Рекуператор Советский патент 1992 года по МПК F23L15/04 

Изобретение относится к устройствам рекуператоров. Рекуператор может быть использован преимущественно для нагрева, в т.ч. высокотемпературного, воздуха для горения в топливных печах машиностроения, промышленности строительных материалов.

Известен воздухонагреватель, содержащий соединенные между собой и примыкающие к газоходу воздушные камеры, каждая из которых подключена к своему подающему коллектору через перфорированную перегородку, установленную вдоль рабочей (теплообменной, теплопередаю- щей) стенки камеры (воздухонагревателя, рекуператора) на заданном расстоянии от нее, причем отверстия перфораций в перегородках размещены в шахматном порядке, расстояние между перегородками (между перегородкой и рабочей стенкой) превышает диаметр отверстий в 4-6 раз, а шаг между отверстиями превышает диаметр отверстий в 4-8 раз.

Недостатком такого воздухоподогревателя является возникновение в воздушной камере - в зазоре между перегородками (между перфорированной перегородкой и рабочей стенкой) сносящего потока, усиливающегося к периферии воздушной камеры и ликвидирующего основное преимущество теплообменников со струйным натеканием нагреваемой среды - воздуха, состоящее в существенной (в 5-10) интенсификации теплообмена, благодаря замене продольного обтекания воздухом рабочей поверхности струйной подачей на последнюю. В результате возникновения сносящего потока эффект интенсификации теплообмена за счет струйной подачи обеспечивают только центральные отверстия перфорации, наиболее удаленные от периферии воздушной камеры, где нагретый воздух отбирается из воздухоподогревателя.

Известен рекуператор, содержащий внутренний и наружный цилиндры, в кольцевой полости между которыми продольно установлен кольцевой воздухораздающий узел с выпускными соплами по всей его длине, обращенными к внутреннему цилиндру, причем с целью интенсификации теплообмена воздухораздающий узел выполнен в виде пучка труб, равномерно размещенных по сечению кольцевой полости.

Наиболее близким к изобретению является рекуператор, содержащий разделенные между собой теплопередающей стенкой центральный газовый и периферийный воздушный каналы, в последнем из которых установлен коллектор с выпускными патрубками, направленными на теплопередающую стенку, которая со стороны воздушного канала снабжена продольными и поперечными ребрами, размещенными с образованием ячеек, обрамляющих выпускные патрубки коллекторов. Эта конструкция, ликвидируя возможности возникновения сносящего потока у тепло- передающей стенки, не устраняет недостаток, вызванный использованием только

0 однократного струйного натекания и отсутствием других, помимо струйного теплообмена, механизмов интенсификации результирующего переноса тепла.

Целью изобретения является повыше5 ние КПД рекуперации теплоты продуктов сгорания.

Поставленная цель достигается тем, что рекуператор, содержащий разделенные между собой теплопередающей стенкой

0 центральный газовый и периферийный воздушный каналы, последний из которых снабжен выполненным на теплопередающей стенке продольным и поперечным оребрением с образованием ячеек, обрам5 лен входным коллектором с выпускными патрубками, направленными в каждую ячейку теплопередающей стенки, и подключен к выходному коллектору, дополнительно снабжен пучком труб с отверстиями, разме0 щенными по их длине, и кольцевой перегородкой, установленной соосно теплопередающей стенке с образованием с ней замкнутого кольцевого отсека, сооб5 щенного с воздушным каналом посредством дополнительно выполненных в теплопередающей стенке в зоне между упомянутыми ячейками перепускных отверстий, а упомянутые трубы размещены

0 равномерно по окружности в кольцевом отсеке в зоне между перепускными отверстиями теплопередающей стенки и подключены к выходному коллектору.

На фиг. 1 представлен продольный раз5 рез рекуператора, в одноступенчатом исполнении; на фиг. 2 - поперечный разрез предлагаемой конструкции рекуператора; на фиг. 3 - продольный разрез многоступенчатого (на примере двухступенчатого) реку0 ператора.

Рекуператор состоит из наружного корпуса 1, промежуточной перегородки 2, теплопередающей стенки 3, кольцевой перегородки 4, установленных коаксиально.

5 Сверху и снизу корпус 1 и кольцевая перегородка 4 соединены между собой крышкой 5 и дном 6 соответственно, расположенными параллельно друг другу.

