ТРУБЧАТЫЙ РЕКУПЕРАТОР Российский патент 1998 года по МПК F23L15/04 

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к металлургическим печам для нагрева металлических изделий.

Наиболее близким по технической сущности является трубчатый рекуператор, включающий коаксиально расположенные трубы с постоянным кольцевым зазором между ними по их длине, а также подводящие и отводящие трубопроводы. Нижний торец внутренней трубы снабжен дном с осевым отверстием. Отдельные трубы рекуператора последовательно объединены в секции с общими подводящими и отводящими трубопроводами. Секции рекуператоров размещены в дымовом борове. (Тебеньков Б. П. Рекуператоры для промышленных печей. - М.: Металлургия, 1975, с. 103, рис. 48).

Недостатком известного трубчатого рекуператора является его низкая производительность и эффективность нагрева проходящего по нему воздуха. Это объясняется тем, что режим движения потоков нагреваемого воздуха в кольцевом зазоре между трубами является ламинарным и упорядочным. В этих условиях эффективность теплоотдачи от дымовых газов к нагреваемому воздуху незначительна вследствие низкой теплопроводности воздуха. В результате для нагрева воздуха до высокой температуры необходимо увеличение длины рекуператора сверх допустимых значений, что приводит к увеличению его габаритов, веса и увеличению энергозатрат для приведения в движение воздуха.

Технический эффект при использовании изобретения заключается в повышении производительности и эффективности работы трубчатого рекуператора, а также в сокращении его габаритов и веса.

Указанный технический эффект достигается тем, что трубчатый рекуператор включает две коаксиально расположенные трубы с постоянным кольцевым зазором между ними по их длине, внутренняя труба из которых на нижнем торце снабжена дном, а также подводящие и отводящие трубопроводы.

Внутренняя труба по длине выполнена из отдельных частей, каждая из которых неподвижно укреплена при помощи продольных ребер на наружной трубе и отделена от соседней части поперечным зазором. Нижний и верхний торцы каждой из частей внутренней трубы образуют раструбы, состоящие из концентрически расположенных патрубков, а ширина кольцевой щели между внешним патрубком и внешней трубой по высоте рекуператора переменна и увеличивается от наименьшего значения, равного 0,08 - 0,12 величины кольцевого зазора между трубами, до максимального значения, равного величине кольцевого зазора между трубами на верхнем торце внутренней трубы. Величина кольцевой щели между патрубками раструба составляет 0,1 - 0,5 величины зазора между трубами. Длина каждой части внутренней трубы составляет 5 - 15 кольцевых зазоров между трубами. В щели между патрубками раструба установлены трубки или продольные ребра.

Повышение производительности и эффективности работы трубчатого рекуператора будет происходит вследствие многократной подачи струй воздуха в зазор между трубами, а также многократного локального уменьшения кольцевого зазора между ними. В этих условиях при встрече потоков воздуха происходит смена режима ламинарного течения потоков воздуха в кольцевом зазоре на каждом участке внутренней трубы на турбулентный. При турбулентном режиме значительно повышается эффективность теплопередачи от дымовых газов через трубу к воздуху, движущемуся по зазору между трубами. При этом на каждом участке внутренней трубы происходит интенсивное перемешивание потоков воздуха, образуется замкнутые кольцеобразные потоки воздуха и завихрения на этих участках. В этом случае происходит интенсивное перемешивание слоев нагретых и холодных потоков воздуха. Повышение эффективности нагрева воздуха позволяет снизить общую длину трубчатого рекуператора и уменьшить его вес вместе с сокращением энергозатрат для приведения воздуха в движение.

Диапазон значений ширины кольцевой щели между раструбом и внешней трубой в пределах 0,08 - 0,12 величины кольцевого зазора между трубами объясняется теплофизическими закономерностями теплообмена между дымовыми газами и воздуха через корпус внешней трубы. При меньших значениях будут возникать сопротивления в щелях для прохода воздуха сверх допустимых значений. При больших значениях не будет происходить изменение ламинарного режима течения потоков воздуха на турбулентный.

Указанный диапазон устанавливается в прямой зависимости от величины зазора между трубами.

