РЕКУПЕРАТОР Российский патент 1999 года по МПК F27D17/00 F23L15/04 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к воздухонагревателям, используемым для утилизации тепла горячих отходящих дымовых газов в промышленных металлургических печах.

Известен петлевой трубчатый рекуператор конструкции Гипромеза, содержащий пучок труб одинакового диаметра, изогнутых в виде петли, герметично присоединенных концами к воздушным камерам (Б.П. Тебеньков. Рекуператоры для промышленных печей - М.: Металлургия, 1967, с. 164-166, рис. 98).

Недостатком известного рекуператора является то, что трубные петли по направлению движения газового потока имеют разную длину (наружные петли в два раза длиннее внутренних), что ухудшает режим работы для первой половины петель. Кроме того, вторая половина петель работает с низкой эффективностью из-за наличия петлевого поворота и осуществления в них движения уже нагретого в первой половине петли воздушного потока. Снижает эффективность нагрева и коридорное расположение петель, при котором петли, находящиеся в затенении, слабо воспринимают тепловую энергию от потока запечных газов. Используемый в рекуператоре одноступенчатый подогрев воздушного потока вносит свою лепту в понижение эффективности его работы.

Известен рекуператор двойной циркуляции, разработанный Гипромезом, выполненный в виде цельной секции, содержащей несколько нагревательных элементов, каждый из которых состоит из трубы диаметром 81/89 мм, вставленной коаксиально в другую трубу диаметром 100/108 мм. Наружные трубы с глухими нижними концами присоединены к нижним камерам воздушных коробок, а внутренние трубы с открытыми нижними концами - к верхним камерам.

Нижние концы внутренних труб несколько не доходят до закрытых концов наружных труб. Холодный воздух поступает в верхние камеры, опускается по внутренним трубам, поднимается по кольцевому пространству между наружными и внутренними трубами и выходит в нижние камеры, откуда и поступает в трубопровод горячего воздуха. Каждая рекуперативная труба имеет особую манжету, которая входит в кольцевой песочный затвор. Это осуществляется для компенсации температурных расширений (см. там же, с. 166-168, рис. 99, рис. 100). Это устройство принято в качестве прототипа.

Недостатком рекуператора этого типа является то, что одна из труб - внутренняя - нагревается опосредованно, так как не имеет прямого контакта с окружающими наружную трубу горячими запечными газами. Кроме того, сложно выполнен узел для компенсации температурных расширений, поскольку, с одной стороны, надо соединять трубные элементы с воздушными камерами, а с другой - пропускать их через манжеты и песочный затвор.

Все это приводит к низкой эффективности работы рекуператора.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение тепловой экономичности при обеспечении надежности работы рекуператора.

Указанный технический результат достигается тем, что рекуператор содержит две тождественные модульные секции, установленные в борове промышленной печи. В каждой из секций равномерно, с определенным шагом друг относительно друга установлены тепловоспринимающие элементы герметично, например, с помощью сварки, присоединенные к трубным решеткам воздушных камер. Верхняя воздушная камера содержит на боковой стороне патрубок подвода холодного воздуха. Нижняя воздушная камера содержит на боковой стороне патрубок отвода нагретого воздуха. Каждый тепловоспринимающий элемент выполнен в виде пучка струй и содержит внутреннюю трубу и несколько наружных труб. Наружные трубы установлены вокруг внутренней трубы параллельно ей с определенным шагом относительно друг друга и с зазором относительно внутренней трубы. В верхней части модульной секции внутренняя труба сообщается с верхней воздушной камерой, а наружные трубы - с нижней воздушной камерой. В нижней части модульной секции со стороны нижнего конца пучка труб установлена камера поворота воздушного потока. Верхний торец камеры выполнен в виде трубной решетки. Наружные трубы присоединены к трубной решетке камеры с помощью сварки. Внутренняя труба проходит через трубную решетку внутрь камеры, и ее присоединение к трубной решетке осуществляется через сильфон, который чутко реагирует на температурные изменения. Таким образом, сильфон находится внутри камеры и не выглядывает наружу за пределы трубной решетки. Обе модульные секции через патрубки подвода холодного и отвода нагретого воздушных потоков подсоединены к воздухопроводам, объединенным переключателем воздушного потока, который в свою очередь подключен к воздухопроводу подачи холодного воздуха от внешнего источника. Переключатель холодного воздушного потока имеет два положения: параллельное или последовательное соединение модульных секций.

