РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ВРАЩАЮЩИЙСЯ ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ Российский патент 2003 года по МПК F23L15/02 

Изобретение относится к теплообменникам регенеративного типа, содержащим проницаемую для теплоносителей насадку.

Регенеративные вращающиеся воздухонагреватели (РВВ) [Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. - М.: Машиностроение, 1989. - 365 с.], роторы которых имеют металлическую насадку и горизонтальную ось вращения, используются для подогрева воздуха в области средних температур (250...400^oС), Горизонтальные вращающиеся регенеративные теплообменные аппараты относятся к аппаратам непрерывного действия. Ротор регенеративного подогревателя воздуха в мощных газотурбинных установках с насадкой в виде набора сеток из коррозионно-стойкой проволоки вращается в статоре. С помощью радиальных перегородок ротор разделен на секторы, чем достигается отделение потоков газа и воздуха. Схема движения воздуха и газа противоточная.

Недостатками описанного выше РВВ, являются повышенный износ подшипниковых узлов и значительные затраты энергии на привод ротора.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототипом) является РВВ [Киселев Н.А. Котельные установки. - М.: Высшая школа, 1979. - 271 с. ], который состоит из насадки, вращающейся вокруг вертикальной оси и размещенной в корпусе. Последний разделен перегородкой на воздушный и газовый каналы. Насадка такого РВВ состоит из набора металлических пластин. Перемещение воздуха по каналам насадки РВВ осуществляется с помощью вентилятора, а уходящие дымовые газы транспортируются через РВВ дымососом. Привод ротора производится электродвигателем через редуктор.

Недостатком РВВ, принятого за прототип, являются значительные затраты энергии на привод его насадки.

Значения коэффициентов теплоотдачи газообразных сред невелики [Михеев М. А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1977. - 342 с.], поэтому РВВ повышенной теплопроизводительности имеют развитую площадь теплообменной поверхности, а их насадка - большую массу. Для привода ротора с такой насадкой требуются значительные затраты энергии.

Задачей изобретения является снижение затрат энергии на привод ротора в РВТА за счет пребывания насадки во взвешенном состоянии.

Техническая задача решается с помощью регенеративного вращающегося теплообменного аппарата (РВТА), включающего в себя проницаемую для теплоносителей насадку, кожух с патрубками и оснащенного разгрузочным поршнем, жестко закрепленным на валу насадки, с возможностью перемещения его вдоль оси вращения. Причем конструктивные размеры разгрузочного поршня выбираются с учетом того, что при нагнетании вентилятором воздуха насадка РВТА должна находиться во взвешенном состоянии. Пребывание насадки во взвешенном состоянии исключает трение насадки о корпус РВТА, благодаря чему снижается расход энергии на вращение ротора.

На фиг. 1 представлен РВТА в продольном разрезе, на фиг.2 представлено сечение по А-А его поперечного разреза. В состав РВТА входят насадка 1, которая сидит на валу 2 и размещается в корпусе 3, разделенном перегородкой 4 на воздушный 5 и газовый 6 каналы. В нижней части РВВ расположен разгрузочный поршень 7, жестко закрепленный на валу 2, с возможностью перемещения последнего вдоль оси. Насадка 1, вал 2 и разгрузочный поршень 7 образуют ротор 8 (на фиг.1 обозначен штрихами). Привод ротора 8 производится электродвигателем 9 через редуктор 10.

Устройство работает следующим образом.

При нагнетании воздуха дутьевым вентилятором под избыточным давлением поршень 7 перемещается вверх. А так как поршень и насадка 1 жестко закреплены на валу 2, то последняя окажется во взвешенном состоянии.

Перемещение насадки вверх и пребывание ее во взвешенном состоянии под действием напора, создаваемого вентилятором, и силы трения воздушного потока о теплообменную поверхность насадки имеет место при превышении упомянутых выше сил над направленными вниз силами веса насадки и трения газового потока.

