РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ Российский патент 1998 года по МПК F23L15/02 

Изобретение относится к способу эксплуатации регенеративного теплообменника и к регенеративному теплообменнику с вращающимся ротором, имеющим радиально и аксиально уплотняемую накопительную массу. Регенеративный теплообменник применяют как для воздухоподогревателя (Luvos), так и для газоподогревателя (Gavos).

На электростанциях и промышленных топочных установках отходящие газы в регенеративном теплообменнике используются для предварительного подогрева воздуха, идущего на сжигание. В этом процессе в значительной мере могут восстанавливаться содержащиеся в отходящих газах оксиды азота (NO_x), причем в этом случае накопительные массы регенеративного воздухоподогревателя частично или полностью выполняются в виде каталитически активных элементов и прежде всего в качестве восстановителя добавляется аммиак. Как правило, отходящий газ, содержащий NO_x, является дымовым топочным газом, который выделяется из парогенератора и используется для предварительного подогрева воздуха, идущего на сгорание в регенеративном теплообменнике.

В соответствии с уровнем техники в регенеративных теплообменниках с циркулирующими накопительными массами роторы и, следовательно, роторные камеры или камеры для накопительных масс уплотняются как в радиальном, так и в окружном направлении для предотвращения перехода одной массы в другую, т.е. неочищенного газа в очищенный газ [1]. Поэтому в уплотнениях ротора с вращающимися нагреваемыми поверхностями применяются подпружиненные полосы. Они закрепляются на всех радиальных стенках и юстируются таким образом, что скользят по радиальным перемычкам корпуса теплообменника. Кроме того, эти полосы располагаются по периферии обоих торцев ротора, где они точно также прилегают со скольжением к корпусу ротора. С помощью радиальных уплотнений происходит разделение друг от друга сред, протекающих через теплообменники, а с помощью уплотнений, расположенных по периферии, удается избежать в значительной мере отходящих в сторону потоков.

В установках для очистки дымовых газов или для снижения выброса вредных газов к отдельным узлам в настоящее время предъявляются очень высокие требования. Так, например, для теплообменника, который применяется в мусоросжигательной установке для предварительного нагрева дымового газа для каталитической очистки при требующейся температуре, значение утечек должно быть значительно ниже 0,3% для исключения выделения диоксина и фурана. При этом выяснилось, что в известных поджимаемых уплотнительных системах регенеративных теплообменников с циркулирующими накопительными массами такие требования являются невыполнимыми.

В основу изобретения положена задача создать способ и устройство, в которых исключены недостатки регенеративных теплообменников вышеуказанного типа и обеспечивается высокая степень герметизации и в значительной мере предотвращаются утечки.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что корпус, охватывающий по периферии ротор и разделенные друг от друга камеры, расположенные радиально между средами, участвующими в теплообмене, выполнены в виде запорных камер (окружных или радиальных камер). С помощью полученной таким образом системы закрытых камер исключается непосредственный контакт или смешивание масс, участвующих в теплообмене, так как обе проточные зоны уплотнены по периферии на входе и выходе, т.е. с двух сторон ротора и отделены друг от друга запорной камерой. С помощью такого рода уплотнения ротора исключается попадание среды, имеющей более высокое давление, непосредственно в среду с более низким давлением; протечки собираются сначала в корпусе теплообменника и лишь затем вытекают оттуда через следующие уплотнения в зону с более низким давлением. На каждой стороне ротора обеспечивается полная герметизация, предотвращающая протечки среды, а в радиальном направлении на всех участках теплообменника создается двойное уплотнение.

Согласно изобретению предлагается, что на нагретой и холодной торцевой стороне по внешнему периметру ротора окружные камеры ограничиваются окружными уплотнениями, выполненными, предпочтительно, в виде уплотняющих планок, длина которых соответствует размеру дуги по меньшей мере двух камер для накопительных масс.

