Рекуператор Советский патент 1991 года по МПК F23L15/04 

Изобретение относится к конструкции рекуператоров, предназначенных для подогрева воздуха, поступающего в горелки, теплом отходящих дымовых газов промышленных печей с целью экономии топлива,

Интенсификация процесса передачи теплоты от металлической стенки рекуператора к нагреваемому воздуху позволяет повысить температуру нагрева воздуха, а значит и эффективность работы рекуператора.

Для интенсификации теплообмена в пристенном (пограничном) слое воздуха используют различные виды турбулизаторов, в том числе и выполненные в виде периодических выступов или впадин натеплообмен- ной поверхности. Периодически расположенные выступы или впадины приводят к формированию вихревых зон у поверхности, за счет чего достигается интенсификация теплообмена при умеренном росте аэродинамического сопротивления.

Известна теплообменная труба с кольцевыми канавками на наружной поверхности и соответствующими им выступами на внутренней поверхности, причем в продольном направлении она разделена на участки с одинаковой высотой выступов в каждом из них и различной высотой выступов в смежных, ступенчато изменяющейся от участка к участку в диапазоне Нс di/D 0,97-0,88, где di - минимальный внутренний диаметр трубы в зоне выступов; D - внутренний диаметр гладкой части трубы. Кроме того, выступы выполнены с различным шагом, ступенчато возрастающим от участка к участку в направлении возрастания высоты выступов в диапазоне

,

где t - шаг выступов, д- толщина стемки трубы.

Недостатком известной теплообменной трубы являются относительно невысокие значения температуры подогрева воздуха при использовании ее в качестве теплооб- менного элемента рекуператора. Это обусловлено тем, что при помощи турбулизации только пристенного слоя трудно обеспечить значительное повышение температуры подогрева воздуха, так как не обеспечивается интенсивное перемешивание объемов воздуха из тонкой пристенной зоны и из значительно большего по размерам ядра потока.

Кроме того, изготовление теплообменной трубы с различной высотой выступов по длине и с разным шагом сложно, нетехнологично и практически неосуществимо при

промышленном производстве рекуператоров.

Известен рекуперативный воздухоподогреватель, содержащий воздухоподводящий и воздухоотводящий коллекторы, подключенные к ним теплообменные элементы. Последние расположены в газоходе, снабженном газоподводящим и газоотводя- щим патрубками. Теплообменные элементы

выполнены из внутренней и наружной труб, причем наружная труба заглушена с торца с помощью днища. Днище расположено от выходного торца внутренней трубы с зазором, величина которого составляет 0,5-0,75

от диаметра внутренней трубы. Кроме того,

днище заведено в полость наружной трубы

на расстояние, равное 0,5-1,0 ее диаметра.

Недостатком известного рекуператора

является низкая интенсивность теплообмена вследствие отсутствия турбулизации потока на гладких трубах.

Целью изобретения является интенсификация теплоотдачи.

Поставленная цель достигается тем, что

в рекуператоре, включающем воздухопод- водящий и воздухоотводящий коллекторы и присоединенные к ним теплообменные элементы, содержащие внутреннюю и заглушенную с одного торца днищем наружную

трубы, выполненные с кольцевыми канавками на наружных поверхностях с образованием соответствующих им выступов на внутренних поверхностях, кольцевые канавки на внутренних трубах расположены

со смещением д относительно кольцевых выступов на наружных трубах равным d (0,4-0,6)5, а днище выполнено полусферическим с центральным выступом вовнутрь теп- лообменного элемента, причем зазор h

между выходным концом внутренней трубы и в.ыступом составляет h (0,,6)d, где S - шаг между кольцевыми выступами на наружных трубах. d, - диаметр внутренней трубы.

Кроме того, для интенсификации теплоотдачи при установке рекуператора на вертикальном участке дымового канала, он может быть снабжен трубной доской, перпендикулярной теплообменным элементам

и перфорированной отверстиями, размещенными соосно теплообменным элементам1, причем диаметры отверстий в трубной доске уменьшаются по направлению к отверстию в дымовом канале, предназначенном для выхода дымовых газов ,

На фиг.1 представлен рекуператор, продольный разрез; на фиг.2 - рекуператор на вертикальном участке дымового канала, продольный разрез; на фиг.З - график зависимости среднего коэффициента теплоотдачи к воздуху 5Гот смещения д /S при начальной скорости воздуха во внутренней трубе W 10 м/с: на фи .4 график зависимости коэффициента теплоотдачи к воздуху, истекающему из внутренней трубы, «д от полусферического днища с выступом от величины зазора h между выступом и выходным концом внутренней трубы (W 10 м/с).

