Рекуператор

Реферат: Заявлений винахід належить до конструкцій високотемпературних рекуператорів з трубчастими каналами і може знайти застосування в печах для нагрівання і виплавки металу та в інших пічних агрегатах для підвищення ефективності використання палива. Рекуператор включає основну зовнішню нагрівну трубу з коаксіально встановленою всередині внутрішньою повітряною перфорованою по спіралі трубою з отворами круглої, прямокутної або еліптичної форми однакового або різного діаметра, із заглушкою на вихідному кінці повітряної труби, прикріпленої до кришки. Додатково рекуператор має зовнішню вихідну пряму нагрівну трубу, виконану гладкою, в якій встановлений гвинтовий багатозахідний завихрювач, вхід в який виконаний зі скосом під гострим кутом до осі завихрювача. Основна і додаткова прямі нагрівні труби з'єднані сполучним коліном. Крім того, гвинтовий багатозахідний завихрювач може бути виконаний у формі хрестовини із зігнутими по висоті скругленими лопатями постійного або змінного по висоті перерізу. Діаметр завихрювача дорівнює діаметру додаткової вихідної прямої нагрівної труби. Технічний результат полягає у тому, що дозволяє виконати рекуператор досить компактних розмірів, використовувати у його конструкції гладкі труби великих діаметрів, збільшити поверхню теплообміну і спростити конструкцію рекуператора у порівнянні з прототипом, а також забезпечити підвищення ефективності його роботи при різних режимах і для різних температур відхідних димових газів. UA 111022 C2 (12) UA 111022 C2 UA 111022 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до конструкцій високотемпературних рекуператорів з трубчастими каналами. Рекуператор може бути використаний в печах для нагрівання і виплавки металу та в інших пічних агрегатах для підвищення ефективності використання палива. 5 Відомий рекуператор [А.С. 1663326 СССР, М.кл F23L 15/04, 1991 г.], який включає поперечний пучок паралельно включених по повітрю U-подібних труб рівної довжини зі встановленими в них закрученими стрічковими вставками, виконаними з різним кроком закручування, що зростає від труби до труби по ходу руху газів. Рекуператор також містить короб холодного повітря і короб гарячого повітря. Відомий рекуператор [Патент Україні №104396 МПК F28D 1/04, F23L 15/04, 2014], який включає вхідний повітряний короб, встановлений в ніші димоходу в горизонтальній або вертикальній стінці, виконаний з відкритою вхідною стінкою-дифузором і перфорованою вихідною стінкою. У протилежній стінці димоходу в ніші встановлений вихідний короб, виконаний з вхідною перфорованою стінкою та вихідним повітроводом. Між розташованими в нішах димоходу вхідними і вихідними коробами в димоході розташовані пучки нагрівних зовнішніх труб, які розташовані в шаховому порядку. Один кінець пучка нагрівних труб розташований в отворах вхідної перфорованої стінки повітряного короба, протилежний кінець цього пучка розміщений в отворах вхідної перфорованої стінки вихідного короба. Всередині нагрівних труб коаксіально встановлені внутрішні повітряні труби. По всій довжині внутрішніх труб по спіралі виконана перфорація (отвори-сопла круглої, прямокутної або еліптичної форми однакового чи різного діаметра). Вздовж внутрішньої повітряної перфорованої труби в зазорі між нею і нагрівною трубою по всій довжині встановлені розпірки-завихрювачі прямокутної, трикутної або трапецоїдної форми під гострим кутом до осі труб. Вихідний кінець внутрішніх повітряних труб закритий наглухо кришками. У відомих пристроях стрічкові закручені вставки не взаємозамінні, придатні до установки виключно в труби з певним кроком зовнішньої спірально-гвинтової накатки, яка додатково здорожчує виготовлення фасонних труб, ускладнює збирання рекуператора і встановлення всередині труб стрічкових закручених вставок. Розміщення значної кількості розпірокзавихрювачів вздовж внутрішньої перфорованої по спіралі труби призводить до подорожчання конструкції та підвищення її аеродинамічного опору. В сукупності, вказані ознаки роблять відомі теплообмінники дорогими у виготовленні, металоємкими, вимагають прецизійних по допускахпосадках деталей. В основу пропозиції поставлена задача удосконалення рекуператора, в якому в результаті виконання нагрівної зовнішньої труби у вигляді двох прямотрубних секцій, сполучених зігнутим коліном, і внутрішньої повітряної перфорованої труби з отворами, розташованими по спіралі, а також введення гвинтового багатозахідного завихрювача, забезпечується підвищення ефективності тепловіддачі при конвективному і високотемпературному - радіаційному режимах теплообміну, підвищення температури підігріву відхідного повітря для дуття, термостійкості