Диапазон значений ширины кольцевой щели между патрубками раструба в пределах 0,1 - 0,5 величины зазора между трубами объясняется газодинамическими закономерностями течения воздуха через узкие щели. При меньших и больших значениях не будет происходить изменение режимов потоков воздуха в зазорах на каждом участке внутренней трубы. Указанный диапазон устанавливается в прямой зависимости от величины зазора между трубами.

Диапазон значений длины каждой части внутренней трубы в пределах 5 - 15 величины зазора между трубами объясняется газодинамическими закономерностями перемешивания и завихрения струй и потоков воздуха в зазоре на длине каждого участка внутренней трубы. При меньших значениях не будет обеспечиваться необходимый турбулентный режим движения потоков воздуха в зазорах между участками внутренней трубы.

Указанный диапазон устанавливается в прямой зависимости от величины зазора между трубами.

Установка трубок или продольных ребер в щели между патрубками раструбов объясняется необходимостью создания дискретных струй воздуха, подаваемых в зазоры между трубами, что способствует интенсификации перехода ламинарного режима течения потоков воздуха в турбулентный режим.

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

На фиг. 1 показана схема трубчатого рекуператора, продольный разрез; фиг. 2 - то же, разрез А-А с трубками в щели между патрубками раструба; фиг. 3 - то же, разрез Б-Б; фиг. 4 - то же, разрез В-В; фиг. 5 - то же, разрез А-А с ребрами в щели между патрубками раструба.

Трубчатый рекуператор состоит из внешней трубы 1, частей внутренней трубы 2, трубопроводов 3 и 4, раструбов 5 с патрубками 6 и 7, ребер 8, трубок 9, дна 10 с отверстиями 11, направляющей 12, зазора 13, щели 14, дна 15, зазора 16, щели 17, ребер 18. Позицией D обозначен внутренний диаметр внешней трубы 1, d - внешний диаметр частей внутренней трубы 2, m - величина зазора между трубами 1 и 2, n - ширина щели 14, c - ширина щели 17, δ - зазор между частями внутренней трубы 2, l - длина частей внутренней трубы 2.

Трубчатый рекуператор работает следующим образом.

Пример. Трубчатые рекуператоры, изображенные на фиг. 1, объединены в секцию в количестве 5 - 10 и размещены в борове, в котором проходят нагретые дымовые газы, выходящие из металлургической печи для нагрева металла. Трубчатый рекуператор состоит из двух коаксиально расположенных труб 1 и 2 с постоянным кольцевым зазором 13 величиной m между ними по его длине. Внешняя труба 1 снабжена дном 15.

Внутренняя труба трубчатого рекуператора по его длине выполнена из отдельных частей 2, которые укреплены при помощи продольных ребер на наружной трубе 1 и отделены от соседних частей зазором 16, равным δ = 10 - 20 мм. Нижний и верхний торцы каждой из частей 2 образуют раструбы 5, состоящие из соответствующих концентрически расположенных патрубков 6 и 7. Ширина n кольцевой щели 14 между внешним патрубком 6 и внешней трубой 1 по высоте рекуператора переменна и увеличивается от минимального значения, равного 0,08 - 0,12 величины m кольцевого зазора 13 между трубами на нижней части 2 внутренней трубы, до максимального значения, равного величине m того же зазора 13, на верхнем торце внутренней трубы 2. Величина кольцевой щели 17 между патрубками 6 и 7 раструбов 5 составляет c = 0,1 - 0,5 величины m зазора 13 между трубами 1 и 2. Длина l каждой части 2 внутренней трубы составляет 5 - 15 величины m кольцевого зазора 13 между трубами 1 и 2. В щелях 17 между патрубками 6 и 7 раструбов 5 установлены трубки 9 или продольные ребра 18, приваренные к патрубку 6. Дно 10 нижней части 2 внутренней трубы снабжено отверстиями 11 для прохода воздуха. Каждая часть 2 внутренней трубы своим нижним патрубком 6 центрируется относительно верхнего патрубка 7 нижележащей части 2 через трубки 9 или ребра 18. При тепловом расширении патрубок 6 вместе с трубками 9 или ребрами 18 перемещается относительно неподвижного патрубка 7. Дно 10 нижней части 2 внутренней трубы центрируется направляющим штырем 12 и перемещается относительно него при тепловом расширении нижней части 2 внутренней трубы. Верхняя часть 2 внутренней трубы соединена с подводящим трубопроводом 3, а внешняя труба 1 соединена с отводящим трубопроводом 4.