Заявленный рекуператор отличается от известного по прототипу следующими существенными признаками:
- выполнение рекуператора из двух тождественных модульных секций,
- выполнение каждого тепловоспринимающего элемента модульной секции в виде пучка труб с, по крайней мере, тремя наружными трубами,
- размещение наружных труб тепловоспринимающего элемента равномерно вокруг внутренней трубы параллельно ей, с определенным шагом относительно друг друга,
- наличие в каждом тепловоспринимающем элементе камеры поворота воздушного потока, установленной в нижней части модульной секции со стороны нижнего пучка труб,
- выполнение верхнего торца камеры поворота воздушного потока в виде трубной решетки,
- подсоединение наружных труб тепловоспринимающего элемента к решетке камеры поворота воздушного потока посредством сварки,
- выполнение средства для компенсации температурных расширений в виде сильфона, установленного внутри камеры поворота воздушного потока,
- введение нижнего конца внутренней трубы тепловоспринимающего элемента внутрь камеры поворота воздушного потока и присоединение его к решетке камеры посредством сильфона,
- объединение воздухопроводов подвода обеих модульных секций посредством переключателя воздушного потока и подсоединение их к внешнему источнику через этот же переключатель,
- выполнение переключателя холодного воздушного потока с возможностью параллельного или последовательного соединения модульных секций.

За счет конструктивного выполнения тепловоспринимающего элемента процессу смывания высокотемпературным потоком отходящих дымовых газов, движущихся в борове промышленной печи, подвергаются наружные трубы, внутренняя труба и камера поворота воздушного потока. Поскольку наружные трубы расположены с определенным шагом относительно друг друга и с зазором от внутренней трубы, фактически высокотемпературный газовый поток одинаково доступен как для внутренней, так и для наружных труб. Кроме того, нагреву подвергается и сама камера поворота воздушного потока вынесенного от труб типа. При этом в тепловоспринимающем элементе происходит двухступенчатый нагрев воздуха при условии, когда все поверхности подвергаются непосредственному тепловосприятию в режиме интенсивного противотока при высоких скоростях движения нагреваемого воздуха и в условиях пониженных гидравлических сопротивлении.

Благодаря введению внутренней трубы тепловоспринимающего элемента внутрь камеры поворота воздушного потока и соединению с ее решеткой через установленный внутри камеры сильфон, практически полностью защищенный от вредного температурного и химического воздействия горячих дымовых газов промышленной печи кожухом (корпусом камеры) и чутко реагирующий на температурные изменения, исключается вредное влияние температурных расширений внутренней трубы и наружных труб на надежность работы рекуператора. Выполнение рекуператора из двух тождественных модульных секций, в каждой из которых выполнен свой патрубок подвода холодного и отвода нагретого воздуха, позволяет повысить ремонтопригодность рекуператора и эффективность монтажа. Не изменяя конструкцию, путем составления и подключения двух тождественных модульных секций с помощью переключателя холодного воздушного потока можно подключить патрубки каждой секции с помощью секционных воздухопроводов к общему воздухопроводу линии подачи холодного воздуха от внешнего источника. Переключатель холодного воздушного потока обеспечивает разный режим работы рекуператора, регулируя расход воздуха при подаче в промышленную печь в зависимости от состояния печи: находится она в режиме максимального потребления или минимального потребления топлива. При включении переключателя холодного воздушного потока на параллельное соединение модульных секций набор холодного воздуха осуществляется с суммированием расхода, что необходимо при максимальном потреблении топлива, когда внутри ее находится нагреваемое изделие. При минимальном потреблении топлива производится последовательная схема включения модульных секций, так как промышленная печь работает в режиме пониженной нагрузки, при котором расход отходящих дымовых газов понижен, а температура нагретого воздуха должна оставаться постоянной по требованиям технологического режима печи.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена конструктивная схема тепловоспринимающего элемента; на фиг. 2 дано сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 показана схема подключения двух модульных секций рекуператора с переключателем холодного воздушного потока в общий воздухопровод подачи холодного воздуха от внешнего источника; на фиг. 4 - компoновка модульной секции в борове промышленной печи, где происходит тепловосприятие от потока горячих отходящих дымовых газов.

