РЕКУПЕРАТОР Российский патент 1997 года по МПК F23L15/04 

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к металлургической теплотехнике и печам.

Наиболее близким по технической сущности является рекуператор, включающий насадку из керамических трубок и соединительных элементов. Насадка заключена в камеру с входными и выходными каналами. Уходящие из нагревательной печи дымовые газы из надрекуператорного пространства проходят по трубкам насадки и через подрекуператорное пространство выходят в дымопровод печи и далее в дымовую трубку. Воздух при помощи вентилятора затягивается через входные каналы, проходит между трубками насадки и через выходные каналы поступает в сборный воздухопровод и далее в горелки печи. В каждом входном и выходном канале поперечное сечение выполнено постоянной величины по длине и образовано параллельными боковыми стенками (Справочник конструктора печей прокатного производства. М. Металлургиздат, 1970, т. II, с. 542, рис. XVIII-3).

Недостатками известного рекуператора являются низкий теплообмен, пониженная температура нагрева воздуха и, как следствие, повышенный расход топлива на нагрев металла в печи. Это объясняется тем, что суммарная площадь проходных сечений входных каналов имеет большую величину и составляет около 50% площади стены, в которой выполнены входные каналы для воздуха, и на 80% больше площади проходного сечения насадки по воздуху между трубками. Вследствие этого скорость воздуха во входных каналах меньше его скорости в проточной части насадки между трубками. В этих условиях гидравлическое сопротивление входных каналов и разрежение в воздушных каналах насадки становятся незначительными, в то время как разрежение в дымовых каналах рекуператора превышает эти значения на целый порядок. В этом случае рекуператор работает с высоким перепадом давлений между воздушными и дымовыми каналами, что приводит к большой утечке воздуха в дымовые каналы, достигающей 40% и более от всего объема воздуха, поступающего в рекуператор через его входные каналы. При перетоке воздуха в дымовые каналы происходит снижение температуры дымовых газов на 150-200^oC, в связи с чем снижается интенсивность теплообмена в рекупораторе и уменьшается температура нагрева воздуха на 100-200^oC. Сказанное приводит к необходимости увеличения расхода топлива на нагрев металла в печи, а также к снижению паропроизводительности котлов-утилизаторов.

Технический эффект при использовании изобретения заключается в повышении эффективности нагрева воздуха и дымовых газов, выходящих из рекуператора.

Указанный технический эффект достигается тем, что рекуператор включает насадку из керамических трубок и соединительных элементов, заключенную в камеру с входными и выходными каналами, а также надрекуператорное и подрекуператорное пространства.

Поперечное сечение входного канала выполнено с переменным сечением по длине стенок канала Т-образной формы. Величина отношения минимального расстояния h между стенками входного канала к максимальному расстоянию между ними H составляет 0,1-0,6, величина отношения максимального расстояния между стенками H к расстоянию между осями Т-образных элементов S составляет 0,35-0,5, отношение толщины δ полки T-образного элемента к его длине l составляет 0,001-0,50.

Суммарная площадь F входных каналов устанавливается по зависимости:

где F суммарная площадь входных участков, каналов, м²;
Q расход воздуха, входящего через все каналы рекуператора, м³/с;
ΔP величина перепада давления между воздушными и дымовыми каналами, кг/м²;
K (0,25 0,30) эмпирический коэффициент, характеризующий гидравлическое сопротивление входных каналов, с•кг^0,5/м².

Повышение эффективности работы рекуператора будет происходить вследствие уменьшения перепада давления между его воздушными и дымовыми каналами, а также из-за уменьшения утечки поступающего воздуха с воздушных в дымовые каналы. В этих условиях повышается температура дымовых газов в дымовых каналах насадки и на выходе из нее, увеличиваются интенсивность теплообмена в керамической насадке и температура нагрева воздуха, снижается расход топлива на нагрев металла в печи.

