Теплообмінник-утилізатор контактного типу

1. Теплообмінник-утилізатор контактного типу для утилізації тепла низького потенціалу від нагрітих газу чи повітря для підігріву рідини або навпаки для утилізації тепла гарячої рідини, при підігріві газу чи повітря, до складу якого входять підвідні і відвідні магістралі, поперечна перетинка, яка утворює дві ємності-секції, який відрізняється тим, що для максимального використання теплового потенціалу одного із середовищ з переважним температурним рівнем теплообмін між середовищами здійснюють послідовно у двох секціях при безпосередньому їх контакті і вони не вступають у хімічну реакцію і не утворюють нову речовину, а як середовища можуть бути газ, повітря, рідина, вода. 2. Теплообмінник за п. 1, який відрізняється тим, що найбільш гарячий газ чи повітря спочатку охолоджують у нижній секції, де внаслідок барботування рідина догрівається до максимальної температури після попереднього нагріву її у верхній U 2 19209 1 3 19209 4 теплових джерел шляхом контактного теплообмізменшать ефективність утилізації тепла газу за ну. Наприклад: у [А.С. 308284 МПК F28С3/06 Бюконтактним теплообміном. летень №21, 01.07.1971. Контактний теплообмінКомбінована конструкція пристрою запропононик]. вана у [А.С. 1603169 А1 F28С3/06 F24Н1/10 БюлеВ апараті призматичної форми розміщена натень №40, 30.10.1990. Утилізатор тепла]. садка із листового алюмінію, яка одночасно контаВ апараті, що складається з двох секцій, за ктує з двома середовищами: газом (повітрям) у рахунок тепла викідних газів котельних, нагріваверхній частині і з рідиною, що підігрівається і зається вода. Вода з труби зрошує насадку, в якій повнює апарат на малому рівні. Гарячий газ (повіпротитоком рухається гарячий газ, і підігріта, за тря) рухається протитоком до рідини, яка підігрівадопомогою насосу, закачується у міжтрубний проється внаслідок високої теплопровідності стір дегазатора, де догрівається до кипіння гаряалюмінієвої насадки, а також безпосереднього чими газами, які рухаються всередині вертикальконтакту з рідиною, що рухається самопливом на них труб. Охолоджений газ виходить трубою. Пари дні апарату. У апараті, що за принципом дії нагаводи разом з газом по окремій трубі потрапляють дує теплову трубу, частково відбувається контактпід насадку, у якій при контакті з прохолодною воний теплообмін, але частково і не реалізуються дою конденсуються, підігріваючи воду. Залишки основні критерії утилізації теплової енергії, тому як пари виділяються у вихідну трубу разом з газом, площа контакту рідини з гарячим газом (повітрям) який виходить з труб дегазатору. дуже мала. У наведеному прикладі ефективно використаУ [А.С. 561067 F28С3/06 Бюлетень №21, но тепловий потенціал газу для підігріву води до 05.06.1977. Спосіб охолодження повітря]. кипіння, але тепловий потенціал газу не викорисГаряче повітря спочатку охолоджується у тано. Наприклад, після дегазатору, де вода нагріокремій камері, де змішується з водяною парою, а лась до 100°С логічно припустити, що газ матиме потім суміш охолоджується водою. Вода значно як найменш температуру 105-110°С, а це теплове підігрівається, а повітря - охолоджується і прямує, джерело, яке не використане, а викидається у зонаприклад, до другої ступені компресору, а гарячу внішнє середовище. воду використовують для підігріву аміаку при виПісля зрошувального пристрою не передбачеробництві азотної кислоти. но уловлювання крапель води з потоку газу, що Кінцевий результат у способі позитивний, але викидається і волога з залишками газу утворює в реалізація його пов'язана із значними конструктиатмосфері агресивне середовище для довкілля. вними ускладненнями та експлуатаційними витраПристрій конструктивно складний і матеріалотами на обслуговування конкретних апаратів, поємний, в якому контактне охолодження газів здійсв'язаних спеціальними магістралями. нюється у [А.