Рекуператор содержит воздухолодво- дящий коллектор А, воздухоотводящий коллектор В и теплообменные элементы С. Воздухоподводящий коллектор 1А образован крышкой 1 с присоединенным к ней по центральной оси подводящим патрубком 2, боковыми стенками 3-6 разделительной стенкой 7 с отверстиями 8. Воздухоотводящий коллектор В образован боковыми стенками 3-6 с присоединенным к последней отводящим боковым патрубком 9 , нижней стенкой 10 с отверстиями 11.

Каждый теплообменный элемент С содержит закрепленную в отверстии 8 разделительной стенки 7 воздухоподводящего коллектора А внутреннюю трубу 12. Она вы- полнена с кольцевыми канавками 13 на наружной поверхности, образующими кольцевые выступы 14 на внутренней поверхности. Коаксиально с внутренней трубой 12 расположена наружная труба 15. закрепленная верхним концом в отверстии 11 нижней стенки 0 воздухом водящего коллектора 8. Она выполнена с кольцевыми канавками 13 на наружной поверхности, образующими кольцевые выступы 14 на внут- ренней поверхности. Коаксиально с внутренней трубой 12 расположена наружная труба 15. закрепленная верхним концом в отверстии 1 -. нижней стенки 10 зсздухоот- зодящего коллег/гора В, Она выполнена с копьцеаыми канавками 16 на наружной поверхнссш, образующими кольцевые выступы V; на внутренней поверхности, выполненные с шагом S. Пр /.чем выступы 17 расположены со смещением относительно канавок 13, равным д (0.4-0.6)5. Наружная труба 15 заглушена с нижнего торца полусферическим днищем 1В.

По центру наружной поверхности днища 18 эыполнена впадина 19, образующая на внутренней поверхности днища выступ 20, причем зазор h между выходным концом внутренней трубы 12 и выступом 20 составляет h (0.5-0,6)d, где d - диаметр внутренней трубы.

Рекуператор может быть снабжен трубной доской 2 с отверстиями 22, размещенными соосно теплообуенным элементам С, причем диаметры отверстий 22 выполнены

уменьшающимися по направлению к отьер стию в дымовом канале 23, предназначенному для выхода дымовых газов.

Выполнение кольцевых канавок и соответствующих им кольцевых выступов на трубах теплообменного элемента приводит к турбулизации пристенного слоя воздуха на внутренних стенках как внутренней, так и наружной труб за счет турбулизирующего воздействия кольцевых выступов, способствующих периодическому выбросу в основной поток порций воздуха-из пристенного слоя. Наличие кольцевых канавок на наружной поверхности внутренней трубы, способствует образованию микровихрей в канавках и периодическому выбросу порций воздуха в пристенный слой, расположенный на наружной трубе. За счет размещения кольцевых канавок на наружной поверхности внутренней трубы со смещением д (0,5-0,6)3 относительно выступов нз наружной трубе происходит интенсивное перемешивание основного потока воздуха с воздухом, расположенным в пристенном слое. Это приводит к интенсификации теплообмена и повышению температуры подогрева воздуха

Выполнение днища в виде полусферы с выступом в центре, расположенным с зазором по отношению к выходному концу внутренней трубы равным h (05-0,6)d, позволяет интенсифицировать теплообмен между вытекающей из внутренней тоубы струей роэдуха и днищем. Интенсификация теплообмена на этом участке теплообменного элемента вызвана установкой выступа в центре полусферического днища, что приводит к уменьшению зоны заторможенного потока, которая образуется при ударе струи о днище.

Полученные соотношения определены экспериментальным пут .м. При проведении экспериментов получены заявленные диапазоны оптимальных значений «5 и h, a также проведено сравнение показателей работы предлагаемого речуператора с прототипом.

