РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2005 года по МПК F28D19/00 F23L15/02 

Изобретение относится к теплообменной технике и может быть использовано в теплоэнергетике и смежных отраслях, в частности в установках обработки высокотемпературных высокорасходных газовых потоков периодического действия. Такие газовые потоки имеют место при уничтожении сжиганием отработавших свой эксплуатационный ресурс ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ). Для обеспечения экологической чистоты при сжигании твердотопливных зарядов, имеющих в составе продуктов сгорания вредные примеси типа хлорида водорода, мелкодисперсного оксида алюминия и продуктов неполного сгорания, выходящие из РДТТ газы улавливают в газоход, и обработку газов, включающую охлаждение, нейтрализацию и очистку от конденсированных примесей, проводят в газоходе и присоединенных к нему аппаратах, после чего газы выпускают в атмосферу. Охлаждение газов является необходимой операцией, поскольку влажная нейтрализация кислых продуктов эффективна при температурах ниже 100°С.

Известны устройства охлаждения высокотемпературных газовых потоков, основанные на испарительном охлаждении [1]. При этом в поток газа впрыскивают большое количество жидкости, испарение которой приводит к охлаждению газа. Известны также устройства охлаждения, основанные на разбавлении продуктов сгорания атмосферным воздухом, например, с помощью эжекторов [2]. Однако эти устройства приводят к балластированию газового потока большими количествами (в 10-12 раз больше расхода газа) водяного пара или воздуха, что затрудняет проведение последующих операций нейтрализации и очистки газа.

Известны также устройства охлаждения высоконагретых газов с использованием регенеративных теплообменников с твердыми промежуточными теплоаккумулирующими носителями. В этих случаях высоконагретый газ отдает тепло твердому, например, керамическому или металлическому, теплоаккумулирующему носителю, который, свою очередь, отдает тепло подогреваемой текучей среде для полезного использования этого тепла. В таких регенеративных теплообменниках используют промежуточные теплоаккумулирующие носители в виде поворотного диска, у которого сначала один сектор нагревается, а другой охлаждается, а затем после поворота диска происходит обратный процесс [3]. Теплообменники с сыпучим теплоносителем содержат верхнюю и нижнюю вертикальные камеры с перфорациями для прохода горизонтальных потоков горячего нагревающего газа и холодной нагреваемой среды соответственно. В верхнюю вертикальную камеру поступает сыпучий теплоаккумулирующий носитель, например, в виде керамических гранул, которые при просыпании через горизонтальный газоход горячего газа нагреваются и затем входят в нижнюю вертикальную камеру, проходящая через которую холодная среда отбирает накопленное гранулами тепло и нагревается. Сыпучий теплоноситель далее ссыпается в бункер, из которого элеватором поднимается в расходный бункер для подачи в верхнюю вертикальную камеру [4]. Регенеративный теплообменник с сыпучим теплоаккумулирующим носителем в виде сплошных металлических шаров содержит газовую камеру нагрева металлических шаров и водяную камеру охлаждения металлических шаров, которые соединены между собой питателем. В газовой камере засыпка из металлических шаров пополняется за счет поступления охлажденных в воде шаров, прошедших из засыпки через питатель в водяную камеру и поднятых элеватором через слой воды в водяной камере в приемник газовой камеры [5]. Общим недостатком этих регенеративных теплообменников является необходимость монтажа ограничительных конструкций типа перфорированных стенок, сеток, направляющих решеток в газоходе горячего газа. Установка таких ограничительных конструкций представляется невозможной в условиях работы с газом, температура которого превышает 2000°С.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является регенеративный теплообменник, содержащий корпус с выполненной в виде многослойной сетки с теплообменной насадкой, закольцованной на двух несущих роторах. По одну сторону от линии центров роторов происходит нагрев части насадки пересекающим ее горячим газом газохода, а по другую сторону - нагрев текучей среды от охлаждаемой части насадки [6].