рекуператора і за рахунок цього досягається спрощення конструкції рекуператора, зменшення кількості прецизійних по допусках-посадках деталей та підвищення ресурсу його експлуатації. Поставлена задача вирішена завдяки тому, що рекуператор, який включає основну зовнішню нагрівну трубу з коаксіально встановленою всередині внутрішньою повітряною перфорованою по спіралі трубою з отворами круглої, прямокутної або еліптичної форми однакового або різного діаметра, із заглушкою на вихідному кінці повітряної труби, прикріпленої до кришки, згідно з пропозицією, оснащений додатковою зовнішньою вихідною прямою нагрівною трубою, виконаною гладкою, в якій встановлений гвинтовий багатозахідний завихрювач, вхід в який виконаний зі скосом під гострим кутом до осі завихрювача, а основна і додаткова прямі нагрівні труби з'єднані сполучним коліном. Додатковою ознакою відмінності є те, що гвинтовий багатозахідний завихрювач виконаний у формі хрестовини із зігнутими по висоті скругленими лопатями постійного або змінного по висоті перерізу, при цьому діаметр завихрювача дорівнює діаметру додаткової вихідної прямої нагрівної труби. Сукупність ознак дозволяє вирішити поставлену задачу за рахунок підвищення ефективності конвективного розігрівання турбулізованого вихору імпактних (ударних) струменів, що витікають з перфорованої по спіралі внутрішньої повітряної труби в основній вхідній прямотрубній секції та подальшого його розігрівання у додатковій вихідний прямотрубній секції при обтіканні гвинтового багатозаходного завихрювача. Висока ефективність рекуперативного підігріву дуття, таким чином, досягається за рахунок збільшення поверхні теплообміну, зниження аеродинамічного опору в основній прямотрубній секції, а вихровий рух нагрівного повітря сприяє додатковому збільшенню шляху, що проходить це повітря вздовж теплообмінної поверхні рекуператора. Запропонований рекуператор дозволяє сформувати розігрітий вихор із 1 UA 111022 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 певними параметрами швидкостей та кутів натікання на поверхню теплообміну, а також забезпечити незгасаюче проходження вихра через гвинтовий багатозахідний завихрювач, як місцевий аеродинамічний опір, за рахунок його додаткового розігрівання перевипромінюванням від нагрітої стінки рекуператора. Додаткове зниження аеродинамічного опору гвинтового багатозахідного завихрювача забезпечує скіс на вході під гострим кутом до осі завихрювача. Таким чином, при роботі рекуператора виникає ефект синергії впливу запропонованих конструктивних рішень чим забезпечується висока ефективність утилізації тепла відхідних димових газів при різних режимах теплообміну для різних температур відхідних димових газів та висока конструктивна і експлуатаційна універсальність його використання для пічних агрегатів. Пропонований рекуператор представлений на фіг. 1, на фіг. 2 - повздовжній розріз основної вхідної зовнішньої нагрівної труби рекуператора з повітряною перфорованою по спіралі трубою, на фіг. 3 - подовжній розріз додаткової вихідної нагрівної труби рекуператора з гвинтовим багатозахідним завихрювачем, на фіг. 4 - поперечний розріз рекуператора, на фіг. 5 - форма гвинтового багатозахідного завихрювача. Пропонований рекуператор встановлений у каналі відведення димових газів печі. Рекуператор включає перфоровану рекуператорну дошку 1, встановлену в ніші димового каналу. В отворах перфорованої рекуператорної дошки 1 закріплені основна вхідна 2 і додаткова вихідна 3 прямі нагрівні труби, з'єднані сполучним коліном 4. На вході основної вхідної прямої труби встановлена кришка 5 з центральним отвором, в якому коаксіально встановлена внутрішня повітряна перфорована труба 6, перфорація якої виконана спіральною по всій її довжині у формі отворів-сопел 7 круглої або еліптичної або прямокутної або щілинної форми. Вихідний кінець внутрішньої повітряної перфорованої труби 6 закритий наглухо кришкою 8. У додатковій вихідній прямій нагрівній трубі 3 коаксіально розміщений гвинтовий багатозахідний завихрювач 9, поперечний переріз якого виконаний у формі хрестовини із зігнутими по висоті скругленими лопатями постійного або змінного по висоті перерізу. Вхід завихрювача 9 виконаний у формі скосу під гострим кутом до осі завихрювача. Рекуператор працює наступним чином. Із печі в димові канали подають нагріті димові гази. По шляху свого руху вони обтікають основну вхідну 2 і додаткову вихідну 3 прямі нагрівні труби та сполучне коліно 4 рекуператора, нагріваючи їх до заданої температури. У внутрішню повітряну перфоровану трубу 6 подають холодне повітря (20 °C), яке при витіканні з отворівсопел 7 формує турбулентний вихор з імпактних (ударних) струменів, що