Рекуператор

Реферат: Винахід належить до конструкцій рекуператорів, що використовують для нагрівання повітря (у тому числі високотемпературного) для горіння в паливних печах металургії, машинобудування, промисловості будівельних матеріалів. В основу винаходу поставлена задача удосконалення конструкції рекуператора, у якому в результаті виконання вторинних випромінювачів гнучкої конструкції у вигляді хрестоподібних коаксіальних вставок з виконаними визначеної форми ребрами, що дозволяє встановити вторинний випромінювач вздовж всієї довжини труби рекуператора, забезпечується збільшення температури підігріву повітря, зменшення аеродинамічних втрат тиску і за рахунок цього покращується теплогідравлічна характеристика рекуператора та його робота в цілому. Рекуператор, встановлений в газоході, містить вхідний і вихідний колектори, до яких приєднані теплообмінні U-подібні труби. В теплообмінних Uподібних трубах коаксіально встановлені гнучкі вторинні випромінювачі. Вторинні випромінювачі на прямолінійних ділянках труб виконані у вигляді трьох смуг, причому до центральної осі широкої смуги з двох сторін перпендикулярно приєднані дві півсмуги (смуги половинної ширини), а на криволінійних ділянках вторинні випромінювачі виконані у вигляді продовження широкої смуги прямолінійних ділянок, до осі якої перпендикулярно приєднано окремі, між собою однакові елементи, виконані у вигляді рівнобічних трапецій, які розміщені на осі широкої смуги з обох її сторін, причому їх широкі основи розташовані одна проти одної та співпадають між собою, а висота трапецеїдальних елементів дорівнює половині ширини широкої смуги. В рекуператорі, що пропонується, збільшується температура підігріву повітря та зменшуються аеродинамічні втрати тиску, що забезпечує більшу рекуперацію теплоти в паливному циклі печі та менші витрати енергії на перекачку газу (повітря) через рекуператор. UA 101124 C2 (12) UA 101124 C2 UA 101124 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до конструкцій рекуператорів, що використовують для нагрівання повітря (у тому числі високотемпературного) для горіння в паливних печах металургії, машинобудування, промисловості будівельних матеріалів. 3 Відомий рекуператор (А.С. СРСР № 1116275, М.кл. F23L15/04, 1984), що містить вхідний і вихідний колектори, до яких підключені теплообмінні U-подібні труби, у прямолінійних ділянках яких встановлені вставки. Вставки заповнені теплоакумулюючою речовиною, а їхні верхні кінці укріплені в колекторах за допомогою обмежників. Внаслідок того, що внутрішній переріз вставок заповнений теплоакумулюючою речовиною, частина прохідного перерізу кожної U-подібної труби, зайнятого вставкою, бере участь у теплообміні лише опосередковано, через нагрівання теплоакумулюючої речовини, безпосереднього ж нагрівання газу (повітря) всередині вставки не відбувається. Вставки у відомій конструкції розташовані в межах прямолінійних ділянок, тому інтенсивність тепловіддачі від труб у прямолінійних ділянках вище, ніж у петльових й, отже, труби петльових ділянок перебувають у більш важких температурних умовах у порівнянні із трубами прямолінійних ділянок, що робить їх найбільш слабкою ланкою з погляду термічної й корозійної стійкості. За зазначеними вище причинами відома конструкція не дозволяє досягти максимального ступеня рекуперації теплоти і знизити температуру стінок рекуператора. Відомий також рекуператор (патент України № 22983 А, М.