Недостатком принятого за прототип устройства является возможность забивания ячеек сетки конденсированными продуктами сгорания, низкая теплоаккумулирующая способность тонких проволочных элементов сетки, усложненность конструкции для работы в периодическом режиме (время работы 100-200 с), а также большая разница во временах нагрева теплообменной насадки до заданной температуры и охлаждения до начальной температуры.

Технической задачей, решаемой в настоящем изобретении, являлось создание регенеративного теплообменника периодического действия с неограниченным временем охлаждения промежуточного теплоносителя, упрощающего и удешевляющего технологический цикл обработки продуктов сгорания при уничтожении РДТТ бессопловым сжиганием.

Решение поставленной технической задачи было достигнуто тем, что в регенеративном теплообменнике, который содержит корпус с двумя роторами перемещения между ними перематываемой теплообменной насадки, пересекаемой горячим газом газохода, первый ротор перемещения размещен на верхней станции корпуса, второй ротор перемещения на нижней станции корпуса по отношению к горизонтальному газоходу, верхняя и нижняя станции сообщены с газоходом посредством щелевых шлюзов для пропускаемой через газоход перематываемой теплообменной насадки, выполненной в виде набора цепей конечной длины, первый ротор перемещения снабжен звездочками по числу цепей для сматывания набора цепей из цепного ящика верхней станции с отсеками для укладки каждой цепи, второй ротор перемещения снабжен звездочками по числу цепей для натяжения набора цепей и направления их в водоохлаждаемый теплообменный цепной ящик нижней станции с отсеками для укладки каждой цепи и средствами укладки цепей. Роторы перемещения имеют реверсивные приводы. Щелевые шлюзы имеют средства для создания избыточного давления в щели. Концы каждой цепи закреплены в цепных ящиках верхней и нижней станций. Второй ротор перемещения набора цепей снабжен регулятором натяжения. Роторы перемещения снабжены сменными звездочками. Теплообменная насадка выполнена в виде набора якорных цепей. Теплообменная насадка выполнена в виде многослойного набора цепей. Слои набора цепей в теплообменной насадке имеют уменьшающиеся калибры вниз по потоку газа.

Сравнительный анализ существенных признаков прототипа и предлагаемого устройства показывает, что отличительными признаками предложения являются те, в соответствии с которыми:

- первый ротор перемещения размещен на верхней станции корпуса, второй ротор перемещения на нижней станции корпуса по отношению к горизонтальному газоходу;

- верхняя и нижняя станции сообщены с газоходом посредством щелевых шлюзов для пропускаемой через газоход перематываемой теплообменной насадки;

- перематываемая теплообменная насадка выполнена в виде набора цепей конечной длины;

- концы каждой цепи закреплены в цепных ящиках верхней и нижней станций;

- роторы имеют реверсивные приводы;

- роторы снабжены сменными звездочками для каждой цепи;

- теплообменная насадка выполнена в виде набора якорных цепей.

Сущность настоящего предложения будет более понятна из рассмотрения фигур чертежа, где:

фиг.1 изображает схему газохода горячего газа на участке охлаждения с предлагаемым регенеративным теплообменником,

фиг.2 показывает поперечное сечение части газохода в плане с примером теплообменной насадки в виде набора из двух слоев якорных цепей,

фиг.3 представляет размещение звеньев набора цепей однослойной теплообменной насадки во фронтальном поперечном сечении части газохода с выделенным расчетным участком набора цепей в качестве примера.

