ПАНЕЛЬНЫЙ СТРУЙНЫЙ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК F23L15/04 

Изобретение относится к конструкции теплообменников (рекуператоров), в частности воздухоподогревателей, в которых оба теплоносителя являются газами, а именно к плоским (панельным) струйным воздухоподогревателям, предназначенным для нагрева обогащенного кислородом дутьевого воздуха за счет утилизации теплоты уходящих дымовых газов промышленных печей. Воздухоподогреватели могут быть использованы для оснащения ими нагревательных и плавильных печей в машиностроении и металлургии. Подогрев воздуха, идущего на горение, позволяет экономить 20-40% топлива. Как известно, в горении топлива участвует окислитель-кислород, которого в атмосферном воздухе только 21% , остальные 79% - это в основном азот, который не участвует в горении и является балластом. Существующие конструкции рекуператоров предназначены для нагрева всего атмосферного воздуха, включая балласт. Существуют аппараты для разделения воздуха на два потока - обогащенный кислородом и обедненный кислородом (отработанная смесь). Совместное использование известных аппаратов для разделения воздуха и существующих конструкций рекуператоров экономически не оправдано вследствие громоздкости, большой металлоемкости и дополнительных затрат энергии при совмещении таких устройств. Следовательно, известные устройства не обеспечивают оптимального решения задачи подогрева обогащенного кислородом воздуха в рекуператорах промышленных печей.

Для получения обогащенного кислородом воздуха разработана мембранная технология разделения атмосферного воздуха, что является одним из перспективных научно-технических направлений в нашей стране и за рубежом. Одним из приложений этой технологии является использование ее в ресурсосберегающих процессах (Новое в науке, технике и производстве. Вып. 5. Новая мембранная техника и перспективы ее развития, Киев 1989, с. 15).

Одним из аналогов может быть рекуператор типа TK, описанный в статье R. Riman. Hutnicke listy, Rok, 1983, is, 7. Рекуператор прямоугольной формы. Камера холодного воздуха имеет также прямоугольную форму, в центре камеры имеется подводящий патрубок, внутри которого для равномерного распределения воздуха размещена конус-вставка. Этим достигается равномерное распределение воздуха по рабочей поверхности. Нагретый воздух собирается в боковых карманах и через коллектор, расположенный в одном из углов рекуператора, выходит наружу. В качестве недостатка можно отметить неравномерное распределение воздуха по рабочей поверхности и поэтому возможный перегрев ее по углам.

Известен также рекуператор, содержащий камеры холодного и нагретого воздуха, которые разделены перфорированной перегородкой. Под ней расположена рабочая поверхность, которая граничит с газоходом. Боковые карманы примыкают к боковым стенкам холодной камеры, которые соединены между собой сборным коллектором, а затем - с выходящим патрубком [1] .

Известна конструкция мембранного газоразделительного аппарата для разделения воздуха на два потока - обогащенный кислородом и отработанную смесь. Аппарат содержит кожух со штуцерами для подвода атмосферного воздуха и отвода обогащенного воздуха и отработанного воздуха. Внутри кожуха параллельно оси вдоль образующей расположены мембранные модули, содержащие полые диффузионные волокна и закрепленные концами по нормали в трубных решетках [2] .

В качестве прототипа выбран струйный воздухоподогреватель в форме панели, который содержит корпус с расположенной внутри перфорированной перегородкой и примыкающие к газоходу воздушные камеры нагретого и холодного воздуха, каждая из которых подключена к своему подающему коллектору. Через перфорированную перегородку, установленную вдоль тепловоспринимающей поверхности, камеры подключены к подводящему и отводящему патрубкам, Отверстия перфораций в перегородках размещены в шахматном порядке, причем расстояние между перегородкой и рабочей стенкой камеры и шаг между отверстиями превышают диаметр последних соответственно в 4. . . 6 и 4. . . 8 раз. Камеры последовательно соединены между собой воздуховодом, к которому они подключены через зазоры между перегородкой и их боковыми стенками. Холодный воздух, проходя последовательно через воздушные камеры, а затем через перфорированную перегородку, натекает на рабочую стенку и нагревается. Затем через патрубки уходит на горение [3] .

