Спосіб утилізації тепла відхідних димових газів і пристрій для його здійснення

1. Спосіб утилізації тепла відхідних димових газів, який включає подачу відхідних димових газів і газу-охолоджувача в рекуператор зі зміною напрямку його подачі кілька разів і подальшим охолодженням димових газів при подачі димових газів усередині потоку газу-охолоджувача, який відрізняється тим, що подачу відхідних димових газів здійснюють через внутрішній фігурний кожух, а подачу газу-охолоджувача здійснюють через кільцевий колектор на виході відхідних димових газів перпендикулярно їхньому потоку, причому зміна напряму потоку газу-охолоджувача в рекуператорі здійснюють на 90° або 180°, а відбір газуохолоджувача - на початку подачі відхідних димових газів. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що відбір газу-охолоджувача здійснюють перпендикулярно руху відхідних димових газів. 3. Пристрій утилізації тепла димових газів, який включає основний циліндричний корпус із внутрі C2 2 (19) 1 3 нагрівальних і термічних печах металургії й машинобудування, а також в інших галузях промисловості. У цей час у промисловості застосовують способи утилізації тепла димових газів, що відходять, і рекуператори для їхнього здійснення (М.А. Михеев, И.М. Михеева «Основы теплопередачи», изд. «Енергия», Москва, 1977, 245-249 стр.), засновані на різних напрямках руху потоків теплоносія й охолоджувача. Відомий спосіб полягає в тому, що теплоту, що надходить від гарячого теплоносія, передають холодному через стінку при паралельному русі потоків і в одному напрямку, тобто спосіб «прямопотока». Відомий також спосіб, при якому теплопередачу здійснюють від потоку теплоносія до потоку охолоджувача при їхньому паралельному русі, але із протилежним напрямком, тобто принцип «противопотока». Одним із часто застосовуваних на практиці є спосіб, коли передачу тепла від теплоносія до охолоджувача здійснюють потоками, що протікають у перехресному напрямку, тобто напрямки взаємно перпендикулярні. Цей спосіб називається «перехресним струмом». Найбільш близьким до пропонованого способу по технічній сутності й досягнутому ефекту є спосіб утилізації тепла димових газів, що відходять, (див. Б.Ф. Тебеньков «Рекуператоры для промисловых печей» изд. «Металургия», Москва, 1975р., 21-45 стр.). Спосіб утилізації тепла димових газів, що відходять, включає подачу газу-теплоносія й газу-охолоджувача в робочий обсяг при перехресному й многоходовому їхньому русі зі зміною напрямку руху обох потоків кілька разів, а подачу потоку теплоносія здійснюють усередині потоку газу-охолоджувача. Відомий спосіб не може забезпечити активну інтенсифікацію теплообміну, тому що за рахунок многоходового взаємно перпендикулярного руху потоків відбувається втрата їхнього напору й швидкості, погіршується теплопередача, а також зменшується турбулізація повітряного потоку, що знижує здатність ефективної віддачі тепла теплообмінними поверхнями. Відомий теплообмінний апарат (Патент України №32544 М. кл.7 F28D 7/10, 2001р), що містить нахилений під кутом 5-10° до горизонталі циліндричний корпус, у якому розташовані елементи, що гріють, типу «труба в трубі», утворені зовнішніми трубами, закріпленими в трубних ґратах і в проміжних плаваючих ґратах, і внутрішні труби, у яких установлені наскрізні центральні трубки для подачі пари. Вони підключені до паросборної камери з отвором у нижній частині й закріплені у твердій трубній перегородці. Один кінець внутрішньої труби має заглушку, а інший закріплений у плаваючих периферійних трубних ґратах. Теплообмінний апарат містить патрубки для підведення пари, підведення й відводу робочого середовища, виводу конденсату, несконденсованих газів, пропускний трубопровід з регулювальним клапаном, а на його корпусі й паропроводі розташовані фланці для складання й розбирання конструкції. Відомий теплообмінний апарат можна використовувати тільки для нагрівання рідких середовищ, наприклад, забезпечувати нагрівання хімічно 93434 4 очищеної води в системі гарячого промводопостачання. Конструкція пристрою не дозволяє використовувати весь його обсяг для поліпшення його теплотехнічних характеристик, тому що він розділений на два відсіки - вхідний і вихідний. Це не тільки збільшує його габарити, вагу, ускладнює конструкцію, керування роботою апарата, але й в остаточному підсумку впливає на економічність і доцільність його використання. Найбільш близьким до пропонованого пристрою - рекуператору, що використовує тепло димових газів, що відходять, по технічній сутності й отриманому ефекті є рекуператор (А.