Как показано на фиг.1, газоход горячего газа 1 имеет на входе уничтожаемый сжиганием РДТТ 2 со снятым соплом. На участке охлаждения 3 в газоход встроен корпус 4 регенеративного теплообменника. Корпус 4 имеет верхнюю станцию 5 с первым ротором перемещения 6 для пропускания в газоход 1 через щелевой шлюз 7 перематываемой теплообменной насадки 8, выполненной в виде набора цепей 9. Один конец каждой цепи 9 закреплен в своем продольном отсеке цепного ящика 10 верхней станции. Второй конец каждой цепи 9 закреплен в своем продольном отсеке водоохлаждаемого теплоообменного цепного ящика 11 нижней станции 12 корпуса 4. Нижняя станция 12 снабжена щелевым шлюзом 13 приема набора цепей 9 перематываемой теплообменной насадки 8 и вторым ротором перемещения 14 для ее натяжения. Для исключения проскальзывания цепей роторы перемещения 6 и 14 снабжены звездочками (не показаны) по числу цепей. Роторы перемещения 6 и 14 имеют реверсивные приводы (не показаны). Пример на фиг.2 показывает выполнение теплообменной насадки 8 в виде набора из двух слоев 15 цепей 9. В случае многослойного набора цепи 9 в слоях 15 располагают в шахматном порядке по отношению к предыдущему и последующему слоям. Калибр цепей в слоях уменьшают вниз по потоку газа в газоходе. Водоохлаждаемый теплообменный цепной ящик 11 нижней станции выполнен металлическим с внешней теплоизолирующей футеровкой и внутренними трубами 16 циркуляции охлаждающей воды, скрепленными с металлическими стенками ящика и металлическими разделительными стенками продольных отсеков. Трубы подачи 16 соединены с насосом 17 на линии из расходной емкости 18. Выход труб циркуляции воды сообщен с двухтрубным, типа "труба в трубе" теплообменником 19 и расходной емкостью 18. Двухтрубный теплообменник 19 служит для распределения горячей воды по потребителям. На участке входа или выхода цепей из водоохлаждаемого теплообменного цепного ящика 11 установлены водоструйные очистители 20 звеньев цепей, а на верхней крышке ящика 11 закреплены водяные оросители 21. Водоструйные очистители 20 и водяные оросители 21 соединены с насосом высокого давления 22 на выходе из бака 23.

В исходном положении для работы к входу газохода 1 присоединен РДТТ 2 со снятым соплом, масса всех цепей 9 перематываемой теплообменной насадки находится в цепном ящике 10 верхней станции 5, кроме участков, перекрывающих сечение газохода 1. От перемещения вниз цепи удерживаются первым ротором перемещения 6 верхней станции. Второй ротор перемещения 14, снабженный регулятором натяжения, создает натяг цепей 9 в сечении газохода 1. При необходимости в щелевые шлюзы 7 и 13 подан воздух с избыточным давлением.

При работе продукты сгорания твердого топлива из канала заряда РДТТ 2 поступают в газоход 1 и после участка рециркуляции заполняют все его проходное сечение. На входе в корпус 4 регенеративного теплообменника поле скоростей в газоходе выравнивается. Горячий газ обтекает элементы звеньев цепей 9 теплообменной насадки 8 в режиме вынужденной конвекции и отдает им свое тепло. Звенья цепей 9 нагреваются. С помощью роторов перемещения 6 и 14, обеспечивающих сматывание и натяжение теплообменной насадки, нагретые звенья цепей 9 перемещают в водоохлаждаемый теплообменный цепной ящик 11 нижней станции 12, где их размещают по своим продольным отсекам с помощью укладчика(не показан) и они отдают накопленное тепло охлаждающей воде, циркулирующей по трубам 16, скрепленным с металлическими стенками цепного ящика. По окончании сжигания твердого топлива (100-200 с) вся масса цепей 9, за исключением участка длиной от цепного ящика верхней станции до водоохлаждаемого теплообменного цепного ящика 11 нижней станции 12, перемещена из цепного ящика верхней станции в водоохлаждаемый теплообменный цепной ящик 11 нижней станции 12. Цепи оставляют в этом ящике 11 до полного охлаждения цепей с помощью циркулирующей воды. С помощью водяных оросителей 21 производят отмывку охлажденных цепей от отложений.

При обратном перемещении цепей 9 в цепной ящик 10 верхней станции 5 из водоохлаждаемого теплообменного цепного ящика 11 в нем за счет взаимного перемещения звеньев цепи и воздействия струй воды высокого давления водоструйных очистителей 20 происходит очистка элементов звеньев от налипших конденсированных продуктов сгорания, находившихся в расплавленном состоянии в горячем газе. По соображениям наиболее эффективной самоочистки цепей наиболее целесообразно применять якорные цепи, напр., по ГОСТ 228-79 "Цепи якорные с распорками", которые в штатных условиях эксплуатации подвергаются сильному обрастанию морскими организмами, в основном балянусами, но быстро самоочищаются. Образовавшийся при очистке шлам по наклонной донной поверхности собирается в нижней ее части, откуда его направляют на станцию обработки стоков (не показана).

