Трубна насадка регенеративного теплообмінника

Насадка, що складається із труб, установлених рядами в камері регенеративного теплообмінника, яка відрізняється тим, що крок між осями труб у рядах визначається з рівняння Винахід належить до галузі металургійної теплотехніки, зокрема, до використання теплоти димових газів, які відходять із термічних печей з робочою температурою 1000-1100°С, для регенеративного підігріву повітря, що йде в пальники печі. Відома високотемпературна компактна керамічна стільникова насадка [United States Patent № 115344. Элемент регенеративного слоя сотового типа / Kawamoto, Masso (Yokohama, JP) // Опубл. 14.05.1996], яка забезпечує високий ступінь регенерації теплоти (високу температуру підігріву повітря) та має низький аеродинамічний опір. Застосування стільникової насадки в регенеративних теплообмінниках призводить до економії палива та зменшення шкідливих викидів у навколишнє середовище до 50%. Температура газів на виході з регенератора зі стільниковою насадкою становить 200-250°С, що, у свою чергу, поліпшує експлуата ційні характеристики перекидних клапанів. Недоліками аналога є те, що, по-перше, через малі розміри комірок стільникової насадки, які не перевищують 2-3мм, вона схильна до забруднень різними відкладеннями, що виносяться димом з печі, тому очищення такої насадки утруднено; і, по-друге, підвищена крихкість тонкостінної кераміки та чутливість її до термічних напружень перешкоджає тривалому використанню стільникової насадки. Найбільш близькою до пропонованого рішення за технічною суттю та результатом, що досягається, є насадка регенератора, яка складається з теплообмінних елементів [Патент на корисну модель № 20797, МПК (2007) F28D 19/00, F28F 1/00. Опубл. 15.02.2007. Бюл. № 2], виконаних у вигляді труб і розташованих у регенеративній камері рядами, між якими по всій довжині камери встановлені листові перегородки. Насадка з теплообмін 1,431 2 0,785 d2 зов 3 dвн dзов 0,785 dзов ( 3 dзов ) 2 1, , (13) 92293 (11) UA (19) dзов, dвн - зовнішній і внутрішній діаметри труби, м, при цьому на кожну трубу або через одну у шаховому порядку насаджені по два кільця з однаковим зовнішнім діаметром, які розташовані на протилежних кінцях труби. C2 де: - крок між осями труб, м, 3 92293 них елементів не зазнає термічних напружень через нерівномірність температурного поля та здатна працювати в умовах запилених пічних газів. Насадка регенератора у вигляді пучка труб поперемінно омивається то гарячим теплоносієм (димовими газами), то холодним (повітрям). Теплота, акумульована трубами у період їх нагрівання, передається повітрю у період охолодження насадки. Чим кращими є умови теплообміну між пучком труб та газоподібними теплоносіями, тим ефективніше утилізується теплота газів, що відходять з печі, і тим меншим є викид теплоти в атмосферу. Теплообмін пучка труб з газами відбувається на внутрішній та зовнішній поверхні труб. Недоліком прототипу є неефективне використання зовнішньої поверхні труб для теплообміну з газами. У зв'язку з тим, що труби в насадці розташовані впритул одна до одної, витрата газів у міжтрубних каналах є істотно меншою, ніж усередині труб, і тому теплообмін із зовні труб менш інтенсивний, ніж усередині. В основу винаходу покладено таку задачу: зменшення матеріалоємності (маси) та габаритів насадки при досягненні тієї ж самої температури підігріву повітря. Технічний результат полягає в ефективному використанні внутрішньої та зовнішньої теплообмінної поверхні труб при охолодженні гарячого теплоносія та нагріванні холодного