с.СССР 1740889 М.кл.5 F23L 15/04, 1992г.), що містить зовнішній корпус, проміжну перегородку, теплопередаючу стінку та кільцеву перегородку установлені коаксиально. Зверху й знизу корпус і кільцева перегородка з'єднані між собою кришкою й дном відповідно, які розташовані паралельно один одному. Проміжна перегородка й теплопередаюча стінка розташовані із зазором між собою, а по висоті із зазорами між кришкою й дном, при цьому верхні торці перегородки й теплопередаючей стінки з'єднані з верхнім диском, розташованим між зовнішнім корпусом і кільцевою перегородкою паралельно кришці й дну. У диску по периферії, у межах обмежених зовнішнім корпусом і проміжною перегородкою, виконані пропускні отвори, розташовані рівномірно по колу. Нижні торці перегородки й теплопередаючої стінки з'єднані з нижнім диском, що розташований між зовнішнім корпусом і кільцевою перегородкою паралельно кришці й дну. Між теплопередаючей стінкою й кільцевою перегородкою рівномірно по колу встановлений пучок труб, у яких уздовж твірної по їхній довжині виконані отвори. У проміжній перегородці рівномірно по колу й по висоті рекуператора встановлені патрубки, які розташовані в поздовжніх рядах уздовж твірної перегородки під кутом. Теплопередаюча стінка, у свою чергу, складається з увігнутих (стосовно корпуса й перегородки) ділянок і перфорованих ділянок, між якими розташовані пережими. По висоті рекуператора ввігнуті ділянки, які з'єднані з перфорованими ділянками радіальними (поздовжніми) ребрами, розділені поперечними ребрами на окремі осередки (поглиблення). Вісь кожного з випускних патрубків представляє центр поздовжньої й поперечної симетрії, що відповідає осередку. По довжині (висоті) рекуператор складається з одного щабля, що містить вхідний колектор-камеру попереднього нагрівання, розташований між проміжною перегородкою, периферійний повітряний канал - камеру проміжного нагрівання, розташований між проміжною перегородкою й теплопередаючей стінкою, замкнутий кільцевий відсік - камеру остаточного нагрівання, розташований між теплопередаючей стінкою й кільцевою перегородкою. Камери по висоті обмежені верхнім і нижнім дисками, а згадані вище осередку (поглиблення) розташовані в межах повітряного каналу-камери проміжного нагрівання. Між кришкою й верхнім диском розташована розподільна камера, між днищем і нижнім диском - у випадку одноступінчастого рекуператора - вихідний (збираючий) колектор, а у випадку багатоступінча 5 стого - між нижнім диском попереднього щабля й верхнім диском наступного розташована пропускна камера. Обсяг, обмежений кільцевою перегородкою рекуператора, представляє центральний газовий (димовий) канал. Відомий пристрій - рекуператор являє собою дуже громіздке й дороге спорудження (агрегат). Наявність великого набору ізольованих камер нагрівання (попередніх, проміжних і остаточної), а також пропускних отворів, патрубків і безліч інших елементів ускладнюють конструкцію й сприяють порушенню герметичності системи руху газів і відбору тепла. Викликає сумнів також те, що при струминному обдуванні через пропускні отвори агентом-охолоджувачем теплообмінних поверхонь рекуператора можна забезпечити більше повне використання тепла газів, що відходять. В основу пропозиції поставлене завдання вдосконалення способу утилізації тепла димових газів, що відходять, у якому в результаті подачі й відбору газу-охолоджувача перпендикулярно потоку димових газів і зміні напрямку потоку охолоджувача на 90 або 180°, забезпечується інтенсифікація теплопередачі від теплопередаючей поверхні до робочого охолодженого середовища й за рахунок цього досягається більш високе отримання тепла з димових газів і використання його надалі для підвищення показників технологічного процесу. В основу пропозиції поставлене завдання вдосконалення пристрою для утилізації тепла димових газів, що відходять, у якому в результаті розміщення усередині основного циліндричного корпуса концентрично розташованого фігурного кожуха з розміщеним усередині нього пучком теплообмінних елементів типу «труба в трубі», а також розміщення зовні кільцевого колектора, забезпечується інтенсифікація теплопередачі від теплопередаючей поверхні до робочого