Известные устройства предназначены для нагрева всего атмосферного воздуха (включая балласт), а разделение воздуха необходимо производить в отдельном аппарате. Вследствие того, что разделение воздуха и его нагрев происходят в разных аппаратах, им присущи громоздкость, большая удельная металлоемкость, дополнительные потери энергии.

Задача, решаемая изобретением, состоит в снижении удельной металлоемкости (на единицу нагретого окислителя) и повышении стойкости тепловоспринимающей поверхности панельного струйного воздухоподогревателя.

Поставленная задача решена тем, что панельный струйный воздухоподогреватель, содержащий корпус, в котором расположены коллекторы холодного атмосферного и нагретого воздуха, камера холодного воздуха, ограниченная перфорированной решеткой и стенками коллекторов, и камера нагретого воздуха, ограниченная перфорированной решеткой и параллельно ей размещенной тепловоспринимающей поверхностью, и присоединенную к корпусу крышку, на которой размещены патрубки для подвода и отвода воздуха, согласно изобретению содержит дополнительный граничащий с камерой холодного воздуха коллектор отработанного воздуха с отводящим патрубком, а стенки коллекторов холодного атмосферного и отработанного воздуха, ограничивающие камеру холодного воздуха, установлены под острым углом к перфорированной решетке и снабжены отверстиями, в которых параллельно перфорированной решетке закреплены трубы с отверстиями на боковой поверхности, заполненные полыми цилиндрическими диффузионными волокнами.

На фиг. 1 представлен воздухоподогреватель, вид сверху; на фиг. 2 - то же, поперечный разрез; на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 1.

Панельный струйный воздухоподогреватель содержит корпус, в котором расположены коллекторы холодного атмосферного воздуха 1 и нагретого воздуха 2, камера холодного воздуха 3, ограниченная перфорированной решеткой 4, стенками 5, 6, 7 и 8 коллекторов и крышкой 9 корпуса. В корпусе расположены также камера нагретого воздуха 10, ограниченная перфорированной решеткой 4 и параллельно ей размещенной тепловоспринимающей поверхностью 11, и граничащий с камерой холодного воздуха 3 коллектор отработанного воздуха 12. На присоединенной к корпусу крышке 9 размещены патрубки для подвода воздуха 13, отвода нагретого воздуха 14 и отвода отработанного воздуха 15, сообщающиеся соответственно с коллектором холодного атмосферного воздуха 1, коллектором нагретого воздуха 2 и коллектором отработанного воздуха 12.

Коллектор холодного атмосферного воздуха 1 образован стенками 16, 17 и 18 корпуса, крышкой 9 и стенкой 7 коллектора. Коллектор нагретого воздуха 2 образован боковыми стенками 16 и 17 корпуса, стенками 5 и 6 камеры холодного воздуха 3, перемычкой 19, присоединенной к боковым стенкам 16 и 17 и крышке 9. В крышке 9 в месте присоединения перемычки 19 расположены щели 20 для прохода нагретого воздуха. К перемычке 19 коллектора нагретого воздуха 2 присоединен патрубок для отвода нагретого воздуха 14. Коллектор отработанного воздуха 12 образован стенками 16, 17 и 21 корпуса, крышкой 9 корпуса и стенкой 8 коллектора.

Стенки 7 и 8 коллекторов соответственно холодного атмосферного и отработанного воздуха, ограничивающие камеру холодного воздуха 3, установлены под острым углом к перфорированной решетке 4. Кроме того, стенки 7 и 8 коллекторов снабжены отверстиями 2, в которых параллельно перфорированной решетке 4 закреплены трубы 23 с отверстиями 24 на боковой поверхности, заполненные полыми цилиндрическими диффузионными волокнами 25.

Воздухоподогреватель работает следующим образом.