Предлагается также, что радиальные уплотнения, расположенные с двух сторон ротора в зоне раздела, полностью закрывают по меньшей мере одну камеру с накопительной массой. Таким образом, радиальные уплотнения соответствуют размерам или контуру ротационной камеры. В то время, как для окружных уплотнений, расположенных с торцевых сторон, предусмотрены сегментообразные, но в основном аксиально прилегающие кольцевые сегменты, радиальные уплотнения в основном выполняются в виде полосы, расширяющейся к наружным концам. После прокладки окружных уплотнений радиальные уплотнения вставляются между ними заподлицо. Благодаря этому окружные и радиальные уплотнения образуют поверхности уплотнения, расположенные в общей плоскости и беззазорно переходящие друг в друга в местах стыка.

Согласно еще одной форме выполнения изобретения предлагается, что окружные и радиальные уплотнения устанавливаются упруго. При этом уплотнения в отличие от известных пружинящих пластинчатых уплотнений выполняются в виде аксиально расположенных, широких уплотняющих планок, которые очень хорошо приспосабливаются к изменению размеров ротора под действием теплового расширения. Как известно, они автоматически подгоняются с помощью сенсорного управления к соответствующему состоянию в процессе эксплуатации. Благодаря упругому подпружиненному расположению уплотнений ротор не блокируется в корпусе при повышенной разнице температур, а также, например, при нарушениях в работе ротора или остановке двигателя вследствие односторонней деформации, и ротор может снова запуститься из любого рабочего положения.

Согласно предлагаемому выполнению изобретения окружные камеры могут быть разделены, т.е. в случае регенеративного теплообменника с вертикальной осью имеются верхняя и нижняя, а в регенеративном теплообменнике с горизонтальной осью имеются передняя и задняя камеры. В зоне разделения обеих камер вокруг ротора устанавливаются цилиндрические уплотнения, камеры, разделенные по периметру, обеспечивают возможность такой предпочтительной формы эксплуатации регенеративного теплообменника, при которой целенаправленно и соразмерно можно в соответствующих местах уплотнений осуществлять отсос, запирание, выдувание. Такой способ работы является невозможным в неразделенных окружных камерах.

Полученное в соответствии с изобретением радиальное двойное уплотнение позволяет наиболее предпочтительным образом подключать к запорным камерам либо отсос, например, в форме вентилятора, или присоединить газовый трубопровод и тем самым создавать либо разрежение, либо избыточное давление, а также подключать к радиальным камерам трубопровод промывочного газа. Это создает возможность частично или полностью предотвращать протечки через зазоры в регенеративных теплообменниках - целенаправленно и очень просто, например, путем отсоса или подвода запирающего газа. Кроме того, могут быть до минимума снижены потери через соответствующие радиальные участки. И, наконец, с помощью каждого процесса промывки дополнительно обеспечивается промывка чистым газом каждой ячейки или камеры для накопительной массы, поступающей из сектора с загрязненным вредным веществом газом в зоне радиальных двойных уплотнений до подачи его в сектор с очищенным газом.

Все уплотнения на торцевых поверхностях ротора находятся в плотном контакте с механическими устройствами, обеспечивая необходимые режимные характеристики. Регулировка может осуществляться вручную или автоматически; при этом более значительные зоны окружных уплотнений, размер которых должен соответствовать по меньшей мере длине дуги двух камер с накопительной массой, устанавливаются от раздельных точек управления. Для установки используются рычаги, которые, начиная от точек управления, доходят до отдельных мест присоединения к уплотнениям.

Количество уплотнений для управления можно уменьшить. Для того, чтобы усилия управления и прижима уплотнений были как можно меньшими, вес уплотняющих пластин или колец компенсируется противовесами через имеющиеся рычаги. По сравнению с установленными пружинами противовесы имеют преимущество, заключающееся в том, что они остаются постоянными и при различном положении уплотнений.

Другие признаки и преимущества изобретения указываются в формуле изобретения и нижеследующем описании, где изобретение поясняется более подробно на основе нескольких примеров осуществления.

На фиг.1 схематично показано поперечное сечение регенеративного теплообменника согласно изобретению с циркулирующей накопительной массой; на фиг.2 - регенеративный теплообменник по фиг.1 в разрезе по линии П-П; на фиг.3 - в частичном разрезе вид спереди регенеративного теплообменника с подключенным отсосом протечек; на фиг.4 - в частичном разрезе вид спереди регенеративного теплообменника с газовым затвором.

