ТЕПЛООБМЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ РЕКУПЕРАТОРА Российский патент 2023 года по МПК F23L15/04 

Изобретение относится к рекуперативным устройствам отопления газовых печей и может быть использовано для высокотемпературного подогрева воздуха, используемого для сжигания топлива в нагревательных и термических печах.

Известен теплообменный элемент рекуператора, содержащий кольцевой и центральный каналы, образованные внутренней и наружной, заглушенной с одного торца днищем, трубами, подключенными к патрубкам подвода и отвода воздуха, размещенным в зоне противоположных относительно днища торцов труб, причем патрубок подвода воздуха размещен на наружной трубе и установлен тангенциально (А.С. 1386804, МПК ⁴F 23 L 15/04, 1987).

Недостатком данного технического решения является низкая тепловая эффективность и термостойкость теплообменного элемента из-за неравномерной теплоотдачи от наружной трубы теплообменного элемента к нагреваемому воздуху.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является теплообменный элемент рекуператора, содержащий внешнюю теплопередающую трубу и распределительную камеру, которые с одного торца заглушены днищами, а с другого подключены к патрубкам подвода и отвода воздуха, причем в стенке распределительной камеры расположены газовыпускные отверстия (Сабуров, Э.Н. Исследование аэродинамики и конвективного теплообмена на натурной модели струйного модульного рекуператора / Э.Н. Сабуров, С.И. Осташев, А.Н. Орехов, Ю.Л. Леухин, В.А. Никифоров, Е.В. Крейнин, И.Э. Шагинян // Промышленная теплоэнергетика. 1988, № 6. – С. 33–37.) – прототип.

Недостатком данного теплообменного элемента является его низкая термостойкость, обусловленная тем, что интенсивность теплоотдачи от внешней теплопередающей трубы к воздушному потоку, значительно снижается по направлениям к глухому и выходному торцам. Низкая интенсивность теплоотдачи от теплопередающей трубы к воздушному потоку приводит к перегреву и разрушению наиболее термически напряженных участков теплопередающей трубы, расположенных у торцов теплообменного элемента.

Задача изобретения – повышение термостойкости теплообменного элемента рекуператора.

Для достижения этого в теплообменном элементе рекуператора, содержащем внешнюю теплопередающую трубу и распределительную камеру, которые с одного торца заглушены днищами, а с другого подключены к патрубкам подвода и отвода воздуха, причем в стенке распределительной камеры расположены газовыпускные отверстия, диаметры которых увеличиваются в направлениях от центра распределительной камеры к глухому и выходному торцам.

На фиг. 1 изображен теплообменный элемент рекуператора, продольный разрез; на фиг. 2 показан график, характеризующий изменение псевдолокального коэффициента теплоотдачи (осредненного по периметру поперечного сечения) по длине внешней теплопередающей трубы теплообменного элемента прототипа; на фиг. 3 показан график, характеризующий изменение псевдолокального коэффициента теплоотдачи по длине внешней теплопередающей трубы теплообменного элемента предлагаемой конструкции.

На фиг. 2 и 3 используются обозначения: α – коэффициент теплоотдачи от теплопередающей поверхности к воздушному потоку; z – продольная координата, отсчитываемая от глухого торца теплопередающей поверхности по направлению к выходному торцу; штриховые линии показывают осредненные по длине теплопередающей поверхности значения коэффициента теплоотдачи.

Теплообменный элемент рекуператора включает внешнюю теплопередающую трубу 1, распределительную камеру 2 с газовыпускными отверстиями 3, которые с глухого торца заглушены днищами 4 и 5, а с выходного подключены к патрубкам подвода 6 и отвода воздуха 7, причем в стенке распределительной камеры расположены газовыпускные отверстия 3, диаметры которых увеличиваются в направлениях глухого и выходного торцов.

Теплообменный элемент рекуператора работает следующим образом.

Воздух, подводящийся к теплообменному элементу через патрубок 6, поступает в распределительную камеру 2, откуда он через газовыпускные отверстия 3 в виде системы импактных струй подается на внутреннюю поверхность внешней теплопередающей трубы 1 и нагревается. После чего воздух поворачивается и отводится через патрубок 7. Отработанные в печи продукты сгорания с высокой температурой обтекают теплопередающую трубу 1 с внешней стороны и передают ей теплоту за счет излучения и конвекции.