охолодженого середовища й за рахунок цього підвищується КПД використання тепла димових газів, надійність роботи й довговічність експлуатації рекуператора. Поставлене завдання вирішене тим, що в способі утилізації тепла димових газів, що відходять, який включає подачу димових газів, що відходять, і газу-охолоджувача в рекуператор зі зміною напрямку його подачі кілька разів і подальшим охолодженням димових газів при подачі димових газів усередині потоку газу-охолоджувача, відповідно до пропозиції, подачу димових газів, що відходять, здійснюють через внутрішній фігурний кожух, а подачу газу-охолоджувача здійснюють через кільцевий колектор на виході димових газів, що відходять , перпендикулярно їхньому потоку, причому зміна напряму потоку газу-охолоджувача в рекуператорі здійснюють на 90 або 180°, а відбір газуохолоджувача - на початку подачі димових газів, що відходять. Додаткова відмінність способу полягає в тому, що відбір газу-охолоджувача здійснюють перпендикулярно руху димових газів, що відходять. Поставлене завдання вирішене також завдяки тому, що пристрій для здійснення пропонованого способу, що включає основний циліндричний кор 93434 6 пус із внутрішніми теплообмінними елементами й установленою знизу заглушкою з отворами для подачі димових газів, а також патрубками для подачі газу-охолоджувача й відбору димових газів зверху, відповідно до пропозиції, він забезпечений знизу додатковим трубним корпусом з патрубком для подачі димових газів, усередині якого встановлений трубний приймач для збору нагрітого газуохолоджувача з патрубком для його відбору, а вгорі він забезпечений по колу кільцевим колектором з патрубком для підведення газуохолоджувача, усередині ж основного циліндричного корпуса встановлений співвісно із зазором щодо внутрішньої його поверхні фігурний кожух з верхньою торцевою фігурною заглушкою з отворами для відбору димових газів і подачі газуохолоджувача, із приєднаним до нього вгорі кільцевим колектором, установленим нижнім торцем із зазором щодо нижнього торця основного циліндричного корпуса, а усередині фігурного кожуха співвісно розташований пучок наскрізних поздовжніх труб з відкритими верхніми й нижніми торцями, усередині яких співвісно із зазорами розташовані поздовжні центральні труби, які верхніми кінцями з'єднані з фігурними патрубками, у свою чергу, з'єднаними з отворами у верхній заглушці фігурного кожуха, а нижніми - із трубним приймачем для збору й відбору нагрітого газу-охолоджувача. Перша додаткова відмінність пристрою полягає в тому, що кільцевий колектор з патрубком для підведення газу-охолоджувача розташований на виході димових газів, а патрубок відбору нагрітого газу-охолоджувача - на вході димових газів. Друга додаткова відмінність полягає в тому, що фігурний кожух установлений із зазором щодо внутрішньої поверхні основного корпусу. Третя додаткова відмінність полягає в тому, що зовнішні поверхні основного корпусу й додаткового трубного кожуха покриті теплоізоляційним матеріалом. Відмітними ознаками способу вдається досягти ефективного відбору додаткового тепла й зменшення його втрат у навколишнє середовище за рахунок того, що, по-перше, подачу газуохолоджувача з низькою температурою здійснюють на виході низькотемпературного потоку, димових газів, що робить більше ефективним його початкову участь в охолодженні робочого обсягу й поліпшення теплопередачі від димових газів до охолоджувача, а по-друге, відбір нагрітого газуохолоджувача здійснюють на вході димових газів у робочий простір пристрою, що дозволить ще більше підвищити температуру теплоносія, що відходить, за рахунок первинної зустрічі із вхідними димовими газами й значно зменшити втрати на опір. Відмітні ознаки пристрою дозволяють поліпшити теплоз'єм із внутрішньої поверхні основного зовнішнього циліндричного корпуса за рахунок створення безлічі фігурних каналів навколо зовнішніх і внутрішніх поверхонь теплосприймаючих елементів внутрішнього фігурного кожуха й трубного прийомного колектора, розташованого в додатковому трубному корпусі, тому що в цьому випадку збільшується шлях проходження 7 охолоджувача-теплоносія з більше повним відбором тепла (повною утилізацією тепла з тепло приймаючих поверхонь при їхньому струминному обтіканні газами). Крім того, збільшується надійність роботи системи охолодження й термін дії внутрішніх елементів і всієї конструкції за рахунок активного омивання тепловіддаючих поверхонь теплоз'ємних елементів. Головною перевагою конструкції є не тільки простота виготовлення, експлуатації й ремонту, а надійне конструктивне рішення пристрою, що працює при високих температурах. Пропонований спосіб і пристрій пояснюють кресленнями, де зображено: на Фіг.1 - пропонований пристрій, загальний вигляд (із частковим поздовжнім розрізом); на Фіг.2 - вид по А; на Фіг.3 вид по Б; на Фіг.4 - поперечний розріз по Г.