КОНТАКТНЫЙ ТЕПЛОУТИЛИЗАТОР Российский патент 1996 года по МПК F28C3/06 F24H1/10 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в установках для нагрева воды уходящими дымовыми газами котельных.

Известен контактный теплоутилизатор (скруббер), содержащий вертикальный корпус, ороситель, установленный в теплообменной камере, кольцевые конические элементы, перфорированный коллектор с патрубком подвода горячего газа [1]
Известный скруббер эффективен для больших скоростей горячего газа. Ввод дополнительных продольных перегородок усложняет конструкцию теплоутилизатора. Конструкция кольцевых конических элементов и отбойников приводит к образованию застойных зон без теплообмена. Подача горячих газов в сторону дна теплоутилизатора приводит к дополнительному сопротивлению и потере скорости. Отсутствие перераспределения подаваемого газа не позволяет создавать и поддерживать оптимальный режим при изменении параметров газа во время работы. Скрубберы требуют значительных капиталовложений.

Известный контактный теплоутилизатор [2] содержит вертикальный корпус, ороситель, установленный над насадкой теплообменной камеры, кольцевой конический элемент, перфорированный коллектор с патрубком подвода горячего газа, подвижную регулирующую заслонку.

Боковое расположение подводящего газового патрубка создает неравномерность подаваемого горячего газа по сечению корпуса и насадки. Основной поток газа проходит через серединный участок насадки. Пристенные участки образуют неэффективные зоны. Отсутствует регулирование направления подачи горячего газа. Теплоутилизатор обладает значительной сложностью. Нет возможности достижения оптимального режима работы этого аппарата для обеспечения увеличения производительности при небольших температурах теплоносителя.

Целью изобретения является интенсификация процесса теплообмена и увеличение производительности без значительного усложнения теплоутилизатора.

Эта цель достигается тем, что в контактном теплоутилизаторе, содержащем вертикальный корпус, ороситель, установленный над насадкой теплообменной камеры, кольцевой конический элемент, перфорированный коллектор с патрубком подвода горячего газа, подвижную регулирующую заслонку, коллектор установлен на периметре теплообменной камеры, а перфорация выполнена на внутренней стенке кольцевого коллектора с суммарным сечением каждого ряда отверстий, увеличивающимся по высоте стенки. Подвижная регулирующая заслонка снабжена перфорацией и установлена после или перед внутренней стенкой кольцевого коллектора с возможностью сдвига относительно его отверстий таким образом, что проходное сечение верхнего ряда отверстий изменяется в большую (меньшую), нижнего ряда в меньшую (большую) сторону. Конический элемент снабжен перфорацией для прохода нагреваемой воды и охлаждаемого газа и пилообразной перегородкой с зубцами, направленными вверх.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличает от прототипа наличие установленного на периметре теплообменной камеры кольцевого коллектора с перфорацией, выполненной на внутренней стороне, имеющей суммарное сечение каждого ряда отверстий, увеличивающееся по высоте стенки, подвижной регулирующей заслонки, снабженной перфорацией, и смонтированной после или перед внутренней стенкой кольцевого коллектора с возможностью сдвига относительно его отверстий таким образом, что проходное сечение верхнего его ряда изменяется в большую (меньшую), нижнего ряда в меньшую (большую) сторону, а также конического элемента, снабженного перфорацией для прохода нагреваемой воды и охлаждаемого газа и пилообразной перегородкой с зубцами, направленными вверх, которые в отличие от прототипа интенсифицируют процесс теплообмена и увеличивают производительность аппарата без значительного усложнения. Таким образом, заявленный теплоутилизатор соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого теплоутилизатора не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображен контактный газовый водонагреватель; на фиг. 2 узел I на фиг. 1; на фиг. 3 расположение проходных отверстий при сдвиге подвижной регулирующей заслонки; на фиг. 4 разрез А -А на фиг. 1.