Перегородки: промежуточна и тепло- передающая стенка 3 расположены с зазорами между собой, а по высоте - с зазорами

между крышкой 5 и дном 6. Верхние торцы перегородки 2 и теплопередающей стенки 3 соединены с верхним диском 7, расположенным между наружным корпусом 1 и кольцевой перегородкой 4, параллельно крышке 5 и дну 6.

В диске 7 по периферии, в пределах ограниченных наружным корпусом 1 и промежуточной перегородкой 2, выполнены перепускные отверстия 8, расположенные равномерно по окружности.

Нижние торцы перегородки 2 и тепло- передающей стенки 3 соединены с нижним диском 9, расположенным между наружным корпусом 1 и кольцевой перегородкой 4, параллельно крышке 5 и дну 6.

Между теплопередающей стенкой 3 и кольцевой перегородкой 4 вплотную к ним равномерно по окружности установлен пучок тру б 10, в которых вдоль образующих по их длине выполнены отверстия 11.

В промежуточной перегородке 2 равномерно по окружности и по высоте рекуператора установлены патрубки 12, расположенные в продольных рядах вдоль образующих перегородки 2, под углом а 2 тс/п, где п - число выпускных патрубков 12. Продольный (по высоте рекуператора) шаг установки выпускных патрубков - h.

Теплопередающая стенка 3, в свою очередь, состоит из вогнутых (по отношению к корпусу 1 и перегородке 2) участков 13 и перфорированных участков 14, между которыми расположены пережимы 15. По высоте рекуператора вогнутые участки 13, сочленяющиеся с перфорированными участками радиальными (продольными) ребрами 16, разделены поперечными ребрами 17 на отдельные ячейки (углубления) 18. Ось каждого из выпускных патрубков 12 представляет центр продольной и поперечной симметрии соответствующей ячейки (углубления) 18.

В перепускных отверстиях 19 перфорации на участках 14 могут быть установлены выпускные патрубки 20, расположенные в продольных рядах.

При этом образующие, вдоль которых расположены перепускные отверстия 19 и выпускные патрубки 20, смещены в поперечных сечениях рекуператора от образующих, вдоль которых расположены выпускные патрубки 12, на центральный угол а 12. Друг от друга соседние образующие, вдоль которых расположены перепускные отверстия 19, отстоят на угол а . Шаг расположения перепускных отверстий 19 и установки выпускных патрубков 20 вдоль образующих - h. Поперечные сечения рекуператора, в которых расположены перепускные отверстия 19 и установлены выпускные патрубки 20, отстоят от поперечных сечений, в которых установлены выпускные

патрубки 12, на расстоянии h/2. При этом поперечные плоскости, в которых расположены оси отверстий 19 и патрубков 20, совпадают с поперечными плоскостями расположения осей отверстий 11 в трубах

0 10. В поперечных плоскостях предпочтительная ориентация осей отверстий 11 под углом 90°а/2 к радиальным осевым плоскостям соответствующих труб 10 (плоскости, проходящие через продольные оси

5 рекуператора и труб). К наружному корпусу рекуператора на участке между крышкой 5 и диском 7 присоединен подводящий патрубок 21, а на участке между днищем 6 и диском 9 - отводящий патрубок 22.

0 Рекуператор извне покрыт слоем тепловой изоляции 23.

По длине (высоте) рекуператор состоит из одной или нескольких ступеней. В свою очередь, каждая из ступеней содержит вход5 ной коллектор 24 - камеру предварительного нагрева, расположенный между наружным корпусом 1 и промежуточной перегородкой 2; периферийный воздушный канал 25 - камеру промежуточного нагрева,

0 расположенный между промежуточной перегородкой 2 и теплопередающей стенкой 3; замкнутый кольцевой отсек 26 - камеру окончательного нагрева, расположенный между теплопередающей стенкой 3 и коль5 цевой перегородкой 4. Камеры 24, 25, 25 по высоте ограничены верхним и нижним дисками 7 и 9. Упомянутые выше ячейки 18 расположены в пределах воздушного канала 25 - камеры промежуточного нагрева,

0 Между крышкой 5 и верхним диском 7 расположена распределительная камера 27, между днищем 6 и нижним диском 9 - в случае одноступенчатого рекуператора (фиг. 1)- выходной (собирающий) коллектор

5 28. В случае многоступенчатого рекуператора (фиг. 3) между нижним диском 9 предыдущей ступени и верхним диском 7 последующей расположена перепускная камера 29. Объем, ограниченный кольцевой

0 перегородкой 4 рекуператора, представляет центральный газовый (дымовой) канал 30. В табл. 1 представлены максимальные значения характерных температур стенок рекуператора и воздуха, а также КПД реку5 перации теплоты для двух сравниваемых конструкций рекуперации теплоты для двух сравниваемых конструкций рекуператора: в соответствии с изобретением и для прототипа. Температура продуктов сгорания в ды- мовом канале 1343 К, коэффициент избытка

воздуха, подаваемого в рекуператор и определяющего состав продуктов сгорания, 1,20.

