РЕКУПЕРАТОР Российский патент 1999 года по МПК F23L15/04 

Изобретение относится к области теплообменной техники и может быть использовано в различных отраслях промышленности для нагрева дутьевого воздуха в огнетехнических агрегатах.

Известны радиационные рекуператоры отечественных и зарубежных конструкций из прямых стальных труб, закрепленных во входном и выходном коллекторах [1, стр. 136-140] , служащих для подвода и отвода нагреваемого воздуха (газа). Трубы расположены близко одна к другой по всему периметру канала или его части. Дымовые газы проходят вдоль трубок внутри пространства, образованного трубками.

Известны также конвективные рекуператоры [1, стр. 98-102] из прямых или U-образных труб, закрепленных во входном и выходном коллекторах, служащих для подвода и отвода нагреваемого воздуха (газа). Воздух (газ) идет внутри труб, а дымовые газы снаружи.

Самыми теплонапряженными элементами в рекуператоре являются те, которые расположены со стороны входа в рекуператор дымовых газов, так как температура дымовых газов здесь самая высокая, и, кроме того, при температуре дымовых газов свыше 900^oC большое влияние оказывает излучение газов и стенок пространства перед рекуператором.

Как правило, теплообменные элементы рекуператоров, работающих при температуре дымовых газов свыше 900-1000^oC, изготавливают из дорогостоящих жаропрочных марок сталей, выбор которых определяется максимальной температурой стенок, зависящей в основном от соотношения коэффициентов теплоотдачи на воздушной α_в и дымовой α_д сторонах [1, стр.40-41]. Чем выше отношение α_в/α_д, тем ближе температура стенки к температуре воздуха.

В большинстве случаев рекуператоры нагревательных печей работают при переменных нагрузках, т.е. при различных расходах нагреваемого воздуха. Минимальный расход может составлять, например, в термических печах 30% от максимального. При снижении расхода воздуха уменьшаются коэффициенты теплоотдачи по воздушной стороне, увеличивается максимальная температура стенки. По дымовой стороне коэффициент теплоотдачи за счет излучения газа и предрекуператорного пространства изменяется слабо.

Поэтому расчет максимальной температуры стенки теплообменных труб и подбор материала, из которого они изготавливаются, осуществляется при минимальном расходе воздуха через рекуператор.

Наиболее известными способами уменьшения максимальной температуры стенки являются: повышение скорости воздуха, установка внутри труб различных вставок, снижение температуры дымовых газов перед входом в рекуператор.

Значительный рост α_в за счет возрастания скорости воздуха связан с резким увеличением мощности N, затрачиваемой на преодоление сопротивления, так как α_в пропорционален U_cp ^0,8 (U_ср - среднерасходная скорость воздуха в трубе), а N ≈ U³ _cp. При установке внутри труб кольцевых, плоских или волнистых вставок [2,3,4] α_в увеличивается в 1,5 раза [2]. При этом мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления, возрастает примерно пропорционально росту коэффициента теплоотдачи. С понижением температуры менее 900^oC эффективность вставок снижается.

Если перечисленные меры не позволяют снизить температуру стенок рекуператора до допустимой для принятого материала, то можно применить охлаждение дымовых газов подмешиванием холодного воздуха или дымовых газов, отбираемых после рекуператора. Однако это снижает количество теплоты, передаваемой единицей поверхности рекуператора, увеличивает затраты на нагрев воздуха и усложняет эксплуатацию установки. Применение для этих же целей испарительных поверхностей [5] надежно предохраняет рекуператор от перегрева, но при этом также увеличиваются капитальные затраты, снижается тепловой потенциал дымовых газов, а следовательно, увеличиваются габариты рекуператора. Кроме того, необходимы потребители пара.

Более эффективным вариантом уменьшения температуры стенки труб рекуператора, а также снижения его металлоемкости является интенсификация теплообмена в трубах, например, за счет закрутки потока воздуха [6] или создания регулярной шероховатости внутри труб [7]. При равной затраченной мощности на перемещение воздуха коэффициент теплоотдачи в трубах с закруткой потока увеличивается на 10 - 35% по сравнению с коэффициентом теплоотдачи в трубе без закрутки, а в трубах с регулярной шероховатостью на 50%.

