин-та «Черметинформация». 2015. № 11. С. 31 – 36.Biryukov A.B. Modern aspects of use of regenerative burners for  heating of blast furnaces. Chernaya metallurgiya. Byul. in­ta “Chermetinformatsiya”. 2015, no.11, pp. 31–36. (In Russ.). Contarin F., Barcellos W.M., Saveliev A.V., Kennedy L.A. Energy extraction from a porous media reciprocal flow burner with embedded heat exchangers // Journal of Heat Transfer. 2005. Vol. 127. No. 2. P. 123 – 130.Contarin F., Barcellos W.M., Saveliev A.V., Kennedy L.A. Energy  extraction from a porous media reciprocal flow burner with embedded heat exchangers. Journal of Heat Transfer. 2005, vol. 127,  no.  2, pp. 123–130.Contarin F., Barcellos W.M., Saveliev A.V., Kennedy L.A A porous media reciprocal flow burner with embedded heat exchangers // Proceedings of the 2003 ASME Summer Heat Transfer Conference, Las Vegas, Nevada, USA, July 21–23, 2003. Vol. 2. P. 35 – 42.Contarin F., Barcellos W.M., Saveliev A.V., Kennedy L.A A porous  media reciprocal flow burner \with embedded heat exchangers. In:  Proceedings of the 2003 ASME Summer Heat Transfer Conference, Las Vegas, Nevada, USA, July 21–23, 2003, vol. 2, pp. 35–42. Chatys R. Bloom reheating with regenerative burners // Steel Times. 2000. Vol. 228. No. 2. P. 65.Chatys R. Bloom reheating with regenerative burners. Steel Times.  2000, vol. 228, no. 2, pp. 65. Orman L.J. NKK’s low NOx energy regenerative burner // Steel Times. 2000. Vol. 228. No. 2. P. 62.Orman  L.J.  NKK’s  low  NOx  energy  regenerative  burner.  Steel Times. 2000, vol. 228, no. 2, p. 62. Malcho M. Evaluating low NOx burners // Steel Times. 2000. Vol. 228. No. 2. P. 64 – 65.Malcho M. Evaluating low NOx burners. Steel Times. 2000, vol.  228,  no. 2, pp. 64–65.Rafidi N., Blasiak W. Heat transfer characteristics of hitac heating furnace using regenerative burners // Applied Thermal Engineering. 2006. Vol. 26. No. 16. P. 2027 – 2034.Rafidi N., Blasiak W. Heat transfer characteristics of hitac heating  furnace using regenerative burners. Applied Thermal Engineering. 2006, vol. 26, no. 16, pp. 2027–2034.Nellis G.F., Klein S.A. Regenerative heat exchangers with significant entrained fluid heat capacity // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2006. Vol. 49. No. 1 – 2. P. 329 – 340.Nellis G.F., Klein S.A. Regenerative heat exchangers with significant entrained fluid heat capacity. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2006, vol. 49, no. 1-2, pp. 329–340.Saastamoinen J.J. Heat transfer in crossflow regenerators // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1999. Vol. 42. No.17. P. 3205 – 3216.Saastamoinen J.J. Heat transfer in crossflow regenerators. International Journal of Heat and Mass Transfer. 1999, vol. 42, no. 17.  P.  3205–3216.Erk H.F., Dudukovic M.P. Phase-change heat regenerators: modeling and experimental studies //Aiche Journal.1996. Vol. 42. No. 3. P. 791 – 808.Erk H. F., Dudukovic M. P. Phase-change heat regenerators: modeling and experimental studies. Aiche Journal. 1996, vol. 42, no. 3,  pp. 791–808.Mitrovic J., Stephan K. Mean fluid temperatures in direct contact heat exchangers without phase change // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1996. Vol. 39. No. 13. P. 2745 – 2750.Mitrovic J., Stephan K. Mean fluid temperatures in direct contact  heat exchangers without phase change. International Journal of Heat and Mass Transfer. 