Модульная секция рекуператора содержит ряд тепловоспринимающих элементов 1, установленных в борове 2 отвода горячих отходящих дымовых газов промышленной печи. Элемент 1 герметично присоединен к верхней трубной решетке 3 и нижней трубной решетке 4 с помощью сварки. Каждый элемент 1 выполнен в виде пучка труб и состоит из наружных труб 5, установленных вокруг внутренней трубы 6 равномерно, с определенным шагом относительно друг друга и с зазором 7 от внутренней трубы 6. Верхняя 3 и нижняя 4 решетки образуют между собой полость 8, являющуюся одновременно нижней воздушной камерой, с боковой стороны которой расположен патрубок 9 отвода нагретого воздушного потока. Над верхней трубной решеткой 4 расположена верхняя камера 10 сбора воздушного потока, которая имеет с боковой стороны патрубок 11 подвода холодного воздушного потока от внешнего источника. Допускается направлять воздух от внешнего источника в модульные секции по реверсивной схеме. Со стороны нижнего конца пучка труб каждого тепловоспринимающего элемента 1 установлена камера 13 поворота воздушного потока, верхний торец которой выполнен в виде трубной решетки 12, к которой посредством сварки подсоединены наружные трубы 5. С целью исключения вредного влияния температурных расширений внутренней трубы 6 и наружных труб 5 на надежность работы рекуператора свободный конец внутренней трубы 6 введен через трубную решетку 12 внутрь камеры 13 и подсоединен к трубной решетке 12 через сильфон, установленный внутри камеры 13. Рекуператор содержит две тождественные модульные секции 14, в каждой из которыx выполнен свой патрубок подвода 11 холодного и отвода 9 нагретого воздуха, которые с помощью переключателя 15 воздушного потока и воздухопроводов 16 подключены к воздухопроводу 17 линии подачи холодного воздуха от внешнего источника.

Заявленный рекуператор работает следующим образом. Высокотемпературный поток отходящих дымовых газов, движущихся в борове 2 промышленной печи, омывает тепловоспринимающие элементы 1. При этом процессу омывания подвергаются все наружные трубы 5, внутренние трубы 6 и камеры 13 поворота воздушного потока. Сильфон 18 практически полностью защищен от вредного температурного и химического воздействия горячих дымовых газов промышленной печи кожухом, каким является корпус камеры 13. Поскольку трубы 5 расположены с определенным шагом друг относительно друга и с зазором 7 от внутренней трубы 6, то фактически высокотемпературный газовый поток одинаково доступен как для внутренней 6, так и для наружных труб 5. Кроме того, нагреву подвергается и сама камера 13. Следует отметить, что при этом в тепловоспринимающем элементе происходит двухступенчатый нагрев при условии, когда все поверхности подвергаются непосредственному тепловосприятию в режиме интенсивного противотока при высоких скоростях движения нагреваемого воздуха и в условиях пониженных гидравлических сопротивлений. Процесс регулирования расхода воздуха осуществляется с помощью переключателя воздуха 15, подключенного со стороны холодного воздушного потока и подающего его через воздухопроводы 17 и 16 от внешнего источника в воздушные камеры 10 секций 14. Переключатель воздуха 15 имеет две позиции переключения, а именно на параллельное или последовательное соединение модульных секций 14. Это необходимо для подачи в промышленную печь требуемого расхода нагреваемого воздуха в зависимости от состояния печи - находится она в режиме максимального потребления топлива или минимального. Последний режим требует уменьшения подаваемого воздуха, что и обеспечивает перевод переключателя воздуха в положение "последовательно". Работа переключателя воздуха осуществляется с помощью стандартной системы автоматического регулирования. Таким образом, подача в печь требуемого расхода воздуха требуемых параметров является важным фактором повышения тепловой экономичности рекуператора и снижения расхода потребляемого топлива.

Холодный воздух, поступающий от внешнего источника через воздухопроводы 17, 16 в патрубок подвода 11 холодного воздуха, поступает в верхнюю камеру 10, далее во внутреннюю трубу 6 каждого тепловоспринимающего элемента по всей площади трубной решетки 3, проходит по трубам 6 в одном направлении. Затем он вытекает внутрь камеры 13, под решеткой 12. Здесь поток, нагретый в первой ступени тепловоспринимающего элемента 1, изменяет направление движения на обратное, проходя через трубную решетку 12 в пучок наружных труб 5. Далее поток, нагреваясь в наружных трубах 5, выходит по всей площади трубной решетки 4 в нижнюю камеру 8. Окончательно нагретый поток воздуха далее направляется в печь через патрубки 9. Этот процесс происходит в каждой из двух тождественных модульных секций рекуператора.