Очистку цепей 9 от налипших конденсированных продуктов сгорания осуществляют также в процессе перемещения их по высоте газохода при ослаблении натяга с помощью регулятора натяжения. При этом цепи в наборе могут достаточно свободно перемещаться под действием турбулентных пульсаций потока газа, изгибаться в звеньях, сталкиваться друг с другом, в результате чего происходит самоочищение с уносом отложений вместе с газовым потоком.

Более эффективного охлаждения газа достигают при расположении цепей набора в несколько слоев 15 вниз по потоку газа, когда газ последовательно проходит через все слои, отдавая тепло в каждом слое. При прохождении через каждый последующий слой температура газа снижается и для эффективного нагрева звеньев цепи при одном и том же коэффициенте теплоотдачи необходимо увеличивать удельную поверхность звеньев. Этого достигают за счет уменьшения калибра цепей, т.е. диаметра (толщины) звена, в каждом следующем слое.

Для исключения попадания горячего газа с конденсированными примесями в рабочие объемы верхней и нижней станций шлюзовые щели снабжают устройствами повышения в них давления воздуха, например в виде струйных сопел от нагнетательных вентиляторов.

Длину, калибр и массу цепей выбирают в соответствии с требованиями к величине охлаждения газа и характеристикам газа, таким как секундный расход, температура и время действия. Общая масса цепей находится по уравнению

где М_m - общая масса цепей из материала со средней удельной теплоемкостью C_m, нагреваемых газом до средней по массе материала температуры Т_m;

ΔТ=Т_нач-Т_кон - величина охлаждения газа со средней удельной теплоемкостью С_р, секундным расходом m и временем действия t.

Например, при начальной температуре газа Т_нач=2200°С, конечной температуре газа после регенеративного теплообменника Т_кон=200°С, средней удельной теплоемкости газа 1 кДж/кг·°С, секундном расходе газа 100 кг/с, времени действия 100 с и средней температуре нагрева Т_m=1000°С материала цепей со средней удельной теплоемкостью 0,5 кДж/кг·°С потребуется масса цепей 400000 кг=400 т. При калибре цепи 100 мм (масса 1 пог.м 215 кг) общая ее длина составит ˜1860 м. При размещении в поперечном сечении газохода размером 4×4 м теплообменной насадки в виде набора из 10 цепей длина каждой цепи будет 186 м. При такой высоте газохода и скорости опускания цепей 1,86 м/с время воздействия горячего газа на звено цепи составит 2,15 с.

На фиг.3, как пример, показана часть фронтального поперечного сечения газохода с выделенным расчетным участком теплообменной насадки в виде набора из одного слоя цепей с расстоянием между цепями, равным ширине звена цепи, для определения местных потерь давления газа и нагрева цепей в нестационарном режиме теплопередачи.

При плотности материала цепей 7,8 т/м³ и порозности укладки цепей 0,5 потребный объем цепных ящиков составит ˜103 м³ каждого. Эти объемы существенно меньше требуемых для хранения воды системы испарительного охлаждения горячего газа (более 120-150 т), требующей также сложного устройства вытеснения воды под давлением около 1 МПа с расходом 1200 кг/с и накопителей сточных вод большой емкости.

Применение регенеративного теплообменника по предложению позволит сократить расход воды на выполнение операции сжигания примерно в 5 раз, упростить технологический цикл, повысить надежность процесса вследствие сокращения числа агрегатов воздушной и гидравлической запорной арматуры, сократить объем монтажных и пусконаладочных работ при сооружении установки, удешевить эксплуатацию стенда за счет сокращения потребления воды и сокращения объема очищаемых стоков. Использование горячей воды от охлаждения цепей позволит сократить затраты на теплоснабжение на уровне 6000 кВт·ч с каждых 10 т сожженного твердого топлива.