Проведаны исследования влияния взаимного расположения кольцевых канавок нз внутренней трубе предлагаемого рекуператора и кольцевых выступов на наружной трубе на средний коэффициент теплоотдачи к воздуху. Нзчатьнзя скорость воздуха во внутренней трубе изменялась Б пределах W - 5-20 м/с, что соответствует диапазону скоростей, применяемому в промышленных рекуператорах. Нз модели рекуператора получены значения среднего коэффициента теп- лсотрачи для rex же скоростей воздуха. Полученные данные по зависимости

,F - f Г (5/0 ) д/in склопсти воздуха W 10 м/с представлены в виде графика РЗ фиг.З,

Анапиз данных, поедставлеиных н фи 3 покачивает, что максимальная имтон- С чфикация теплообмена достигается в диапазоне чначериГ- смещения д- (0,5-0,6)3, 4iO соответствует заявленному соотношению При этом значения среднего коэффициента геплоотдачч v предлргаемого рек/п ратира на 25-35%, вьюге, чей у прототипа при той ле скорости .

Гропедрпы экспериментальные исследовании ппиы.ия величины вуходным концом внутренней грубы и аи- ступом ИР полуосЬео 1иось ом дн,;щ ) па коэф- ф цмент теплоотдачи от днища к воздуху. Величина скорости истечения воздуха из внутренней тп/Оь1 мгменилась Б пределах V/ 5-УО м/с Ча модели рекуператора nporoinna получзш-1 значения i оэффициен- тз теплоотдачи от днища к воздуху для тех же скоростей шмечечия воздуха из ч;(утренней трубы Полученные данные г,о зависимости 5г f(n/u) для скорости истечения воздуха W 10 м/с предст впены а виде графика на .4.

Анализ данных, представленных на фиг 4 показывает, что максимальная интенсификация епгооб еки цостыаегся з диапазоне скачен оелтмны зазора h (0,5-0,&)J c i OUT етепуе гаясланчому cOoTHOuieiiKio. г рп 3njM значачия коэффициента тепдоотДс-чи oi днища к воздуху у продлагяемогг рекуперсгооа на 12- 4%, у прототипа при той же скорости еоздуга.

Таким образом,заявленные диапазоны соотношения гЗ- (О/ О 6)S t/. h (0,5-0,6)d позволяют максимально интенгифициро- вать тепгостдачу, что обеспечипас. дос-ч, жечие постсаленно цели

При ;/..,Ta,-.rvKe рок/ператооа в зерт - опьном Д11моаом -анало грубчать е гопло- обменные неравномерно омываются ды огзым i азами вследствие одностороннего отсоца иослелних. епло- огдачз и грубч тмад гсплоо5меннымолемен- гвм, расположенным v стенки дымового канала, POOTMLO .сложной отверстию для выхода дымовых газов, ниже, чем TeiincoT- дач-д к трубчатые i теплообмениыи элемен- твп, иасполо чояным ближе к отверстию. Устснопка трубно й доски nepnef-дику- лярнс и теплообмен - -лм злемен ам w перфорированной отверст чми, размещенными C.DOCI о геплообмениым элементам и имеющими диаметры, v / оЬ1ы 1аюа .иеся по на- гравлспию Y отверг гию дл выхода димовы/ 1-ззав, п-с воляст оргзнизосл ь

0

0

5

0

5

О

равномерное смывание трубчатых теплооб- менных элементов дымовыми газами и тем самым интенсифицировать теплоотдачу

Рекуператор работает следующим образом,

Холодный воздух через па г рубок 2 подают в воздухоподводящий коллектор А, откуда он -аерез отверстия 9 разделительной стенки 1 поступает во внутренние трубы 12 тетюобмечных элементов С, снабженные кольцевыми канавками 13 с образованием ьа ьму тренней поверхности кольцевых выступов И, Из внутренней трубы 12 воздух натекает на полусферическое днище 18 с выступом 20, плавно поворачивает на 180° и движется по кольцевой щели между внутренней трубой 12 и наружной 1Ь, снабженной кольцевыми канавками 16, образующими на внутренней поверхности трубы кольцевые выступы 7 Вследствие наличия заявляемого смещения между кольцевыми канавками 13 и выступами 17 происходит интенсивное перемешивание воздуха из пристенного слоя и ядра потока Из патрубка 9 воздухоотводящего коллекто- оа В воздух отводят из рекуператора.