кл. F23L15/04, 1998), що містить вхідний і вихідний колектори, до яких підключені теплообмінні U-подібні труби, які встановлені в газоході та згруповані в секції. Один кінець кожної з теплообмінних труб приєднаний до вхідного (холодного) колектору газу (повітря), а інший кінець кожної з теплообмінних труб до вихідного (гарячого) колектору газу (повітря). На прямолінійних ділянках U-подібних теплообмінних труб встановлені вторинні випромінювачі, які виконані у вигляді коаксіальних пустотілих тонкостінних труб та оснащені розташованими в торцях вхідного й вихідного колекторів кільцевими шайбами, причому зовнішні діаметри кільцевих шайб більше зовнішніх діаметрів трубних вставок, а внутрішні діаметри кільцевих шайб менше внутрішніх діаметрів трубних вставок. На криволінійних ділянках кожної з теплообмінних труб встановлено вторинний випромінювач, який виконаний у вигляді пластини, вигнутої вздовж осі теплообмінної U-подібної труби, що з'єднує між собою трубні вторинні випромінювачі прямолінійних ділянок рекуператора. У відомій конструкції рекуператора вторинні випромінювачі мають низьку технологічність та теплогідравлічну ефективність, внаслідок чого інтенсивність тепловіддачі від труб на прямолінійних ділянках вище, ніж на криволінійних, отже труби криволінійних ділянок перебувають у більш важких температурних умовах у порівнянні із трубами прямолінійних ділянок, що робить їх найбільш слабким місцем з погляду термічної й корозійної стійкості й може призвести до аварійних ситуацій. В основу винаходу поставлена задача удосконалення конструкції рекуператора, у якому в результаті виконання вторинних випромінювачів гнучкої конструкції у вигляді хрестоподібних коаксіальних вставок з виконаними визначеної будови ребрами, що дозволяє встановити вторинний випромінювач вздовж всієї довжини труби рекуператора, забезпечується збільшення температури підігріву повітря, зменшення аеродинамічних втрат тиску, і за рахунок цього покращується теплогідравлічна характеристика рекуператора та його робота в цілому. Поставлена задача вирішена завдяки тому, що в рекуператорі, який містить вхідний і вихідний колектори, до яких приєднані теплообмінні U-подібні труби, в яких коаксіально встановлені вторинні випромінювачі, згідно з винаходом, гнучкі вторинні випромінювачі виконані на прямолінійних ділянках у вигляді трьох смуг, причому до широкої смуги по осі перпендикулярно приєднано дві половинні смуги, а на криволінійних ділянках - у вигляді однакових елементів - рівнобічних трапецій, розміщених перпендикулярно своїми широкими основами на осі продовженої широкої смуги прямолінійних ділянок. Відмітні ознаки дають можливість вирішити поставлену задачу завдяки тому, що запропоновані вторинні випромінювачі мають більший кутовий коефіцієнт випромінювання у порівнянні з відомими трубними вторинними випромінювачами, що забезпечує збільшення радіаційного теплового потоку від внутрішньої поверхні труби до поверхні вторинного випромінювача, в результаті чого збільшується температура випромінювача та з цієї причини збільшується підігрів повітря. Виконання вторинних випромінювачів гнучкими дозволяє встановити їх по всій довжині труб рекуператора, і за рахунок цього забезпечити однакову інтенсивність теплообміну на прямих та криволінійних ділянках труб. На фіг. 1 представлено вертикальний повздовжній переріз рекуператора, на фіг. 2 поперечний переріз площиною А-А, а на фіг. 3 - загальний вигляд фрагменту вторинного випромінювача рекуператора, що пропонується. Рекуператор, встановлений в газоході 1, містить вхідний 2 і вихідний 3 колектори, до яких приєднані теплообмінні U-подібні труби 4. В теплообмінних U-подібних трубах коаксіально 1 UA 101124 C2 5 10 15 20 25 встановлені гнучкі вторинні випромінювачі 5. Вторинні випромінювачі 5 на прямолінійних ділянках труб виконані у вигляді трьох смуг, причому до центральної осі широкої смуги з двох сторін перпендикулярно приєднані дві півсмуги (смуги половинної ширини), а на криволінійних ділянках вторинні випромінювачі виконані у вигляді продовження широкої смуги прямолінійних ділянок, до осі якої перпендикулярно приєднано окремі, між собою однакові елементи, виконані у вигляді рівнобічних трапецій 6, які розміщені на осі широкої смуги з обох її сторін, причому їх широкі основи розташовані одна проти одної та співпадають між собою, а висота трапецеїдальних елементів дорівнює половині