Источники информации

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М.: Наука, 1976. 888 с.

2. Патентов 2341856.

3. Авт. свид. СССР №367302, 1973.

4. Авт. свид. СССР, №800580, 1981.

5. Патент SU 1012000, 1983.

6. Авт. свид. СССР, №523268, 1976.

Изобретение относится к теплообменной технике и может быть использовано в теплоэнергетике и в смежных отраслях, в частности в установках обработки высокотемпературных высокорасходных газовых потоков периодического действия, например, при уничтожении сжиганием отработавших свой эксплуатационный ресурс ракетных двигателей на твердом топливе. Сущность изобретения в том, что в регенеративном теплообменнике, содержащем корпус с двумя роторами перемещения и перематываемой теплообменной насадкой, пересекаемой горячим газом газохода, первый ротор перемещения размещен на верхней станции корпуса, второй ротор перемещения на нижней станции корпуса по отношению к горизонтальному газоходу, верхняя и нижняя станции сообщены с газоходом посредством щелевых шлюзов для пропускаемой через газоход перематываемой теплообменной насадки, выполненной в виде набора цепей конечной длины, первый ротор перемещения снабжен звездочками по числу цепей для сматывания набора цепей из цепного ящика верхней станции с отсеками для укладки каждой цепи, второй ротор перемещения снабжен звездочками по числу цепей для натяжения набора цепей и направления их в водоохлаждаемый теплообменный цепной ящик нижней станции с отсеками для укладки каждой цепи и средствами укладки цепей. Роторы перемещения могут иметь реверсивные приводы. Щелевые шлюзы могут иметь средства создания избыточного давления в щели, концы каждой цепи могут быть закреплены в цепных ящиках верхней и нижней станций, второй ротор перемещения набора цепей может быть снабжен регулятором натяжения, роторы могут быть снабжены сменными звездочками, теплообменная насадка может быть выполнена в виде набора якорных цепей, а также в виде многослойного набора цепей, слои набора цепей в теплообменной насадке могут иметь уменьшающиеся калибры вниз по потоку газа. Такое выполнение теплообменника позволяет упростить и удешевить технологический цикл обработки продуктов сгорания за счет сокращения потребления воды и вследствие сокращения числа агрегатов запорной арматуры. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Регенеративный теплообменник, содержащий корпус с двумя роторами перемещения между ними перематываемой теплообменной насадки, пересекаемой горячим газом газохода, отличающийся тем, что первый ротор перемещения размещен на верхней станции корпуса, второй ротор перемещения на нижней станции корпуса по отношению к горизонтальному газоходу, верхняя и нижняя станции сообщены с газоходом посредством щелевых шлюзов для пропускаемой через газоход перематываемой теплообменной насадки, выполненной в виде набора цепей конечной длины, первый ротор перемещения снабжен звездочками по числу цепей для сматывания набора цепей из цепного ящика верхней станции с отсеками для укладки каждой цепи, второй ротор перемещения снабжен звездочками по числу цепей для натяжения набора цепей и направления их в водоохлаждаемый теплообменный цепной ящик нижней станции с отсеками для укладки каждой цепи и средствами укладки цепей.2. Регенеративный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что роторы перемещения имеют реверсивные приводы.3. Регенеративный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что щелевые шлюзы имеют средства создания избыточного давления в щели.4. Регенеративный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что концы каждой цепи закреплены в цепных ящиках верхней и нижней станций.5. Регенеративный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что второй ротор перемещения набора цепей снабжен регулятором натяжения.6. Регенеративный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что роторы снабжены сменными звездочками.7. Регенеративный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что теплообменная насадка выполнена в виде набора якорных цепей.8. Регенеративный теплообменник по п.1 или 7, отличающийся тем, что теплообменная насадка выполнена в виде многослойного набора цепей.9. Регенеративный теплообменник по п.8, отличающийся тем, что слои набора цепей в теплообменной насадке имеют уменьшающиеся калибры вниз по потоку газа.