Холодный атмосферный воздух подают через патрубок 13 в коллектор холодного атмосферного воздуха 1, откуда он через отверстия 22 стенки 7 коллектора поступает в трубы 23, заполненные полыми цилиндрическими диффузионными волокнами 25. Проходя через волокна, воздуха разделяется на два оттока. Первый поток вследствие диффузии проходит по нормали к оси волокон и, обогащенный кислородом до 30-40% , проходит через отверстия 24 на боковой поверхности труб 23, поступая в камеру холодного воздуха 3. Из камеры 3, пройдя через отверстия в перфорированной решетке 4, воздух струями натекает на тепловоспринимающую поверхность 11, нагревается и через коллектор нагретого воздуха 2 и патрубок 14 уходит на горение. Второй поток воздуха, обедненный кислородом (отработанный), проходит вдоль оси внутри полых цилиндрических диффузионных волокон 25, собирается в коллекторе отработанного воздуха 12 и через патрубок 15 поступает на сброс или технологические нужды.

Размещение стенок 7 и 8 под острым углом к перфорированной решетке 4 позволяет организовать эффективное охлаждение тепловоспринимающей поверхности 11 вблизи боковых стенок и тем самым исключить прогар по углам на стыке боковых стенок и тепловоспринимающей поверхности. В итоге повышается стойкость воздухоподогревателя. Размещение в отверстиях 2 наклонных стенок 7 и 8 коллекторов труб 23 с отверстиями 24 на боковых поверхностях, заполненных полыми цилиндрическими диффузионными волокнами 25, позволяет организовать в панельном струйном воздухоподогревателе разделение атмосферного воздуха на два потока - обогащенный кислородом воздух и обедненный (отработанный) воздух. Причем поток обогащенного кислородом воздуха, пройдя через отверстия 24 труб 23, а затем через отверстия в перфорированной решетке 4, натекает на тепловоспринимающую поверхность 11, нагревается и отводится на горение, а отработанный воздух не нагретым подается на сброс. Организация в одном устройстве процесса разделения воздуха и нагрева только обогащенного потока позволяет снизить удельную металлоемкость на единицу окислителя.

Экономические и технические преимущества предлагаемого воздухоподогревателя состоят в том, что в нем происходит одновременно обогащение воздуха кислородом и последующий нагрев обогащенного воздуха. Использование для горения нагретого обогащенного кислородом воздуха интенсифицирует процессы горения, экономит природный газ. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 162000, кл. F 28 F 3/00, опублик, 1972.

2. Патент США N 4734106, кл. В 01 D 53/22, опублик, 1988.

3. Авторское свидетельство СССР N 964356, кл. F 23 L 15/04, опублик, 1982.

Использование: для оснащения нагревательных и плавильных печей в машиностроении и металлургии. Сущность изобретения: воздухоподогреватель содержит дополнительный коллектор отработанного воздуха со стенками, установленными под острым углом к перфорированной решетке, которая ограничивает камеру холодного воздуха. Стенки коллекторов холодного атмосферного и отработанного воздуха, ограничивающие камеру холодного воздуха, снабжены отверстиями, в которых установлены трубы с отверстиями на боковой поверхности, заполненные полыми цилиндрическими диффузионными волокнами. 3 ил.

ПАНЕЛЬНЫЙ СТРУЙНЫЙ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЬ, содержащий корпус, в котором расположены коллекторы холодного атмосферного и нагретого воздуха, камера холодного воздуха, ограниченная перфорированной решеткой и стенками коллекторов, и камера нагретого воздуха, ограниченная перфорированной решеткой и параллельно ей размещенной тепловоспринимающей поверхностью, и присоединенную к корпусу крышку, на которой размещены патрубки для подвода и отвода воздуха, отличающийся тем, что, с целью сокращения металлоемкости и повышения надежности, он содержит дополнительный, граничащий с камерой холодного воздуха коллектор отработанного воздуха с отводящим патрубком, а стенки коллекторов холодного атмосферного и отработанного воздуха, ограничивающие камеру холодного воздуха, установлены под острым углом к перфорированной решетке и снабжены отверстиями, в которых параллельно перфорированной решетке закреплены трубы с отверстиями на боковой поверхности, заполненные полыми цилиндрическими диффузионными волокнами.