С. 585392 F28С3/06, F28F23/02 БюПриваблює конструктивна простота пристрою, летень №47, 25.12.1977]. що пропонується у [А.С. 338766 F28С3/06, Джерело інформації - А.С. 220283 F28С3/02, F22D„/44 Бюлетень №16, 15.05.1972]. Підігрівач 1961. змішуваного типу. Апарат призначений для підігріАпарат контактного охолодження газів. ву рідини гарячим газом за контактним теплообміУ пристрої оригінальної конструкції охолоном. дження газу здійснюється за рахунок підігріву хоАпарат конічної форми з підводними і відводлодного газу шляхом постійної рециркуляції проними патрубками рідини і газу. Всередині апарату міжного теплоносія. Апарат має вертикальну у верхній частині закріплено відбивального щитка. перегородку, до якої закріплено два коліна з труб.Вхід рідини здійснюється зверху по осі апарату і Верхні кромки труб вварені на рівні теплоносія, нижче щитка. який заповнює апарат. У кожну трубу відповідної Гарячий газ підводиться у апарат біля верхполовини апарату занурюються труби з гарячим та ньої підвалини по трубі тангенційно розміщеної до холодним газом. Гарячий газ, барботуючи у трубі, поверхні циліндричного корпусу. У апараті відбуежектує (підсмоктує) теплоносій, підігріває його і вається бурхливе неупоряждене перемішування охолоджений, разом з краплями рідини входить у газу з рідиною, внаслідок чого рідина підігріваєтьвільний простір апарату, а далі крізь краплевловся, а газ охолоджується і виходить крізь щілини лювач віддаляється. поміж щитком і корпусом. Завдяки подачі гарячого Підігрітий теплоносій засмоктується у трубу газу за тангенційною траєкторією всередені утводругого відділення, де аналогічно попередньому, рюються вихреві потоки, що закручують потік рідибарботується холодним газом, охолоджується і ни і вона тонкою плівкою стікає за дією гравітації знову засмоктується в трубу для охолодження по стінкам корпусу у нижню підвалину корпусу, де гарячого газу, а підігрітий газ після вільного проснакопичується і далі подається до споживача. тору, проходить краплевловлювач, відводиться. Аналізуючи наведений приклад контактного Проміжний теплоносій виконує функцію постійного теплообміну, слід зазначити, що надійність роботи переношувача енергії гарячого газу до холодного, відбивного щитка для запобігання виносу крапель а теплоносій постійно рециркулює між двома джерідини крізь щілини між щитком і корпусом. Слід релами енергії. очікувати значного уносу рідини потоком газу, що Очікувана ефективність охолодження і підігрірухається з великою швидкістю у місці верхньої ву теплоносія шляхом барботажу у обмеженому підвалини, а гравітаційний рух рідини при пульсупросторі - кільцевій щілині між двома трубами виючих газових вихрах буде перервним і призведе кликає сумнів. Короткочасний контакт гарячого або до викиду газу у магістраль рідини. Наведені нехолодного газу з рідиною, що має значно більшу доліки, попри конструктивну простоту апарату, теплоємність не забезпечить необхідного обміну 5 19209 6 енергії. Окрім того, у пристрої не наведені співвідно таке рішення. Вертикальний циліндр, заповнено ношення діаметрів газових труб і колін. У певних рідиною і оснащено газовим колектором тороїдаспіввідошеннях можлива відсутність ежектування льної форми. Форсунки тангенційно розміщені на рідини під час барботажу і ефект пульсації, коли боковій поверхні тора. Газ підводиться до колекрідина газовими пробками буде виштовхуватись з тора по трубі з регулюючим клапаном, а температруби всупереч напряму потоку. тура рідини контролюється датчиком температури, Необхідність підтримання постійного рівня тещо регулює витрати газу. Мета роботи - досягти плоносія обумовлена виносом його краплин крізь рівномірності температурного поля рідини при її краплевловлювач. Для компенсації втрат рідини охолодженні газом шляхом інтенсивної турбулізанеобхідно постійно підводити гарячий і холодний ції усього об'єму рідини роботою газових форсутеплоносій у відповідні половини апарату. Це знинок. Відпрацьований газ при досягненні відповіджує ефект охолодження або підігріву газу. ного тиску викидається за допомогою дихального [А.