Регенеративный теплообменник согласно фиг. 1 имеет вращающийся вокруг вертикальной оси 2 ротор 3, имеющий множество ячеек или камер 4 с накопительной массой (см. фиг.2). Регенеративный теплообменник 1 обтекается отходящими газами, подводимыми по каналу согласно стрелке 5 сверху вниз от нагретого, не показанного на чертеже парогенератора, в то время как в противотоке по стрелке 6 к камерам 4 с накопительной массой подводится очищенный газ или воздух, нагреваемый отходящими газами. Очищенный газ или воздух охлаждает камеры 4 с накопительной массой и вытекает вверху, т.е. из теплообменника 1 на горячей стороне 7.

Как на горячей стороне 7, так и на холодной стороне 8 к ротору 3 по его внешнему периметру или краю прилегают кольцеобразные окружные уплотнения 9, подразделенные сегментообразно и имеющие длину дуги 11, которая является кратной длине дуги камеры 4 с накопительной массой (см.фиг.2): в примере, представленном на фиг. 2, окружные уплотнения 9 состоят из четырех плотно прилегающих друг к другу в местах стыков секторных колец. Окружные уплотнения 9 образуют в зоне между корпусом 12, окружающим ротор 3, и ротором 3 запорные или окружные камеры 13.

Кроме того, в разделительных зонах 14, разделяющих потоки двух сред 5 и 6, образуются радиальные камеры 15 (см. фиг.1), причем в этих зонах проложены радиальные уплотнения 16, прилегающие к ротору 3 соответственно вверху или внизу; радиальные уплотнения 16 выполнены в основном в виде полосы с расширяющимися концами и имеют такие размеры, что они полностью закрывают камеры 4 с накопительной массой. Таким образом, среды 5 и 6, протекающие в противотоке через регенеративный теплообменник 1 на каждой торцевой стороне ротора, т. е. на горячей и на холодной стороне 7 и 8 полностью герметизированы, таким образом, в теплообменнике в радиальном направлении ротора имеются двойные уплотнения. Радиальные уплотнения 16 имеют такие размеры, что они, перекрывая окружные уплотнения 9, подгоняются к окружным уплотнениям 9. Все поверхности уплотнения, получающиеся на основе окружных уплотнений 9 и радиальных уплотнений 16, лежат в одной плоскости, т.е. между ними нет смещений, кроме того, через них не проходят приводные и прочие элементы управления.

Окружные уплотнения 9 и радиальные уплотнения 16 являются упругими, т.е. установлены с подпружиненным прилеганием к ротору. С этой целью для окружных уплотнений на горячей или холодной стороне 7 или 8 ротора 3 имеется несколько точек 17 управления вручную или полностью автоматически, при этом для большего участка окружных уплотнений 9 имеется точка управления 17, от которой к уплотнениям отходит рычаг 18. Благодаря этому становится возможным воздействовать на все окружные уплотнения 9, когда это является необходимым, от нескольких точек 17 управления. Для поджима радиальных уплотнений 16 в замкнутых радиальных камерах 15, выполненных разделительных зонах 14, расположены установочные пружины 19 (см. фиг. 1).

В регенеративном теплообменнике, представленном на фиг.1, окружные камеры 13 подразделены с помощью кольцевого уплотнения 21, установленного вокруг оболочки ротора 3 на верхнюю и нижнюю камеры 13a, 13b. На верхней камере 13a расположен трубопровод 22 для верхнего отсоса или для отжатия, а на нижней камере 13b - трубопровод 23 для отсоса или отжатия снизу, трубопроводы служат для сведения до минимума утечек или предотвращения их. Отсос из окружных камер 13 или 13a, 13b и радиальных камер 15 может осуществляться через общий или раздельные вентиляторы, и благодаря этому в них поддерживается разрежение или наоборот в них подается запорный или промывочный газ, и тогда в них создается избыточное давление.