Контактный теплоутилизатор содержит вертикальный корпус 1 с верхним отводящим и нижним подводящим патрубками 2, 3. Камеры теплообмена 4 и каплеулавливания 5 снабжены насадками 6 и 7. Под насадкой 7 размещен ороситель 8. С целью предотвращения растекания воды по стенкам камеры теплообмена 4 над насадкой 6 установлено кольцо 9. Для исключения застойных зон теплообмена это кольцо 9 снабжено отверстиями 10 (фиг. 2) или выполнено в виде сетки. Внутренний диаметр кольца 9 выполняется меньшим диаметра камеры теплообмена на величину, зависящую от температур охлаждаемого газа на входе и выходе из аппарата, что позволяет интенсифицировать теплообмен за счет обеспечения постоянства скорости газа по сечению камеры. Для лучшего оттока жидкости от стенок камеры теплообмена кольцо 9 выполнено конусообразно с наклоном в сторону оси теплоутилизатора. Внутренний периметр конусного кольца снабжен пилообразной перегородкой 11 с зубцами 12 (фиг. 2), направленными вверх, которые предназначены для равномерного стекания воды по периметру кольца. Подводящий патрубок 3 подсоединен к закольцованному коллектору 13, который установлен на периметре теплообменной камеры 4. Внутренняя стенка 14 (фиг. 3) коллектора 13 снабжена отверстиями 15. Суммарное сечение каждого ряда отверстий 15 выполнено увеличивающимся по высоте стенки 14, что способствует выравниванию потока горячего газа по поперечному сечению камеры теплообмена 4. Коллектор 13 снабжен перегородкой 16 (фиг. 4) с каналами 17 для разделения потоков горячего газа. Со стороны внутренней стенки 14 коллектора 13 с помощью заплечиков 18 подвешена подвижная регулирующая заслонка 19 с возможностью поворота вокруг оси на небольшой угол. Эта регулирующая заслонка 19 снабжена ступенчато расположенными отверстиями 20 (фиг. 3), частично перекрывающими отверстиям 15 внутренней стенки коллектора 13. При сдвиге регулирующей заслонки относительно отверстий 15 изменяется проходное сечение верхнего ряда отверстий коллектора в большую (меньшую), а нижнего ряда в меньшую (большую) сторону, т.е. в обратной пропорции.

Теплоутилизатор работает следующим образом. Горячий газ подается через подводящий патрубок 3 в коллектор 13, в котором происходит распределение порций газа по отверстиям 15 (фиг. 3) стенки 14 коллектора 13. Увеличивающееся по высоте суммарное сечение отверстий 15 способствует выравниванию подачи горячего газа по поперечному сечению теплообменной камеры 4. Через отверстия верхнего ряда с большим суммарным проходным сечением, а значит, и меньшим сопротивлением, горячий газ проходит с небольшой скоростью. Уменьшению напора горячего газа верхнего ряда отверстий способствует перегородка 16 (фиг. 4) с каналами 17. Потоки газа с меньшей скоростью проходят ближе к стенкам камеры 4 в месте расположения насадки 6. Через нижний ряд отверстий с меньшим суммарным проходным сечением газ проходит с большей скоростью. Поступая в камеру теплообмена 4 из противоположно расположенных отверстий, потоки газа суммируются в центре. Подбором сечения отверстий достигается оптимальное распределение газа. Поворотом подвижной регулирующей заслонки 19 (фиг. 3, 4) вокруг вертикальной оси водонагревателя на небольшой угол изменяются в обратной пропорции проходные сечения верхних и нижних отверстий, т. е. при прикрытии верхних отверстий увеличивается проходное сечение нижних и наоборот. Таким образом, перераспределяется количество подаваемого горячего газа в камеру теплообмена 4 до достижения равномерного распределения по сечению. При этом организация направления основного потока охлаждаемого газа осуществляется проходным сечением кольца 9. Часть газа проходит через отверстия 10 кольца.