В процессе работы трубчатого рекуператора холодный воздух подается по трубопроводу 3 и проходит по внутренней трубе 2 и через отверстие 11 в дне 10 проходит в зазор 13 между трубами и уходит в трубопровод 4. Движение потоков воздуха показано на чертеже стрелками. При движении воздуха по внутренней трубе часть воздуха проходит через щели 17 с трубками или ребрами 18 в зазоры 13 между трубами 1 и 2. В этих условиях в зазорах 13 происходит встреча направленных в противоположные стороны потоков воздуха. В результате происходит интенсивное перемешивание потоков воздуха, что приводит к интенсификации нагрева воздуха от стенок внешней трубы 1.

В таблице приведены примеры конструкции трубчатого рекуператора с различными параметрами.

Величина n равномерно увеличивается по высоте рекуператора на каждом уровне патрубка 6.

В первом примере вследствие малых значений параметров l, c и n не обеспечивается необходимая интенсивность перемешивания воздуха и его нагрева.

В пятом примере вследствие больших значений параметров l, c и n не обеспечивается необходимая интенсивность перемешивания воздуха и его нагрева.

В шестом примере, прототипе, вследствие отсутствия встречных потоков воздуха в зазоре между трубами и их перемешивания не обеспечивается необходимая интенсивность нагрева воздуха.

В оптимальных примерах 2 - 4 вследствие обеспечения необходимых параметров конструкции трубчатого рекуператора обеспечивается повышение интенсивности нагрева воздуха на выходе из рекуператора.

Применение изобретения позволяет повысить производительность и эффективность нагрева воздуха на 15 - 20%, а также сократить габариты и вес рекуператора на 20 - 30.

Предназначено для использования в металлургии, конкретнее, в металлургических печах для нагрева металлических изделий, в частности, непрерывнолитых слитков. В трубчатом рекуператоре внутренняя труба по длине выполнена из отдельных частей, каждая из которых неподвижно укреплена при помощи продольных ребер на наружной трубе и отделена от соседней части поперечным зазором. Нижний и верхний торцы каждой из частей внутренней трубы образуют раструбы, состоящие из концентрически расположенных патрубков, а ширина кольцевой щели между внешним патрубком и внешней трубой по высоте рекуператора переменна и увеличивается от наименьшего значения, равного 0,08 - 0,12 величины кольцевого зазора между трубами, до максимального значения, равного величине кольцевого зазора между трубами, на верхнем торце внутренней трубы. Величина кольцевой щели между патрубками раструба составляет 0,1 - 0,5 величины зазора между трубами. Длина каждой части внутренней трубы составляет 5 - 15 кольцевых зазоров между трубами. В щели между патрубками раструба установлены трубки или продольные ребра. Такое выполнение позволяет повысить производительность и эффективность нагрева воздуха, а также сократить габариты и вес рекуператора. 1 с. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.

1. Трубчатый рекуператор, включающий две коаксиальные трубы с постоянным кольцевым зазором между ними по длине, из них внутренняя труба на нижнем торце снабжена дном с отверстием, а также подводящие и отводящие трубопроводы, отличающийся тем, что внутренняя труба трубчатого рекуператора по его длине выполнена из отдельных частей, которые укреплены при помощи продольных ребер на наружной трубе и отделены от соседних частей зазором, при этом нижний и верхний торцы каждой из частей внутренней трубы образуют раструбы, состоящие из концентрически расположенных патрубков, а ширина кольцевой щели между внешним патрубком и внешней трубой по высоте рекуператора переменна и увеличивается от минимального значения, равного 0,08 - 0,12 величины кольцевого зазора между трубами на нижней части внутренней трубы, до максимального значения, равного величине кольцевого зазора между трубами, на верхнем торце той же трубы, причем величина кольцевой щели между патрубками раструбов составляет 0,1 - 0,5 величины зазора между трубами. 2. Рекуператор по п.1, отличающийся тем, что длина каждой части внутренней трубы составляет 5 - 15 кольцевых зазоров между трубами. 3. Рекуператор по п.1, отличающийся тем, что в щелях между патрубками раструбов установлены трубки. 4. Рекуператор по п.1, отличающийся тем, что в щелях между патрубками раструбов установлены продольные ребра.