В другой форме выполнения регенеративного теплообменника 100 по фиг.3 более подробно показан отсос утечек из запорной камеры и системы уплотнения, устройство для этого состоит из патрубков 24, 25, через которые производится отсос утечек в направлении стрелки 26 из в данном случае не разделенных окружной камеры 13 и нижней радиальной камеры 15 с помощью не показанного на чертеже вентилятора.

Регенеративный теплообменник 200, показанный на фиг.4, отличается от выполнения, представленного на фиг.3, только лишь тем, что через патрубки 24 и 25 в противоположном направлении, т.е. по стрелкам 27, запорный или промывочный газ подается в окружную камеру 13 и радиальную камеру 15. Кроме того, к верхней радиальной камере 15 присоединен дополнительно трубопровод 28, через который подаваемый запорный или промывочный газ после протекания через запорную камеру и систему уплотнения может снова выводиться наружу.

Предназначен для подогрева воздуха и газа. В регенеративном теплообменнике, содержащем вращающийся ротор, имеющий радиально и аксиально уплотненную накопительную массу, обеспечивается высокая степень уплотнения и в значительной мере удается избежать утечек, если выполнить ротор 3 с окружающим его корпусом 12 и раздельные зоны в виде запорных камер 13, 13a, 13b и 15, расположенных между средами, участвующими в теплообмене. Такой регенеративный теплообменник работает в режиме, при котором в соответствии с достигнутыми и замеренными давлениями в отдельных зонах в соответствующих местах теплообменника осуществляют отсос, запор, вытяжку или выдувание. 2 с. и 8 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Регенеративный теплообменник 12 разделен на разделенные зоны 14 и содержит вращающийся, снабженный на своей холодной и горячей стороне радиально и аксиально уплотненными накопительными массами, окруженный по периферии корпусом 12 ротор 3, причем расположенные на внешней окружности ротора 3 уплотнения выполнены в виде кольцеобразных окружных уплотнений 9, отличающийся тем, что корпус 12 ротора снабжен расположенными на внешней окружности ротора 3 и в разделенных зонах 14 окружными или радиальными камерами 13, 13a, 13b или 15, которые ограничены уплотнениями, которые выполнены в виде стационарно расположенных в корпусе 12 ротора, упруго установленных по отношению к ротору 3 плоских, кольцеобразных окружных уплотнений 9 или радиальных уплотнений 16. 2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что окружные уплотнения 9 выполнены в виде уплотняющих планок, длина которых соответствует длинам дуг по меньшей мере двух накопительных камер 4. 3. Теплообменник по пп.1 и 2, отличающийся тем, что радиальные уплотнения 16, расположенные по обе стороны ротора 3 в разделительных зонах 14, полностью закрыты по меньшей мере одной камерой 4 для накопительной массы. 4. Теплообменник по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что окружные и радиальные уплотнения 9, 16 образуют в местах стыка беззазорную сплошную поверхность уплотнения, лежащую в общей плоскости. 5. Теплообменник по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что окружные камеры разделены на верхнюю или заднюю и нижнюю или переднюю камеры 13a, 13b. 6. Регенеративный теплообменник по п. 5, отличающийся тем, что между обеими камерами 13a, 13b по окружной поверхности ротора 3 расположено уплотнение 21. 7. Теплообменник по одному из пп.1 - 6, отличающийся тем, что к запорным камерам 13, 13a, 13b и 15 подключен отсос 22, 23, 24, 26. 8. Теплообменник по одному или нескольким пп.1 - 7, отличающийся тем, что к запорным камерам 13, 13a, 13b и 15 подключен трубопровод запорного газа 24, 25. 9. Теплообменник по одному из пп.1 - 8, отличающийся тем, что к радиальным камерам 15 подключен трубопровод промывочного газа. 10. Способ эксплуатации регенеративного теплообменника по п.1, отличающийся тем, что в соответствии с достигнутыми и замеренными давлениями в отдельных зонах теплообменника 1, 100, 200 в соответствующих местах уплотнений осуществляют отсос, запор, вытяжку или выдувание.