В качестве прототипа выбран известный трубчатый рекуператор [8]. Рекуператор выполнен из гладких труб, которые закреплены (например, с помощью сварки) к трубным доскам камер, служащих для подвода и отвода воздуха. В подводящей камере установлены двухщелевые улиточные завихрители. Холодный воздух поступает в подводящую камеру, закручивается в завихрителе. Вращаясь, воздушный поток движется по трубам и нагревается. Дымовые газы проходят в межтрубном пространстве.

Общим недостатком указанных методов снижения максимальной температуры стенки является падение коэффициента теплоотдачи по воздушной стороне при уменьшении воздухопроизводительности рекуператора. Как отмечалось выше, это сопровождается увеличением температуры стенки. Кроме того, снижение расхода воздуха осуществляется за счет дросселирования давления, создаваемого дутьевым вентилятором, т.е. часть развиваемого вентилятором давления расходуется бесполезно.

Задачей изобретения является повышение надежности и экономичности рекуператора за счет уменьшения максимальной температуры стенок труб (для радиационных рекуператоров изменяется и местоположение максимальной температуры стенки) и более полного использования мощности установленного дутьевого оборудования.

Указанная задача решается за счет того, что в известном рекуператоре, содержащем входной и выходной коллекторы, соединенные теплообменными трубами, и завихрители, установленные на входе в теплообменные трубы, входной коллектор разделен на две камеры, каждая из которых имеет патрубок для подвода воздуха, в одной камере находятся завихрители, установленные на входе в теплообменные трубы, а полость второй соединена с внутренней полостью завихрителей цилиндрическими патрубками.

Данное предложение реализовано в одной из конструкций рекуператора, представленной на чертеже. Рекуператор имеет теплообменные трубы 1, закрепленные концами в трубных досках входного коллектора 2 и выходного 3 коллектора. Входной коллектор разделен перегородкой 4 на две камеры, имеющие патрубки 5, камеру для подвода холодного воздуха в улиточные завихрители по оси трубы 6 и камеру 7 для подвода холодного воздуха по касательной к окружности трубы (тангенциально) с помощью улиточных завихрителей 8, установленных на входе в теплообменные трубы. Торцевые крышки завихрителей и перегородка 4 имеют отверстия 9, расположенные соосно с осью теплообменных труб 1. Отверстия соединены между собой патрубками 10. На входе в камеру 6 установлено регулирующее устройство 11. Рекуператор работает следующим образом. Часть нагреваемого воздуха, равная его минимальному расходу, через рекуператор, поступает в камеру 5 и затем тангенциально в завихрители 8. Остальное его количество, равное разности между максимальным и минимальным расходами, поступает в камеры 6, через патрубки 10 по оси в завихритель. Входящий тангенциально в завихрители воздух закручивается, подкручивает воздух, поступающий по оси, и далее все количество воздуха, вращаясь, движется по теплообменным трубам 1. Перемещаясь внутри труб, воздух нагревается за счет теплоты дымовых газов, обтекающих трубы снаружи, и поступает в выходной коллектор 3. При снижении расхода воздуха регулирующая заслонка 11 прикрывается, уменьшая количество воздуха, поступающего по оси завихрителя. Интенсивность крутки на выходе из завихрителя увеличивается, коэффициенты теплоотдачи в трубе или остаются на прежнем уровне или даже увеличиваются, а следовательно, температура стенки трубы не возрастает или даже уменьшается.

Эффект предлагаемого изобретения поясним на примере радиационного рекуператора, разработанного для термической печи. Максимальная производительность рекуператора по воздуху 1500 м³/ч, минимальная 500 м³/ч. Начальная температура воздуха 20^oC, температура воздуха после рекуператора 200^oC. Температура дымовых газов при входе в рекуператор 1100^oC. Рассмотрено два варианта конструкции рекуператора: I - с интенсификацией теплообмена за счет установки улиточных завихрителей на входе в теплообменные трубы; II - с интенсификацией теплообмена за счет установки улиточных завихрителей и осевым подводом воздуха через крышку завихрителя (конструкция рекуператора аналогична изображенному на чертеже). Потери напора в рекуператорах принимались равными. Расчет варианта I произведен по методикам [9], II-го с учетом результатов экспериментальных исследований, проведенных автором.