С. 1649231 А1 F28С3/06, F24Н1/10 Бюлеклапану. тень №18, 15.05.1991. Контактний водонагрівач]. Конструкція апарату невиправдано ускладнеВода нагрівається газами, які виходять з топки на наявністю форсунок. При наявності теплої рікотельної. Гарячі гази проходять протитоком до дини, яка охолоджується стисненим газом для води, яка рухається на поверхні зрошуємої насадодержання рівномірного температурного поля, ки. Підігріта вода догрівається у водяній рубашці достатньо у колекторі зробити перфорацію і, внакотельної топки і спрямовується до споживача. Газ слідок інтенсивного барботажу газу крізь рідину, після насадки, що зрошується водою у охолоджезадача успішно вирішується. ному стані виходить по газопроводу зовні. Під час Форсунки, крім удорожчання конструкції і підвищеного навантаження вода окрім насадки ускладнення умов експлуатації, приводять до знанагрівається потоком газу, що проходить крізь чного гідравлічного опору, в додаток до статичного перфоровану решітку, де підтримується невеликий опору стовпа рідини. Уловлювання виносу краплин шар води, який забезпечує додаткове охолодженрідини не передбачено. ня газу і запобігає руйнуванню насадки. Усі розглянуті пристрої мають недоліки, що не Якщо прийняти до уваги температурний рівень дозволяють віднести їх до альтернативного вирігазів 400-500°С, то слід очікувати інтенсивне парошення проблеми при максимальному використанні утворення з води, тому охолодження газу відбуватеплового потенціалу середовищ за мінімальними ється за рахунок її випарування, а не внаслідок експлуатаційними витратами при простій конструконтактного теплообміну. Отже, слід називати кції корисної моделі. пристрій як контактний охолоджувач газів. При Найбільш близьким до заявляємого викорисцьому, температура вихідних газів достатньо витовуємого [А.С. 1613834 Al, F28С3/06, Бюлетень сока і потенціал теплової енергії не вичерпаний. №46, 15.12.1990; А.С. 347530 F28С3/06, 1969; А.С. Підігрів води також пропонується у [А.С. 715619 F28С3/06, 1976. Апарат для нагрівання 742691, F28С3/06, Бюлетень №23, 25.06.1980. рідини]. Теплообмінник]. Задача корисної моделі - підвищення ефектиУ циліндричному корпусі, заповненому тепловності теплообміну при тангенційному підводі газу. носієм, знаходиться ежектор, зв'язаний з газовим Вертикальний корпус розділено поперечною соплом і двома рукавами, зануреними у товщу перегородкою на дві частини з гідро-затвором потеплоносія. У теплоносії розміщені також теплооміж ними. Із зовнішньої сторони до кожної частини бмінні поверхні, які у свою чергу заповнені іншим тангенційно підведено газозаходи подачі і відводу теплоносієм. Гарячий газ, проходячи приймальну газу, зверху передбачена труба подачі рідини а камеру ежектору, утворює розрідження, внаслідок знизу - волого-збірник. Всередині апарату в обох чого з рукавів у камеру всмоктується теплоносій. частинах розміщені тарілчасті розподільники ріТеплоносій змішується з газом і струменем і прядини. мує на поверхню теплоносія. У кожну частину подається гарячий газ, який Струмінь суміші газу з теплоносієм утворює на зустрічає потік води, що плівкою стікає з розподійого поверхні гідродинамічну впадину, у якій прольників. Охолоджений газ по газоходам відділяходить контактний теплообмін, а товща теплоносія ється зовні, а підігріта вода з верхньої частини турбулізується сприймаючи тепло газу, яке в свою (секції) крізь гідрозатвор зливається у нижню часчергу передається теплообмінним поверхням. тину, в якій і у верхній, при барботажі продовжує Процедура утилізації тепла гарячого газу