Таким образом, по сравнению с прототипом предложенная конструкция позволяет понизить максимальную температуру стенки внутреннего корпуса примерно на 70 К при одновременном повышении температуры подогрева воздуха горения на 85 К и увеличении КПД рекуперации теплоты в 1,22 раза (с 30,1 до 36,8%).

Рекуператор, устанавливаемый за печью по тракту продуктов сгорания преимущественно вертикально, работает следующим образом. Взаимная ориентация потоков продуктов сгорания - преимущественно противоточная: продукты сгорания направляют по центральному газовому (дымовому) каналу 30 снизу вверх, нагреваемый воздух - сверху вниз, последовательно через распределительную камеру 27, входной коллектор (камеру предварительного нагрева) 24, периферийный воздушный канал (камеру промежуточного нагрева) 25, и замкнутый кольцевой отсек (камеру окончательного нагрева) 26. Совершив поперечные перемещения в пределах одной ступени, поток воздуха при наличии других ступеней направляют вдоль оси рекуператора в следующую ступень.

Детальный рабочий процесс протекает так. Поток воздуха от вентилятора через подводящий патрубок 21 подают в распределительную камеру 27, куда через перепускные отверстия 8 в диске 7 поток поступает во входной коллектор 24, которая служит коллектором для последующей раздачи воздуха через выпускные патрубки 12 в промежуточной перегородке 2. Во входном коллекторе 24, ограниченном наружным корпусом 1, покрытым извне слоем тепловой изоляции 23, и промежуточной перегородкой 2, осуществляют слабый начальный подогрев воздуха при его контакте со стенками корпуса 1 и промежуточной перегородкой 2, нагреваемыми излучением последовательно от кольцевой перегородки 4 к теплопередающей стенке 3, затем от последней - к промежуточной перегородке 2, наконец, к наружному корпусу 1. Через выпускные патрубки 12 воздух струями подают на вогнутые участки 13 теплопередаю- хцей стенки 3, контактируя с радиальными (продольными) и поперечными ребрами, образующими вокруг каждого из выпускных патрубков 12 ячейки 18. Благодаря этому при контакте с тепловоспринимающей вогнутой поверхностью 13 теплопередающей стенки 3 - вогнутыми участками - осуществляют процесс высокоэффективного струйного теплообмена на этапе промежуточного нагрева воздуха.

После выхода отдельных воздушных струй из ячеек 18 в сторону соответствующих перфорированных участков 14 теплопередающей стенки 3 происходит лишь незначительное слияние отдельных струй, движущихся к ближайшим выпускным патрубкам 20. Благодаря наличию выступов 0 пережимов 15 на пути воздушных струй, вытекающих из ячеек 18 в сторону выпускных патрубков 20, обеспечивается равномерная по контуру каждой из ячеек 18 раздача воздуха и поддерживается равномерный рас5 ход предварительно нагретого воздуха через выпускные патрубки 20.

При подаче воздуха через выпускные патрубки 20 и последующем струйном теплообмене с поверхностью кольцевой пере0 городки 4 осуществляют третий наиболее интенсивный этап нагрева воздуха. Для предупреждения слияния отдельных воздушны струй у наружной поверхности перегородки 4, непосредственно нагреваемой

5 излучением и конвекцией от потока продуктов сгорания внутри перегородки 4, каждую из струй нагретого воздуха, веером растекающуюся вдоль поверхности, удаляют через отверстия 11 в пучках труб 10, расположен0 ных по обе стороны от соответствующего выпускного патрубка 20, Поскольку оси патрубков 20 и отборных отверстий 11 расположены в общих поперечных сечениях, а оси отверстий 11 ориентированы навстречу

5 струе, растекающейся по обе стороны от оси патрубка 20 при ударе о поверхность перегородки 4, поток воздуха от каждой из струй отбирают через пару отверстий 11 в сосед- нихтрубах 10, аотдельные воздушные струи

0 не сливаются. Этому способствует ориентация осей воздушных струй к радиальным осевым плоскостям соответствующих труб 10 под углом 90° 20 , 90° - «/2 (растекание струи вдоль цилиндрической поверхности).