1996, vol. 39, no. 13, pp. 2745–2750.Chatys R., Orman L.J., Malcho M. Heat transfer enhancement in phase-change heat exchangers // Aviation. 2014. Vol. 18. No. 1. P. 40 – 43.Chatys R., Orman L.J., Malcho M. Heat transfer enhancement  in phase-change heat exchangers. Aviation. 2014, vol. 18, no.  1,  pp.  40–43.Radchenko N. A concept of the design and operation of heat exchangers with change of phase // Archives of Thermodynamics. 2004. Vol. 25. No. 4. P. 3 – 18.Radchenko N. A concept of the design and operation of heat exchangers with change of phase. Archives of Thermodynamics. 2004,  vol. 25, no.4, pp. 3–18.А.с. 366 791 СССР. Гордон Я.М., Швыдкий В.С., Советкин В.Л., Ярошенко Ю.Г. Регенеративный теплообменник // Бюл. изобретений. 1988. № 2.Gordon Ya.M., Shvydkii V.S., Sovetkin V.L., Yaroshenko Yu.G. Regenerativnyi teploobmennik [Regenerative heat exchanger]. Certificate of authorship USSR no. 1 366 791. Byulleten’ izobretenii. 1988,  no. 2. (In Russ.).Теплотехнические расчеты металлургических печей: Учеб. пособие для студентов вузов. – 2-е изд. / Б.Ф. Зобнин, М.Д. Казяев, Б.И. Китаев и др. – М.: Металлургия, 1982. – 360 с.Zobnin  B.F.,  Kazyaev  M.D.,  Kitaev  B.I.,  Lisienko  V.G.,  Telegin  A.S., Yaroshenko Yu.G. Teplotekhnicheskie raschety metallurgicheskikh pechei: uchebnoe posobie dlya studentov vuzov [Thermal  technical calculations of metallurgical furnaces: Manual for universities]. Moscow: Metallurg, 1982, 360 p. (In Russ.).Расчеты нагревательных печей / Э.М. Гольдфарб, А.Ф. Кравцов, И.И. Радченко и др. / Под ред. Н.Ю. Тайца. – Киев: Госуд. изд-во технической литературы УССР, 1958. – 420 с.Gol’dfarb E.M., Kravtsov A.F., Radchenko I.I. Raschety nagrevatel’nykh pechei [Calculations of heating furnaces]. Taits N.Yu. ed. Kiev:  Gosudarstvennoe izdatel’stvo tekhnicheskoi literatury USSR, 1958,  420 p. (In Russ.).Физические свойства сталей и сплавов, применяемых в энергетике: Справочник / Под ред. Б.Е. Неймарк. – М.– Л.: Энергия, 1967. – 240 с.Fizicheskie svoistva stalei i splavov, primenyaemykh v energetike: Sprav. [Physical properties of steels and alloys for energy industry:  Reference book]. Neimark B.E. ed. Moscow-Leningrad: Energiya,  1967, 240 p. (In Russ.).Тимошпольский В.И. Теплотехнические основы металлургических процессов и агрегатов высшего технического уровня. – М.: Наука и техника, 1995. – 296 с.Timoshpol’skii V.I. Teplotekhnicheskie osnovy metallurgicheskikh protsessov i agregatov vysshego tekhnicheskogo urovnya [Fundamentals of metallurgical heat engineering processes and units of the  highest technical level]. Moscow: Nauka i tekhnika, 1995, 296 p.  (In Russ.).Тимофеев В.Н., Карасина Э.С. Излучение газов (номограммы) // Изд. ВТИ. 1948. № 9, 10.Timofeev V.N., Karasina E.S. Izluchenie gazov (nomogrammy)  [Emission gases (nomograms)]. Izd. VTI, 1948, no. 9–10. (In Russ.).Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. – М. – Л.: Госуд. энергетическое изд-во, 1960. – 465 с.Idel’chik  I.E.  Spravochnik po gidravlicheskim soprotivleniyam [Reference  book  on  hydraulic  resistances].  Moscow-Leningrad:  Gosudarstvennoe  energeticheskoe  izdatel’stvo,  1960,  465  p.  (In  Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.