для нагріватись у контакті з гарячим газом. Нагріта підігріву теплообмінних поверхонь шляхом виковода відділяється у водозбірник. Таким чином, ристання теплоносія та участю ежекторного блоку вода підігрівається двічі: спочатку у верхній, а подостатньо складна. Коефіцієнт ежекції дуже матім - нижній секції апарату, а охолоджений газ з лий, тому навіть при великих витратах газу очікуєвипареною водяною парою і краплинами води вима турбулізація маси теплоносія не відбудеться і водиться зовні. тепловий потенціал газу не буде використано. Не зважаючи на послідовний двоступеневий Значна кількість тепла від газу буде відводитися підігрів води, значна частина теплового і темперабез уловления крапель теплоносія назовні, а потурного потенціалу газу не використовується, внаповнення втраченого теплоносія непередбачено. слідок короткочасного контакту гарячого газу з На відміну від локальної подачі газу у попереплівкою води. Автори роботи ніде не вказують про дньому пристрої [А.С. 635381, F28C3/06 Бюлетень заявлений тангенціальний підвід газу в апарат. А №44, 30.11.1978; А.С. 155159 Al F28С3/06, 1962. при гравітаційному руху плівки води з розподіль"Теплообмінник барботажного типу"] запропонованика і вихровому русі газу можливі відриви плівки і 7 19209 8 винос значної кількості води зовні з закрученим Холодна рідина по трубі 10 з форсунками 9 потоком газу. В обох половинах апарату краплевзаповнює обидві секції до моменту автоматичного ловлювачі не передбачені. Тому очікуваний ефект зупинення потоку пристроєм 16 та мембранним від тангенційного підводу газу в апарат незначний клапаном верхньої секції і пристроєм 19 нижньої і негативних факторів більше ніж позитивних. секції. Після припинення подачі рідини візуально Технічна задача, на вирішення якої спрямоваперевіряють її рівень у кожній секції за допомогою но корисна модель полягає у наступному: викорипоказувачів 17 і повільно, через запірну арматуру стовуючи контактний теплообмін гаряче середоздійснюють подачу гарячого стисненого газу (повівище охолодити до мінімально можливої тря) до нижньої секції, а від неї - до верхньої. температури, а холодне - нагріти до максимально У залежності від початкової температури рідиможливої високої. Це забезпечує найвищий коефіни слід перевіряти її температури на виході з патцієнт ефективності процесу утилізації теплових рубка 21. При досягненні заданого рівня нагріву джерел. повністю відкривають вихід гарячої рідини до споПоставлена задача досягається завдяки конживачів через патрубок. тактному теплообміну газу (повітря) з рідиною у В сталому режимі гарячий газ (повітря) надхопристрої, в якому між середовищами послідовно дить по трубі 3 під шар рідини нижньої секції. На здійснюються процеси теплообміну з максимальвиході з конічного сопла 2 газ (повітря) рівномірно ною ефективністю. Використання високоефективрозповсюджується в об'ємі рідини завдяки конічній ного контактного теплообміну сприяє скороченню формі сопла. Охолоджене повітря частково з нижвитрат матеріалів, зменшенню на 5-15°С темпераньої секції 20 по стоякову 5 і трубам 6 надходить турного градієнту між середовищами (що особлипід шар рідини у верхній секції 7. Тут, аналогічно во важливо при утилізації теплових джерел низьпопередньому, що охолоджений газ (повітря) прокого потенціалу), підвищення енергоефективності довжує охолоджуватись під шаром свіжої прохообладнання, до складу якого входить заявлений лодної рідини, яка зрошується з форсунок 9. пристрій. Конструкцію пристрою приведено на риОхолоджений газ (повітря) у просторі верхньої сунку. секції 14 з можливим пароутворюванням рідини Апарат циліндричної форми, вертикальний з продовжує остаточно охолоджуватися краплями поперечною герметичною перегородкою, яка утвохолодної рідини, яка витікає з форсунок 9. При рює дві секції: верхню і нижню. Секції