взаємодіють з нагрітою стінкою основної вхідної прямої нагрівної труби 2, нагріваються самі, чим забезпечують рекуперацію тепла відхідних димових газів. З внутрішньої повітряної перфорованої труби 6 при витіканні повітря формує турбулентний вихор, що рухається в зазорі між нагрітою стінкою основної вхідної прямої нагрівної труби 2 і внутрішньою повітряною перфорованою трубою 6. Турбулентний вихор далі надходить уздовж нагрітої стінки сполучного коліна 4, в якому змінює напрям свого руху на 180° відносно первинного напряму, додатково розігрівається, турбулентні флуктуації в ньому посилюються за рахунок додаткового розігрівання вихра, який після проходження сполучного коліна 4 подають на ребра гвинтового багатозахідного завихрювача 9. Сполучне коліно 4 виконує подвійну роль, по-перше, надає додаткової високотемпературної жорсткості зовнішнім нагрівним трубам, що дозволяє застосовувати запропонований рекуператор на високотемпературних (радіаційних) режимах, по-друге - забезпечує плавне розвертання турбулентного вихра та підтримання його вихрової структури за рахунок його додаткового розігрівання при взаємодії з нагрітою стінкою сполучного коліна 4. Після його проходження, розігрітий турбулентний вихор подають на гвинтовий багатозахідний завихрювач 9, де він додатково турбулізується та розігрівається за рахунок натікання на нагріту стінку додаткової вихідної нагрівної труби 3 та обтікання розігрітого перевипромінюванням і теплопровідністю гвинтового багатозахідного завихрювача 9. Далі, нагрітий турбулізований вихор, який генерується імпактними (ударними) струменями, що витікають із отворів-сопел 7 внутрішньої повітряної труби 6, проходить уздовж нагрітої стінки зовнішньої основної вхідної прямої нагрівної труби 2, чим забезпечує підтримку його вихрової структури і значне розігрівання за рахунок конвективного і радіаційного теплообміну. Рекуператор дозволяє, у порівнянні з прототипом збільшити теплообмінну поверхню, використовувати труби великих діаметрів і збільшити шлях, який проходить турбулізований вихор, що нагрівається, уздовж нагрітої стінки рекуператора на повітряній стороні, а також відмовитися від розміщення розпірок-завихрювачів уздовж перфорованої по спіралі внутрішньої повітряної труби 6 і замінити їх одним гвинтовим багатозаходним завихрювачем 9. Рекуператор можна використовувати окремо або у вигляді декількох пучків нагрівних труб, він може бути встановлений окремо в корпусі із жароміцної сталі, розміщений в безпосередній близькості до блоків пальникових пристроїв для зниження втрат температури відхідних димових газів печі. 2 UA 111022 C2 5 10 Основна вхідна 2 і додаткова вихідна 3 прямі нагрівні труби за рахунок розміщення в них двох типів вставок - повітряної перфорованої труби 6 і гвинтового багатозахідного завихрювача 9 зі скосом під гострим кутом, дозволяють виконати рекуператор, що поєднує в собі теплообміннозахисну секцію для захисту теплообмінника від перевипромінення передрекуператорного простору та теплообмінну секцію, що в сукупності забезпечує підвищення ступеню утилізації відхідних газів печі і високу температуру підігріву дуття при незначному збільшенні габаритів теплообмінника у порівнянні з прототипом. Таким чином, пропозиція дозволяє виконати рекуператор досить компактних розмірів, використовувати у його конструкції гладкі труби великих діаметрів, збільшити поверхню теплообміну і спростити конструкцію рекуператора у порівнянні з прототипом, а також забезпечити підвищення ефективності його роботи при різних режимах і для різних температур відхідних димових газів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 1. Рекуператор, який включає основну зовнішню нагрівну трубу з коаксіально встановленою всередині внутрішньою повітряною перфорованою по спіралі трубою з отворами круглої, прямокутної або еліптичної форми однакового або різного діаметра, із заглушкою на вихідному кінці повітряної труби, прикріпленої до кришки, який відрізняється тим, що додатково має зовнішню вихідну пряму нагрівну трубу, виконану гладкою, в якій встановлений гвинтовий багатозахідний завихрювач, вхід вякий виконаний зі скосом під гострим кутом до осі завихрювача, а основна і додаткова прямі нагрівні труби з'єднані сполучним коліном. 2. Рекуператор за п. 1, який відрізняється тим, що гвинтовий багатозахідний завихрювач виконаний у формі хрестовини із зігнутими по висоті скругленими лопатями постійного або змінного по висоті перерізу, при цьому діаметр завихрювача дорівнює діаметру додаткової вихідної прямої нагрівної труби. 3 UA 111022 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 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