Сравнение с прототипом: на фиг. 2 приведено изменение псевдолокального коэффициента теплоотдачи (осредненного по периметру поперечного сечения) по длине внешней теплопередающей трубы теплообменного элемента, выполненного в натуральную величину, со следующими геометрическими характеристиками: рабочая длина внешней теплопередающей трубы 1 равняется 1389 мм, ее внутренний диаметр – 100,5 мм; внутренний диаметр распределительной камеры 2 равен 50 мм, толщина ее стенки – 5,25 мм; диаметр газовыпускных отверстий – 3,5 мм, количество отверстий в ряду – 5 и количество рядов по высоте модуля – 33. Расход воздуха через элемент равен 0,055 м³/с.

Максимальные значения коэффициента теплоотдачи наблюдаются в критических точках натекания импактных струй на вогнутую стенку внешней теплопередающей трубы, которая является рабочей поверхностью теплообменного элемента. В соответствии с представленным на фиг. 2 графиком, в теплообменном элементе прототипе как максимальное, так и осредненное по длине значения коэффициента теплоотдачи значительно снижаются к глухому и к выходному торцам. Это объясняется тем, что у глухого торца воздушный поток имеет сложную неупорядоченную вихревую структуру, которая снижает ударное воздействие импактных струй на поверхность внешней теплопередающей трубы. При этом максимальные значения коэффициента теплоотдачи к глухому торцу снижаются примерно на 14%, а осредненные на 16%.

В направлении выходного торца вдоль кольцевого канала между внешней теплопередающей трубой 1 и распределительной камерой 2 формируется интенсивный спутный поток, который сносит входящие струи, уменьшая тем самым интенсивность теплоотдачи. Формирование спутного потока приводит к уменьшению максимальных значений коэффициента теплоотдачи у выходного торца примерно на 27%, а осредненных на 22%.

При увеличении диаметров газовыпускных отверстий в направлении к глухому торцу возрастает мощность газовых струй, способных преодолеть негативное влияние неупорядоченных вихрей, а с увеличением диаметров газовыпускных отверстий в направлении выходного торца теплообменного элемента, струи легче преодолевают сносящее воздействие спутного потока. Отклонение максимальных значений псевдолокальных коэффициентов теплоотдачи по всей теплопередающей поверхности не превышает ± 4%, а осредненных (по штриховой линии) ± 3%. При этом осредненное по всей поверхности внешней теплопередающей трубы значение коэффициента теплоотдачи практически не изменяется.

Представленные результаты получены авторами при численном моделировании аэродинамики и теплоотдачи теплообменного элемента рекуператора в трехмерной постановке с использованием программного комплекса ANSYS Fluent 15.0 и модели турбулентности Realizable k-ε (URANS). Расчет производился на неструктурированной тетраэдрической сетке с количеством ячеек равным 15 млн. Тестирование методики расчетов выполнено по опытным данным, полученным при струйном течении теплоносителя в теплообменном элементе рекуператора прототипа (Сабуров Э.Н., Осташев С.И., Орехов А.Н., Леухин Ю.Л. и др. Исследование аэродинамики и конвективного теплообмена на натурной модели струйного модульного рекуператора // Промышленная энергетика. 1988. № 6. – С. 33–37). Сопоставление расчетов и результатов физических экспериментов показало хорошее их совпадение.

Таким образом, увеличение диаметров газовыпускных отверстий в направлениях глухого и выходного торцов приведет к росту коэффициентов теплоотдачи от внешней теплопередающей трубы к нагреваемому воздушному потоку у торцов теплообменного элемента рекуператора, что вызовет снижение температурной неравномерности по длине внешней теплопередающей трубы, ликвидируется перегрев и разрушение наиболее термически напряженных участков и, как следствие, повысит термостойкость теплообменного элемента рекуператора.

Изобретение относится к рекуперативным устройствам отопления газовых печей и может быть использовано для высокотемпературного подогрева воздуха, используемого для сжигания топлива в нагревательных и термических печах. Теплообменный элемент рекуператора содержит внешнюю теплопередающую трубу и распределительную камеру, которые с одного торца заглушены днищами, а с другого подключены к патрубкам подвода и отвода воздуха. В стенке распределительной камеры расположены газовыпускные отверстия. Диаметры газовыпускных отверстий увеличиваются от центра в направлениях глухого и выходного торцов. 3 ил.

Теплообменный элемент рекуператора, содержащий внешнюю теплопередающую трубу и распределительную камеру, которые с одного торца заглушены днищами, а с другого подключены к патрубкам подвода и отвода воздуха, причем в стенке распределительной камеры расположены газовыпускные отверстия, отличающийся тем, что диаметры газовыпускных отверстий увеличиваются в направлениях от центра распределительной камеры к глухому и выходному торцам.