5 Указанные предельные значения обусловлены ориентацией растекающейся струи по касательной к цилиндру в пределах перемещения меджу радиальными осевыми плоскостями удара и отбора,

0 Благодаря расположению выпускных патрубков 12 и пучков труб 10 в общих радиальных осевых плоскостях рекуператора и установке труб 10 вплотную к наружной поверхности ячейки 18 и вогнутых участков 13

5 теплопередающей стенки 3, дополнительно реализуют кондуктивный механизм передачи теплоты .для интенсификации струйного нагрева воздуха, подаваемого и выпускных патрубков 12 внутрь ячеек 18. Нагрев тепло- отдающих поверхностей теплопередающей

стенки 3 интенсифицируют за счет теплопроводности через радиальные (продольные) ребра 16 и поперечные ребра 17. Ребра 16 и 17 играют роль вторичных излучателей, интенсифицируя радиационный теплопере- нос между кольцевой перегородкой А, перегородкой 2 и теплопередающей стенкой 3.

После перемещения по трубам 10, в качестве заглушенного торца которых используют диск 7, горячий воздух через открытые торцы в дисках 9 поступает в выходной (собирающий) коллектор 28 - в случае односту- пенчатого рекуператора (фиг. 1) или перепускную камеру 29 - в случае многоступенчатого рекуператора (фиг. 3).

В первом случае из выходного коллектора 28 рекуператора горячий воздух отбирают через отводящий патрубок 22, во втором - отводят из перепускной камеры 29 через перепускные отверстия 8 диска 7 во вход- ной коллектор 24 второй ступени рекуператора (фиг. 3). Далее повторяют процесс, аналогичный осуществленному в 1-й ступени.

Благодаря наличию внешней тепловой изоляции 23 снижают потери теплоты в окружающее пространство, несмотря на повышение температуры наружного корпуса 1.

Воздух, подвергаемый нагреву, дважды в пределах каждой из ступеней, струями

натекает на тепловоспринимающие поверхности рекуператора, а всего в пределах рекуператора - 2п раз, где п - количество ступеней.

Формула изобретения Рекуператор, содержащий разделенные между собой теплопередающей стенкой, центральный газовый и периферийный воздушные каналы, последний из которых снабжен выполненным на теплопередающей стенке продольным и поперечным оребрением с образованием ячеек, обрамлен входным коллектором с выпускными патрубками, направленными в каждую ячейку теплопередающей стенки, и подключен к выходному коллектору, отличаю щий с я тем, что, с целью повышения эффективности, он дополнительно снабжен пучком труб с отверстиями, размещенными по их длине, и кольцевой перегородкой, установленной соосно теплопередающей стенке с образованием с ней замкнутого кольцевого отсека, сообщенного с воздушным каналом посредством дополнительно выполненных в теплопередающей стенке в зоне между упомянутыми ячейками перепускных отверстий, а упомянутые трубы пучк а размещены равномерно по окружности в кольцевом отсеке в зоне между перепускными отверстиями теплопередающей стенки и подключены к выходному коллектору.

Использование: для нагрева, в т.ч. высокотемпературного, воздуха для горения в топливных печах машиностроения, про-. 9 20 ,Я 46 И и Фчг мышленности строительных материалов, металлургии. Сущность изобретения: рекуператор снабжен кольцевой перегородкой, установленной с образованием кольцевого отсека, сообщенного с воздушным каналом посредством выполненных в теплопередага- щей стенке между ячейками перепускных отверстий, и пучком труб, установленных в кольцевом отсеке и подключенных к выходному коллектору. Такая конструкция обеспечивает натекание нагреваемого воздуха на тепловоспринимающую поверхность дважды, что позволяет интенсифицировать теплообмен. 3 ил. х4 N О со 00 ю t

Основные показатели сопоставляемых конструкций

Обозначения: Т - максимальная температура, К;

ij- КПД рекуперации теплоты, %; нижние индексы: 3 -для теплопередающей стенки, 4 - для кольцевой перегородки; В1 -для воздуха в камере промежуточного нагрева; ВП - нагретого в рекуператоре по конструкции прототипа.

13

ik

25

УзелН

А -А

л

15

ФШ.2

7

Фцг.з