Холодная вода из оросителя 8 подается равномерно по сечению корпуса 1. Основной поток воды проходит через проходное сечение кольца 9. Попадая на кольцо, часть воды протекает через отверстия 10, что предотвращает образование застойных зон у стенок насадки 6. Другая часть воды стекает по конусной поверхности кольца 9 и равномерно перетекает через пилообразную перегородку с зубцами, направленными вверх, за счет небольшого ее возвышения над внутренним периметром кольца. Стекая на насадку 6 в виде тонкой пленки, вода подогревается восходящим потоком охлаждаемых газов. Нагретая вода стекает в водосборник и отводится по назначению. Охлажденный газ через насадку каплеуловителя 5 отводится по патрубку 2. При глубоком охлаждении горячих газов в сочетании с конденсацией объем их значительно снижается по высоте камеры теплообмена и составляет
V 0,9 V₁ (T + t_вых/(T + t_вх),
где 0,9 коэффициент, учитывающий конденсацию 60-70% водяных паров, содержащихся в газах;
V₁, V объемы охлаждаемых газов на входе и выходе теплоутилизатора;
t_вх, t_вых температура охлаждаемых газов на входе и выходе теплоутилизатора;
T абсолютная температура.

В такой же зависимости определяется внутренний диаметр кольца 9 (фиг. 1).

Д 0,9Д₁ (T + t_вых)/(T + t_вх),
где Д₁, Д диаметры начального проходного сечения камеры теплообмена и кольца.

Таким образом, интенсификация процесса теплообмена, увеличение производительности и приближение к оптимальному режиму работы теплоутилизатора обеспечивается простыми в изготовлении и использовании устройствами. Наличие кольцевого конического элемента организует направление основного потока горячего газа, а выполнение его проходного сечение меньшим диаметра камеры теплообмена на величину, зависящую от температуры охлаждаемого газа на входе и выходе из аппарата, позволяет обеспечить постоянство скорости газа по сечению камеры. Наклон кольцевого конического элемента улучшает отток жидкости от стенок камеры теплообмена и насадки. Перфорированный кольцевой конический элемент уменьшает количество застойных зон теплообмена. Пилообразная перегородка способствует равномерности стекания части воды с плоскости кольцевого элемента. Увеличивающееся по высоте суммарное сечение каждого ряда отверстий выравнивает потоки горячего газа по поперечному сечению камеры теплообмена. Изменением проходного сечения верхних отверстий по отношению к нижним в обратном пропорции достигается перераспределение количества подаваемого горячего газа до достижения равномерного распределения по сечению теплообменной камеры, чему также способствует установка перегородки в кольцевом коллекторе, позволяющая уменьшить скоростной напор веpхнего ряда отверстий.

Использование: теплоэнергетика, нагрев воды уходящими дымовыми газами. Сущность изобретения: горячий газ поступает в коллектор 13 и далее через отверстия в его стенке направляется под насадку 6, размещенную в корпусе 4. Увеличивающееся по высоте суммарное сечение отверстий способствует равномерному распределению газового потока по сечению корпуса 4. Холодная вода из оросителя 8 поступает на перфорированную тарелку 9 с центральным газоперепускным патрубком, выходной торец которого выполнен с пилообразными зубцами. Далее вода через перфорацию тарелки и между зубцами переливается на насадку 6, где нагревается газом. 1 з.п. ф-лы. 4 ил.

1. Контактный теплоутилизатор, содержащий вертикальный корпус с верхним газоотводящим и нижним газоподводящим коллекторами, последний из которых выполнен с отверстиями, насадку с оросителем, размещенную в корпусе между коллекторами, и перфорированную конусную тарелку с центральным газоперепускным патрубком, выходной торец которого размещен выше нижнего основания тарелки, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности путем интенсификации тепломассообмена, коллектор образован кольцевой камерой, размещенной на корпусе и имеющей с последним общую стенку, в которой выполнены упомянутые отверстия, причем последние размещены рядами по периметру корпуса, а их проходные сечения выполнены увеличивающимися снизу вверх. 2. Теплоутилизатор по п.1, отличающийся тем, что выходной торец газоперепускного патрубка выполнен с пилообразными зубцами.