На основании выполненных расчетов можно сделать следующие выводы.

При одинаковых производительности по воздуху и потерях давления применение предлагаемого изобретения обеспечивает:
- максимальную температуру стенки трубы на 85^oC ниже, чем в рекуператоре с интенсификацией теплообмена без осевой подачи воздуха, причем местоположение точки с максимальной температурой стенки перемещается с начального участка теплообменной трубы на конечный; по данным работы [10] снижение максимальной температуры стенки на 85^oC увеличивает срок службы рекуператора в 1,7 раза. Если учитывать дополнительно перемещение точки с максимальной температурой, то срок службы рекуператора увеличивается еще как минимум в 1,5 раза;
- увеличение температуры подогрева воздуха при минимальном режиме на 20^oC, т.е. теплопроизводительность рекуператора увеличивается;
- использование дросселируемого напора в варианте I в размере 2500 Па на увеличение коэффициента теплоотдачи, при этом средний коэффициент теплоотдачи возрастает в 2 раза.

Источники информации
1. Тебеньков Б.П. Рекуператоры для промышленных печей. М., Металлургия, 1975, 296 с.

2. Сподыряк П. Т., Шалварова С.В. Полупромышленный высокотемпературный радиационный воздухонагреватель. - В кн.: Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики. - Алма-Ата: Наука, КазССР, 1969, вып. 15, с. 82-86.

3. Лемлех И.М., Гордин В.А. Высокотемпературный нагрев воздуха в черной металлургии. - М.: Металлургиздат, 1963 с. 352.

4. Сподыряк Н.Т., Шалварова С.В. Гидравлическое сопротивление в трубе со вставками при изотермическом течении воздуха. - В кн.: Проблемы теплоэнергетики и прикладной физики. - Алма-Ата: Наука Каз. ССР, 1970, вып. 6, с 127-132.

5. Колобков П. С. Использование теплоты отходящих газов нагревательных печей в испарительно-эконэмайзерных поверхностях, подключенных к системам испарительного охлаждения печи. - ИВУЗ. Энергетика, 1974, N 2, с. 75-78.

6. Щукин В.К. Халатов А.А. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах. - М.: Машиностроение, 1981. - 205 с.

7. Калинин Э. К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. -2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1981, с. 205.

8. Семенов Э.М. Михайлишин Е.В. Трубчатый рекуператор с интенсификацией теплообмена. Информационный листок N 8 - 82 НТД. Серия 11.04. Свердловский межотраслевой территориальный центр научно-технической информации и пропаганды. Свердловск, 1982 г.

9. Михайлишин Е.В. Расчет трубчатых рекуператоров с интенсификацией теплообмена. Опубликовано в библиогр. указателе ВИНИТИ "Депонированные научные работы", 1990, N 9 с.136.

10. Ю. В. Лашенков, А.Н.Тюрин, В.А.Волков. Опыт НПО Техэнергохимпром по промышленной эксплуатации трубчатых радиационных рекуператоров. В кн.: Экономия топлива в промышленных печах при рекуперативном подогреве воздуха. Киев.: Наукова думка, 1986, с. 152.

Использование: для нагрева дутьевого воздуха в огнетехнических агрегатах. Рекуператор содержит трубы, закрепленные одними концами во входном коллекторе, другими в выходном, а на входе в теплообменные трубы установлены завихрители. Входной коллектор разделен на две камеры, каждая из которых имеет патрубок для подвода воздуха, в одной из камер находятся завихрители, а полость второй соединена с внутренней полостью завихрителей цилиндрическими патрубками. Установка завихрителя в одной из камер позволяет регулировать интенсивность закрутки воздушного потока в трубах и тем самым изменять коэффициент теплоотдачи. 1 ил.

Рекуператор, имеющий теплообменные трубы, закрепленные одними концами во входном коллекторе, а другими в выходном, и завихрители, установленные на входе в теплообменные трубы, отличающийся тем, что входной коллектор разделен перегородкой на две камеры, имеющие входные патрубки, в одной из камер установлены завихрители, а полость другой соединена с внутренней полостью завихрителей цилиндрическими патрубками.