теплоносія. Вирішення поставленої задачі досягається тим, що до камери регенератора встановлюються насадка, яка складається із труб, розташованих у пучку рядами із кроком між осями труб, що розраховується з рівняння 1,431 2 0,785 d2 зов 3 - крок 1, де 3 dвн dзов 0,785 dзов ( dзов ) 2 між осями труб у рядах, м; dзов, dвн - зовнішній і внутрішній діаметр труби, м, при цьому на кожну трубу або через одну в шаховому порядку насаджені по два кільця з однаковим зовнішнім діаметром, які розташовані на протилежних кінцях труби. Ефективне використання внутрішньої та зовнішньої теплообмінної поверхні здійснюється шляхом розподілу витрати теплоносія між внутрішніми та зовнішніми каналами трубної насадки відповідV dзов но до співвідношення зов , де Vзов, Vвн Vвн dвн витрата теплоносія (димових газів або повітря) із зовні й усередині труб м3/с за н.у.; яке забезпечується вибором кроку між осями труб > dзов, у результаті чого знижуються матеріалоємність та габарити регенератора при досягненні тієї ж самої температури підігріву повітря. Пропонований винахід пояснюється схематично фіг. 1 та фіг. 2. На фіг. 1 представлений поперечний переріз трубної насадки з кільцями. Насадка, що складається з окремих труб 1, установлюється в регенеративній камері 2 рядами з оптимальним кроком між осями труб > dзов. Розташування трубної насадки в регенеративній камері може бути вертикальним або горизонтальним. Для дотримання оптимального кроку на кожну 4 трубу або через одну в шаховому порядку надіваються по два кільця 3 з однаковим зовнішнім діаметром. Обидва кільця розташовані на протилежних кінцях труби. Спосіб надягання кілець через одну трубу в шаховому порядку є більш раціональним. На фіг. 2 представлений елемент поперечного перерізу насадки із кроком між осями труб у рядах > dзов. З фіг. 2 видно, що простір усередині труб представляє собою канали із круглою формою перерізу та діаметром dвн, а утворені при укладанні труб рядами канали міжтрубного простору з гідравлічним діаметром dг.зов віднесені нами до квадратної форми перерізу. Гарячий та холодний теплоносії, надходячи до регенеративної камери 2, поперемінно в поздовжньому напрямку омивають насадку, що складається із труб 1 з надягнутими на них кільцями 3. Протягом періоду нагрівання труби 1 відбирають теплоту від гарячого теплоносія, а в період охолодження віддають теплоту холодному теплоносію. Суть пропонованого винаходу пояснюється тим, що зміна температури газів у теплообміні зі стінкою залежить від числа Стентона (St), при цьому вн Fвн зов Fзов Stвн ; Stзов Vвн с Vзов с де вн, зов - коефіцієнти тепловіддачі усередині й із зовні труб, Вт/(м2.К); Fвн, Fзов - площа поверхні теплообміну усередині й із зовні труб, м2; с питома теплоємність теплоносія, Дж/(м3 . К). Якщо Stвн=Stзов, то гази будуть нагріватися або охолоджуватися до тієї ж самої температури усередині труб та у міжтрубному просторі [Губинский В.И. Теория пламенных печей/ Губинский В.Й., Лу Чжун-У// М.: «Машиностроение». - 1995. - 256с.]. При цьому теплообмінна поверхня буде використовуватися найбільш ефективно. Якщо врахувати, що вн зов, Fзов= .dзов.  і Fвн= .dвн.  , де  - довжина труб, м; то з умови Stвн=Stзов випливає вираз, при якому відношення витрати теплоносіїв у міжтрубних каналах до їх витрати усередині труб буде дорівнювати відношенню зовнішнього діаметра труб до внутрішнього: Vзов dзов . (1) Vвн dвн У свою чергу, витрата газів дорівнює: Vвн fвн Wвн; Vзов fзов Wзов. Vзов fзов Wзов (2) Vвн fвн Wвн де fвн, fзов - площа каналів усередині труб і площа поперечного перерізу міжтрубного простору, м2; Wвн, Wзов - середні швидкості газів усередині й із зовні труб, м/с. Відношення fзов / fвн при фіксованих діаметрах труб dзов i dвн визначається кроком між осями труб , а саме з фіг. 2 випливає, що fзов 2 4 d2 , fвн зов 4 2 dвн , тоді 5 2 fзов fвн d2 зов 2 92293 Тоді . (3) 2 2 dвн 2 4 Відношення Wзов / Wвн розраховується з умови рівності перепаду тисків по довжині зовнішніх і внутрішніх каналів при ламінарному русі газів: 2 Wвн 2 Свн  Reвн dвн де Wвн dвн Reвн Сзов  Reзов dг.зов ; Re зов Wзов dзов 2 Wзов , (4) 2 Тоді з (4) випливає: Wзов Wвн ; dг.зов 64 dг.зов 57 dвн 2 . Як випливає з фіг. 2, 4 fзов dг.зов dзов 4 ( dзов ) 2 4 4 ( dзов 2 4 4 dзов d2 зов dзов ) d2 зов ( Wзов Wзов dзов ) 64 57 4 d2 зов 2 2 dвн 4 dзов ( . (5) dзов ) Після підстановки виразів (3) і (5) у (2) умова (1) набуває вигляду: Vзов Vвн - гідравлічний діаметр міжтрубного простору, що визначається за відомою формулою: dг.зов=4.fзов/П, м; П - змочений периметр поперечного перерізу, м; , - в'язкість та густина теплоносія, м2/с і кг/м3; Свн і Сзов - коефіцієнти, що залежать від форми перерізу каналу, Свн = 64 - для каналів круглого перерізу; Сзов = 57 - для квадратної форми перерізу (див. фіг. 2). 4 6 1,431 2 0,785 d2 зов 3 2 4 dвн dзов , (6) dвн 0,785 dзов ( dзов ) З формули (6) можна обчислити оптимальний крок між осями труб у ряді. Виконавши перетворення виразу (6), одержимо рівняння (7): 1,431 2 0,785 d2 зов 3 (7) 1, 3 dвн dзов 0,785 dзов ( dзов ) 2 Таким чином, при заданих діаметрах труб dзов і dвн виконання умови (1) забезпечується вибором кроку між осями труб у рядах шляхом розв'язання рівняння (7). На прикладі представимо порівняльну характеристику регенеративних насадок у вигляді пучка труб із зовнішнім діаметром dзов = 6мм і внутрішнім – dвн = 4мм, розташованих у камері регенератора вертикальними рядами з різним кроком між осями труб і таких, що забезпечують підігрів повітря до тієї ж самої температури. Розглянемо трубну насадку із кроком між осями труб у рядах, рівним = dзов = 6мм, і кроком, розрахованим з рівняння (7) і рівним = 7мм. Повітря, що йде на горіння, необхідно підігріти до температури 850°С при температурі димових газів на вході до насадки 1000°С. Виходячи з цього, розраховуємо теплообмін у регенераторі із трубною насадкою та визначаємо необхідну довжину та кількість труб при = dзов = 6мм і =7мм (Розрахунок теплообміну не приводиться). У таблиці 1 представлена порівняльна характеристика регенеративних насадок, що забезпечують підігрів повітря до 850°С, але мають різну відстань між осями труб: = dзов = 6мм і = 7мм. Таблиця 1 Порівняльна характеристика трубних насадок із різною відстанню між осями труб Параметри Кількість труб, шт Довжина труб, м Маса насадки, кг Відстань між осями труб = dзoв = 6мм 1024 0,25 52 Отже, при зовнішньому діаметрі труб d = 6мм, товщині стінки ст = 1мм та оптимальному кроці між осями труб = 7мм маса регенеративної насадки, необхідна для нагрівання повітря до температури 850°С, зменшується на 39% у порівнянні з = 7мм 784 0,2 32 насадкою, що має крок = dзов = 6мм. Застосування насадки, що складається з труб із насадженими на них кільцями в шаховому порядку, дозволяє витримувати оптимальну відстань між осями труб і забезпечує, у порівнянні із прото 7 92293 типом, новий технічний результат - зниження матеріалоємності та габаритів насадки регенератив Комп’ютерна верстка А. Крулевський 8 ного теплообмінника при забезпеченні тієї ж самої температури підігріву повітря. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601