заповнюцьому пара води конденсується, а охолоджений ються рідиною, рівень якої контролюється поплавгаз звільнившись від крапель рідини у елімінаторі ковими регуляторами, візуалізація скляними 12 із кілець Рашига надходить через патрубок 11 у рівневказувачами. Крізь верхнє днище і перегоромагістраль. дку до нижньої секції проходить центральна труба, Рідина, яка сприйняла тепло від газу (повітря) яка підводить гарячий газ або повітря; на кінці труу верхній секції потрапляє через поплавковий приби закріплене конічне сопло, яке занурено у рідину стрій 19 у нижню секцію, де зустрічає поток газу на глибину 100мм. В перегородці проходить труба, (повітря) з максимальною температурою. У процеяка об'єднує газові простори секцій. З труби у версі контактного теплообміну при барботажі рідина хній секції виходять рукава, які мають теж конічні досягає максимальної температури і відводиться сопла, що занурені у рідину на 100мм верхньої до споживача крізь патрубок 21. секції. Глибина занурення на 100мм прийнята з Таким чином, завдяки тристадійному послідоміркувань утворення мінімального гідравлічного вному охолодженню газу (повітря) у нижній та веропору за умов максимальної турбулізації рідини. У хній секціях, а потім і під краплями холодної рідини верхню секцію рідина подається по трубі через форсунок відбирається максимум тепла потоку мембранний клапан, зв'язаний поплавковим припри зменшені до мінімума його температури. строєм, який регулює подачу рідини до форсунок. У той же час рідина у цих трьох процесах При зниженні рівня в нижній секції другий поплавсприймає від газу (повітря) тепло і нагрівається до ковий пристрій через отвір у перегородці перепусмаксимально можливої при контактному теплообкає рідину з верхньої секції у нижню. Для уловлюміні температури. вання крапель води над розподільником з Відомості, які підтверджують можливість здійфорсунками передбачено краплевловлювач з кіснення корисної моделі. лець Рашигу. Теплообмінник-утилізатор виготовляється під Отвори у тілі труб призначені для врівноваконкретні робочі параметри системи, у якій буде ження тиску в об'ємі рідини і газовому просторі. експлуатуватись корисна модель. Вихідними паОхолоджений газ (повітря) відводиться зверху, а раметрами повинні бути хімічні і теплофізичні хатепла рідина - знизу. Профілактика поплавкових рактеристики кожного з теплообмінюючих середопристроїв і мембранного клапана здійснюється за вищ, температурні рівні і робочий тиск кожного, а допомогою монтажних віконець в секціях. Крім також - об'ємні витрати. того для очищення труб від іржі і забруднень у Якщо одне з середовищ або обидва вибухокожній з секцій передбачено люки. На Фіг. зобрапожежонебезпечні або токсичні, то на підприємстві жений теплообмінник-утилізатор контактного типу. необхідно передбачити відповідні заходи для заРобота пристрою. побігання нещасних випадків. У разі відсутності Після перевірки роботи поплавкових пристроїв небезпечних факторів пристрій можна розміщува16, 19 і мембранного клапану 13 обидві секції зати у будь-якому місці з додержанням загальних повнюють рідиною з центральної магістралі під правил безпеки. тиском на 0,015-0,025мПа вищим, ніж тиск газу Конструктивно апарат не уявляє серйозних (повітря), яке надходить до апарату. складностей. Виготовлення його доступно на будь 9 19209 10 якому підприємстві, де є кваліфіковані зварювальплуатацію на підприємствах, де потрібна гаряча ники та слюсарі. рідина як технологічний або споживаємий продукт, Міцність корпуса апарата підлягає випробуа джерелом високотемпературного тепла можуть ванню під тиском у 1,5-1,7 разів вище робочого. бути вихідні гази топок котелень, технологічних Корисна модель знайде попит і успішну експроцесів, системи мереж стисненого повітря. Комп‟ютерна верстка В. Мацело 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