Диапазон значений отношения минимального расстояния между стенками h Т-образных элементов к максимальному расстоянию H между ними в пределах 0,1-0,6 объясняется закономерностями течения воздуха между боковыми стенками входного канала. При больших значениях отношения h/H не будет уменьшаться перепад давлений между воздушными и дымовыми каналами рекуператора. При меньших значениях снижается объем воздуха, проходящего через насадку рекуператора, сверх допустимых значений. Указанный диапазон устанавливается в прямой зависимости от расхода воздуха через рекуператор.

Диапазон значений отношения H/S в пределах 0,35-0,5 объясняется тем, что при меньших значениях струя воздушного потока во входном канале не будет омывать первые ряды керамических трубок, вследствие чего снижается эффективность работы насадки. При больших значениях уменьшается прочность T-образного элемента. Указанный диапазон устанавливается в прямой зависимости от значения S.

Диапазон значений эмпирического коэффициента K в пределах 0,25-0,30 объясняется закономерностями гидравлического сопротивления входных каналов в виде Т-образных элементов. При меньших значениях уменьшается суммарная площадь входных каналов сверх допустимых значений. При больших значениях не будет обеспечиваться необходимый перепад давлений в насадке рекуператора. Указанный диапазон устанавливается в обратной зависимости от значения отношения h/H.

Диапазон значений отношения толщины δ полки T-образного элемента к его длине l в пределах 0,001-0,5 объясняется закономерностями раскрытия струи воздуха при проходе между Т-образными элементами. При больших значениях не будет обеспечиваться необходимое раскрытие факела воздуха. При меньших значениях не будет обеспечиваться необходимая прочность полок Т-образных элементов. Указанный диапазон устанавливается в прямой зависимости от длины l T-образного элемента.

Анализ научно-технической и патентной литературы показывает отсутствие совпадения отличительных признаков заявляемого рекуператора с признаками известных технических решений. На основании этого делается вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 показана схема рекуператора, продольный разрез; на фиг. 2 то же, разрез А-А; на фиг. 3 то же, разрез Б-Б.

Рекуператор состоит из огнеупорного корпуса 1, керамических трубок 2 с зазором 3 между ними, соединительных элементов 4, перекрытия 5, надрекуператорного 6 и подрекуператорного 7 пространств, входного окна 8, выходного окна 9, керамических элементов Т-образной формы 10, щелей 11 и 12, воздуховода 13. Позициями h и H обозначена ширина щелей между стенками T-образного элемента, S расстояние между осями Т-образных элементов или между осями трубок насадки, d толщина полки T-образного элемента, l - длина T-образного элемента.

Рекуператор работает следующим образом.

Пример. При работе рекуператора дымовые газы поступают в надрекуператорное пространство 6, далее проходят по трубкам 2 и выходят в подрекуператорное пространство 7. Насадка рекуператора состоит из керамических трубок 2, соединенных керамическими соединительными элементами 4. Входное окно 8 рекуператора состоит из Т-образных керамических элементов 10 со щелями 11 и 12 в поперечном сечении, образующими входные каналы.

Величина отношения минимального расстояния h между стенками входного канала к максимальному расстоянию H между ними составляет 0,1-0,6, величина отношения максимального расстояния между стенками H к расстоянию S между осями Т-образных элементов 10 составляет 0,35-0,5, отношение толщины d полки T-образного элемента к его длине l составляет 0,001-0,5. Суммарная площадь F входных каналов устанавливается по зависимости:

где: F суммарная площадь входных участков каналы, м²;
Q расход воздуха, входящего через все каналы рекуператора, м³/с;
ΔP величина перепада давления между воздушными и дымовыми каналами, кг/м²;
K (0,25 0,30) эмпирический коэффициент, характеризующий гидравлическое сопротивление входных каналов, с•кг^0,5/м².

Воздух под действием вентилятора (не показан) поступает во входное окно 8, проходит через щели 11 и 12 между Т-образными элементами, далее через зазоры 3 между трубками 2 и соединительными элементами 4 над перекрытием 5, далее изменяет направление своего движения и под перекрытием 5 выходит через выходное окно 9 в воздухопровод 13. При движении по зазору 3, образованному трубками 2 и соединительными элементами 4, воздух нагревается от тепла дымовых газов, идущих по внутренним каналам трубок 2. Нагретый воздух из воздухопровода 13 отсасывается вентилятором и по специальной системе воздухопроводов подается в горелки печи.