ширини широкої смуги. Рекуператор працює наступним чином. Високотемпературні продукти згоряння подають по газоходу 1 до міжтрубного простору U-подібних теплообмінних труб 4, де вони нагрівають стінки труб. Холодний газ (повітря) подають до вхідного колектора 2 та розподіляють по U-подібних теплообмінних трубах 4, в яких встановлені вторинні випромінювачі 5. Теплоту від внутрішньої поверхні труби 4 передають конвекцією до потоку газу (повітря) та випромінюванням до зовнішньої поверхні вторинних випромінювачів 5. В свою чергу, теплоту, передану випромінюванням, знімають з поверхонь вторинних випромінювачів 5 теж конвекцією. Після проходження по теплообмінних трубах нагрітий газ (повітря) подають до вихідного колектора 3 рекуператора. Порівняльні випробування рекуператорів відомої конструкції і конструкції, що пропонується, проводили в Інституті газу НАН України. Співставлення проведено за визначальними характеристиками рекуператора: температурою підігріву повітря Ta,out, °C та аеродинамічним опором (втратами тиску ∆Р, кПа). Секції рекуператора виготовлені з труб промислового сортаменту 83×5. Випробування проведені на крупномасштабному вогневому стенді тепловою потужністю 400 кВт та більше, температура топкової камери варіювалась в широкому діапазоні температур (600…900 °C). Дослідження проводили для трьох різних режимів роботи в залежності від витрати повітря через секції рекуператора: при першому режимі роботи витрата 3 3 повітря складала (Gair, 1=230 нм /год., при другому - Gair, 2=270 нм /год. та при третьому режимі 3 роботи - Gair, 3=300 нм /год. Результати порівняльних випробувань секцій рекуператора: відомої конструкції і конструкції, що пропонується, наведені в таблиці 1. Таблиця 1 Результати експериментальних досліджень рекуператора Найменування Найближчий аналог (прототип) Винахід 1 Тa, out С 370 443 ∆Р, кПа 3,16 2,7 Режим 2 Тa, out С ∆Р, кПа 375 4,0 437 3,3 3 Тa, out С ∆Р, кПа 362 4,67 434 3,94 30 35 З таблиці 1 бачимо, що в запропонованій конструкції збільшується температура підігріву повітря та знижуються аеродинамічні втрати тиску. Для характеристики ефективності рекуперативних теплообмінників використовують теплогідравлічну характеристику Е, (°С/кПа), що визначається відношенням теплового потоку, переданого теплоносію до затрат енергії, витраченої на його транспортування. В таблиці 2 представлені експериментальні результати щодо покращення теплогідравлічної характеристики рекуператора з коаксіальними хрестоподібними вторинними випромінювачами запропонованої конструкції у порівнянні з найближчим аналогом (прототипом). Таблиця 2 Теплогідравлічна характеристика Е, (°С /кПа) рекуператора запропонованої конструкції та прототипа Найменування 1 115,2 161,9 Найближчий аналог (прототип) Винахід Режим 2 92,3 130,6 3 76,2 108,6 40 Результати проведених досліджень показали, що в порівнянні з найближчим аналогом (прототипом) в рекуператорі, що пропонується, збільшується критерій Е, (°С/кПа). 2 UA 101124 C2 В рекуператорі, що пропонується, збільшується температура підігріву повітря та зменшуються аеродинамічні втрати тиску, що забезпечує більшу рекуперацію теплоти в паливному циклі печі та менші витрати енергії на перекачку газу (повітря) через рекуператор. 5 10 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Рекуператор, що містить вхідний і вихідний колектори, до яких приєднані теплообмінні U-подібні труби, в яких коаксіально встановлені вторинні випромінювачі, який відрізняється тим, що гнучкі вторинні випромінювачі виконані на прямолінійних ділянках у вигляді трьох смуг, причому до широкої смуги по осі перпендикулярно приєднано дві половинні смуги, а на криволінійних ділянках - у вигляді однакових елементів - рівнобічних трапецій, розміщених перпендикулярно своїми широкими основами на осі продовженої широкої смуги прямолінійних ділянок. 3 UA 101124 C2 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4