Ротор находится во взвешенном состоянии, если соблюдается условие:

где ΔР_изб - избыточное давление, необходимое, для нахождения поршня во взвешенном состоянии. Па;
М - масса ротора, кг;
g - ускорение свободного падения, м/с²;
D_п - диаметр поршня, м;
F_в - площадь теплообменной поверхности, омываемой воздухом, м²;
F_г - площадь теплообменной поверхности, омываемой дымовыми газами, м²;
Р_трв - сила трения воздушного потока о теплообменную поверхность насадки РВВ, Н;
P_mpг - сила трения газового потока о теплообменную поверхность насадки РВВ, Н.

Рассмотрим условия нахождения ротора во взвешенном состоянии, если известны следующие параметры:
- диаметр насадки D, м;
- высота насадки (длина канала) Н, м;
- диаметр разгрузочного поршня D_п, м;
- толщина пластины насадки δ_п, м;
- толщина стенки корпуса δ_к, м;
- ширина зазора между пластинами насадки Δ, м;
- диаметр вала d, м;
- скорость воздуха в живом сечении насадки W, м/с;
- материал насадки - сталь (ρ=7800 кг /м³);
- коэффициенты местного сопротивления на входе в каналы насадки ξ_вх=0,5 и на выходе из них ξ_вых=1;


где G_p - вес ротора, Н;
m_п - масса поршня, кг;
V_п - объем поршня, м³;
ρ_п - плотность материала, из которого изготовлен поршень, кг/м³ (принимаем ρ=920 кг/м³ - для полиэтилена);
n - количество пластин, шт;
ρ_н - плотность материала, из которого изготовлена насадка, кг/м³;
d_в - диаметр вала, м;
h_в - длина вала, м;
ρ_в - плотность материала, из которого изготовлен вал, кг /м³;
P_трв,г = λ_трв,г+ε_в+ξ_вых)•(ρ_н•W²/2)•(H/d_экв),
где λ_трв,г - коэффициент, учитывающий трение потока в каналах насадки;
d_экв≈2Δ - эквивалентный диаметр живого сечения насадки, м;

где Re=W•L/ν - число Рейнольдса;
L - определяющий размер, м,
ν - коэффициент кинематической вязкости, м²/с.

Произведем расчет при D=1м и Н=0,5м:
Re_в=7•0,12/(15,06•10^-6)=5,57•10⁴;
Re_г=9•0,12/(15,06•10^-6)=7,1•10⁴;


Р_трв=(0,0205+0,5+1)•[0,5/(2•0,06)]•(1,29•7²/2)=200 Па;
Р_трг=(0,0611+0,5+1)•[0,5/(2•0,06)]•(0,75•9²/2)=198 Па;
n=π•D/Δ=3,14•1/0,06=50 шт;



G_р=955+539+94=1588 Н;
Таким образом, ΔР_изб•(3,14•2²)/4≥955,5+539+94-200•23+198•27;
ΔР_изб≥74,3 мм водн.ст.

Определим из пропорции, какое давление воздуха под разгрузочным поршнем необходимо для удержания ротора во взвешенном состоянии на каждые 10 кг массы ротора М:
158,8 кг - 74,3 мм водн.ст.

10 кг - х мм водн.ст. --> х=4,7 мм водн.ст.

На фиг. 3 представлена зависимость избыточного давления воздуха под разгрузочным поршнем от диаметра насадки D при ее высоте Н=1 м.

Расчеты показывают, что давление воздуха под разгрузочным поршнем, необходимое для удержания ротора во взвешенном состоянии, не превышает 4,7 мм водн.ст. на каждые 10 кг массы ротора М.

Изобретение предназначено для применения в теплообменниках регенеративного типа, содержащих проницаемую для теплоносителя насадку. Изобретение содержит проницаемую для теплоносителей насадку и кожух с патрубками, причем аппарат дополнительно оснащен разгрузочным поршнем, жестко закрепленным на валу насадки, с возможностью перемещения его вдоль оси вращения. Изобретение позволяет снизить затраты энергии на привод ротора в регенеративном вращающемся теплообменном аппарате за счет прибывания насадки во взвешенном состоянии. 3 ил.

Регенеративный вращающийся теплообменный аппарат, включающий в себя проницаемую для теплоносителей насадку и кожух с патрубками, отличающийся тем, что аппарат дополнительно оснащен разгрузочным поршнем, жестко закрепленным на валу насадки, с возможностью перемещения его вдоль оси вращения.