Расход воздуха Q устанавливается, например, по его расходу в трубопроводах к горелкам в печи, в которые воздух подводится из воздухопровода 13, с помощью, например, измерительных диафрагм. Перепад давления ΔP устанавливается, например, при помощи микроманометров, соединенных с дымовыми каналами 2 и с входными щелями 12.

В таблице приведены примеры работы рекуператора с различными технологическими и конструктивными параметрами.

В первом примере вследствие малого значения отношения h/H не обеспечивается необходимый расход воздуха через рекуператор.

В пятом примере вследствие большого значения h/H не происходит необходимого уменьшения перепада давления между воздушными и дымовыми каналами.

В шестом примере, прототипе, вследствие наличия входных каналов для воздуха с параллельными боковыми стенками по длине канала не обеспечивается необходимый теплообмен в рекуператоре между воздухом и дымовыми газами.

В примерах 2-4 вследствие оптимальной величины h/H и величины F обеспечивается необходимое значение перепада давления, уменьшается утечка воздуха в дымовые каналы, повышается температура дымовых газов в керамических трубках насадки и на выходе из них, за счет чего интенсифицируется теплообмен в насадке рекуператора и повышается температура нагрева воздуха.

Применение рекуператора позволяет повысить температуру нагрева воздуха и увеличить температуру выходящих из рекуператора дымовых газов. В результате снижается расход топлива на нагрев металла в печи на 3-5% и увеличивается паропроизводительность котлов-утилизаторов, установленных за печами, на 5-10 т/ч.

Использование: для нагрева воздуха в металлургических печах. Сущность изобретения: поперечное сечение входного канала выполнено с переменным сечением по длине стенок канала Т-образной формы, при этом величина отношения минимального расстояния h между стенками входного канала к максимальному расстоянию между ними H составляет 0,1-0,6, величина отношения максимального расстояния между стенками H к расстоянию между осями Т-образных элементов S составляет 0,35-0,5, а отношение толщины δ полки T-образного элемента к его длине l составляет 0,001-0,5. Суммарная площадь F входных каналов устанавливается по зависимости , где F - суммарная площадь входных участков каналов, м², Q -расход воздуха, входящего через все каналы рекуператора, м³/с, ΔP - величина перепада давления между воздушными и дымовыми каналами, кг/м², K - эмпирический коэффициент, характеризующий гидравлическое сопротивление входных каналов, равный 0,25-0,30 с•кг^0,5/м². 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

1. Рекуператор, включающий насадку из керамических трубок и соединительных элементов, заключенную в камеру с выходным и входными каналами, последние из которых образованы посредством размещения с зазором относительно друг друга керамических элементов, а также подрекуператорное и надрекуператорное пространства, отличающийся тем, что стенки элементов, образующих упомянутые входные каналы, выполнены ступенчатыми с образованием каналов в поперечном сечении Т-образной формы, при этом величина отношения минимального расстояния между стенками элементов в каждом канале к максимальному расстоянию между ними составляет 0,1 0,6, величина отношения максимального расстояния между стенками к расстоянию между осями упомянутых элементов составляет 0,35 0,5, величина отношения длины суженного участка Т-образного сечения канала ко всей его длине составляет 0,001 0,5. 2. Рекуператор по п.1, отличающийся тем, что суммарная площадь входных участков каналов устанавливается по зависимости

где F суммарная площадь входных участков каналов, м²;
Q расход воздуха, входящего через все каналы в рекуператор, м³/с;
ΔP - величина перепада давления между воздушными и дымовыми каналами, кг/м²;
K эмпирический коэффициент, характеризующий гидравлическое сопротивление входных каналов, равный 0,25 0,30 с•кг^0,5/м².