Экономический эффект по сравнению с пиототмпом достигается за счет интенсифи- РЯЦИИ теплоотдачи, вследствие чего темпе- ратуоа нэгревэ воздуха повышается на 20-30% при прочих равных условиях Это ведет к повышению экономии топлива в среднем на 7%. При расходе воздуха на предлагаемом рекуператоре 1000 м /ч, что соответствует сжиганию 100 м /ч природного газа, трехсменном оежиме работы рекуператора (т е 7500 ч в год) годовой экономический эффект от использования предлагаемого рекуператора по сравнению с прототипом составит

- - - 1000

|470 руб.

1000

один рекуг|Сратор.

Кроме того, предлагаемый рекуператор

5 в отличие от аналога технологичен в изготовлении, так как лмеет одинаковый подлиня трубы шаг и высоту накатки

Формула изобретения

1. Рекуператор в лючаюший воздухо0 подводящий и воздухоотвсдящий onлекторы и подключенные к ним, установленные в ia оходе, снабженном в его боковых сте - кзх входным и выходным патрубками, теп- лообменные элемент ы, выполненные в виде

5 внутренней и наружной, труб, последняя из которых заглушена с торца с помощью днища, размещенного на заданном расстоя- -)и 1 от конца внутренней труЬы, о т л и ч а- -о и ti и с я тем, что, с целью интенсифика- u w теплоотдачи, трубы выполнены с кольцевыми канавками на наружных поверхностях с образованием соответствующих им выступов на внутренних поверхностях, причем кольцевые канавки на внутренних трубах расположены со смещением д относительно кольцевых выступов на наружных трубах, равным д (0,4-0,6) S, а днище выполнено полусферическим с центральным выступом вовнутрь тепло- сменного элемента, причем зазор h между концом внутренней трубы и выступом составляет

h (0,5-0,6)d

где S шаг между кольцевыми выступами на наружных трубах;

d - диаметр внутренней трубы.

2. Рекуператор по п.1, о т л и ч а кэ щ и йс я тем, что, с целью интенсификации теплоотдачи при установке теплообменных элементов в вертикальном газоходе, снабженном входным патрубком в нижнем участке, а выходным патрубком - в боковой

стенке, он дополнительно снабжен размещенной поперек газохода перегородкой с отверстиями, а теплообменные элементы заведены в эти отверстия, причем последние выполнены с уменьшающимся з сторону выходного патрубка диаметром.

Изобретение относится к теплообмен- ной технике и м.б. использовано на нагревательных и термических печах металлургии и машиностроения. Цель изобретения - интенсификация теплообмена посредством турбулизации потоков теплообмениваю- щихся сред. Трубы 12 и 15 теплообменных элементов снабхедны кольцевыми канавками 13 и 16 на наружной поверхности и кольцевыми выступами 14 и 17 на внутренней поверхности соответственно. Канавки 13 Холодный fosiyx 1 г 4 рас отн ду в лус вов h м бы 0,6) уста мов ной теп ван уме 23 для сте дя эле год Вы дан цир из т ф-л MbiKffnit газы siyx расположены со смещением д (0,4-0,6)5 относительно выступов 17, где S - шаг между выступами 16. Днище 18 выполнено полусферическим с центральным выступом 20 вовнутрь теплообменного элемента. Зазор h между выходным концом внутрянней трубы 12 и выступом 20 составляет h (0,5- 0,6)d, где d - диаметр внутренних труб. При установке рекуператора в вертикальном дымовом канале он может быть снабжен трубной доской 21, перпендикулярной теплообменным элементам и перфорированной отверстиями 22, диаметр которых уменьшается по направлению к отверстию 23 в дымовом канале, предназначенному для выхода дымовых газов. Воздух из пристенного слоя и из середины потока, проходя по трубам 12 и 15 теплообменного элемента, интенсивно перемешивается благодаря смещению канавок 13 и выступов 17. Выполнение днища полусферическим на заданном расстоянии позволяет интенсифицировать теплообмен мгжду вытекающей из трубы 12 струей воздуха и днищем. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. А 5 8, С о ю ел о ел ел

Голодный Воздух

А

77777///////// 7//7///// :777 77777777

дный ух

А 1 58

та/// / / -б

Наеретыи Возёух

Фиё.1

а,8т/А

40

О

0,2 ОМ 0,8 0/5 ФигЗ

elg,#r/w%

50

50

О

02

01

ФигЧ

0,8 hid