Количество тепловоспринимающих элементов в модульной секции, характер и шаг размещения их внутри секции, а также количество наружных труб в тепловоспринимающем элементе, шаг их размещения и величина зазора между ними и до внутренней трубы зависят от типа промышленной печи, формы нагреваемых в ней изделий, вида используемого топлива и системы тяги в печи и являются "ноу-хау" производства.

Технико-экономические преимущества заявленного рекуператора в сравнении с прототипом заключаются в осуществлении процесса непосредственного омывания высокотемпературным потоком отходящих дымовых газов внутренней трубы 6 тепловоспринимающего элемента 1, увеличении скорости течения воздуха без увеличения гидравлического сопротивления его протеканию. Последнее связано с тем, что живое сечение пучка наружных труб 5 меньше сечения кольцевого зазора прототипа, с одной стороны, но больше живого сечения внутренней трубы 6. Таким образом, сечение пучка труб элемента 1, хотя и имеет большую длину, но является трактом пониженного гидравлического сопротивления. Кроме того, в заявленном рекуператоре осуществлен процесс регулирования расхода воздуха, что позволяет осуществить подачу требуемого количества воздуха с требуемой температурой, и в конечном итоге снизить расход топлива. Тепловоспринимающие элементы имеют одинаковую длину, и поэтому в них воздух подается по всей площади трубной решетки равномерно. При этом щель от стенок борова одинакова для всех тепловоспринимающих элементов, что исключает проскок тепла. Рекуператор прост в изготовлении, компактен, обладает повышенной надежностью, так как самый чувствительный узел (сильфон 18) защищен от внешнего воздействия корпусом камеры 13.

Готовность к использованию высока. Он может быть изготовлен своими силами в мастерских предприятия.

Изобретение относится к области металлургии, а именно, к воздухонагревателям, используемым для утилизации тепла горячих отходящих дымовых газов промышленных металлургических печей. Рекуператор выполнен из двух тождественных модульных секций, установленных в борове печи. Каждая модульная секция содержит ряд тепловоспринимающих элементов в виде пучка труб, в котором наружные трубы в количестве трех и более штук установлены равномерно и с зазором вокруг внутренней трубы параллельно ей, и камеру поворота воздушного потока, с которой наружные трубы соединены жестко, а внутренняя - через установленный внутри камеры сильфон. Рекуператор содержит переключатель воздушного потока, подсоединяющий секции к внешнему источнику. Изобретение позволяет повысить тепловую экономичность при обеспечении надежности работы рекуператора. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Рекуператор, содержащий расположенную в борове промышленной печи модульную секцию, имеющую ряд тепловоспринимающих элементов в виде установленных с зазором внутренней и наружной труб, сообщенных герметично в верхней части модульной секции соответственно с верхней и нижней камерами с патрубками подвода холодного воздуха и отвода нагретого воздуха соответственно, воздухопроводы подачи холодного воздуха от внешнего источника, подсоединенные к патрубку подвода холодного воздуха, и средство для компенсации температурного расширения, отличающийся тем, что каждый тепловоспринимающий элемент выполнен в виде пучка труб с, по крайней мере, тремя наружными трубами, установленными равномерно, с определенным шагом относительно друг друга вокруг внутренней трубы параллельно ей, при этой в нижней части модульной секции установлена со стороны нижнего конца пучка труб камера поворота воздушного потока, верхний торец которой выполнен в виде трубной решетки, к которой посредством сварки подсоединены наружные трубы тепловоспринимающего элемента, а его внутренняя труба введена внутрь камеры поворота воздушного потока и соединена с ее решеткой через установленный внутри камеры сильфон, в виде которого выполнено средство для компенсации температурных расширений, причем рекуператор содержит две тождественные модульные секции, воздухопроводы подвода холодного воздуха которых объединены переключателем воздушного потока, посредством которого они подсоединены к внешнему источнику. 2. Рекуператор по п. 1, отличающийся тем, что переключатель холодного воздушного потока выполнен с возможностью параллельного или последовательного соединения модульных секций.