Г; на Фіг.5 - розріз по Б.Б; на Фіг.6 - розріз по В.В. Пропонований пристрій включає зовнішній основний циліндричний корпус 1, на верхній зовнішній поверхні якого встановлені кільцевий колектор 2 з конусним розширником 3 і патрубком 4 для підведення газу-охолоджувача, а по торцю - конусний патрубок 5 з кільцевим патрубком 6 для відводу димових газів, до нижньої торцевої частини прикріплена заглушка 7 з отворами. До нижньої заглушки 7 приєднаний співвісно зовнішній додатковий трубний корпус 8 з конусним патрубком 9 і кільцевим патрубком 10 для підведення (нагрітих) гарячих димових газів. Усередині додаткового трубного корпусу 8 встановлений трубний приймач 11 для збору нагрітого охолоджувача з вихідним кільцевим патрубком 12 для відводу нагрітого теплоносія (охолоджувача). Усередині зовнішнього основного корпуса 1 співвісно із зазором розміщений внутрішній фігурний кожух 13, верхнім торцем з'єднаний з кільцевим колектором 2, а нижнім установлений із зазором щодо нижнього торця зовнішнього основного корпуса 1 для проходу усередину фігурного кожуха 13 газу-охолоджувача. Усередині фігурного кожуха 13, встановлені теплообмінні елементи, виконані у вигляді наскрізних поздовжніх труб 14 з відкритими верхніми й нижніми торцями. Верхній торець фігурного кожуха 13 закритий фігурною заглушкою 15. Усередині труб 14 співвісно із зазорами розташований пучок наскрізних поздовжніх труб 16 для проходу охолоджувача, у вхідних торцях яких установлені фігурні патрубки 17, підключені до верхніх торців центральних труб 16. Верхній торець фігурного кожуха 13 закритий фігурною заглушкою 15. Усередині труб 14 співвісно із зазорами розташовані поздовжні центральні труби 16 для проходу охолоджувача, у вхідних торцях яких установлені фігурні патрубки 17, підключені до отворів у фігурній заглушці 15, а ті, у свою чергу, до наскрізних поздовжніх труб 15. Нижні вихідні торці труб 16 з'єднані із трубним приймачем 11 з патрубком 12 для відбору нагрітого теплоносія. Пропонований спосіб за допомогою пропонованого пристрою здійснюють у такий спосіб (робота пристрою). Димові гази подають через кільцевий патрубок 10 і конусний патрубок 9 у додатковий трубний корпус 2 пристроя. Вони обмивають, попередньо 93434 8 нагріваючи, трубний приймач 11 з охолоджувачемтеплоносієм, що відходить і надходить у наскрізні поздовжні канали теплообмінних елементів, утворені внутрішніми поверхнями наскрізних поздовжніх труб 14 і зовнішніми поздовжніх центральних труб 16 з фігурними патрубками 17. Далі, пройшовши кільцеві зазори, охолоджені димові гази надходять у конусний патрубок 5 і через кільцевий патрубок 6 у димар. Газ-охолоджувач (повітря або інші середовища) подають під кутом 90° (перпендикулярно) у кільцевий колектор 2 через патрубок 4 і конусний розширник 3, потім змінюють напрямок на 90° і подають у кільцевий зазор, утворений внутрішньою поверхнею основного циліндричного корпуса 1 і зовнішньої фігурного кожуха 13. Він зі зміною потоку охолоджувача на 180° надходить у безліч поздовжніх фігурних каналів, утворених внутрішньою поверхнею фігурного кожуха 13 і зовнішніми поверхнями теплообмінних елементів, що містять наскрізні поздовжні труби 13, розташовані усередині фігурного кожуха 13, як в обоймі. Фігурні патрубки вгорі фігурного кожуха 13 з торця закриті заглушкою 15. Далі потік охолоджувача через фігурні патрубки 17 подають у наскрізні поздовжні труби 16, при цьому змінюють напрямок потоку на 180°. Далі теплоносій проходить по трубах 14 і надходить у трубний приймач 11, а потім напрямок загального потоку газу-охолоджувача змінюють на 90° і через кільцевий патрубок 12 подають споживачеві. Для оцінки рентабельності способу й пристрою (рекуператора) за прототипом й пропонованим способами і їхньої ефективності були проведені випробування на термічній вогневій установці Інституту газу НАНУ (поперечний переріз 1000x1000, довжина 4000 мм). Приклад 1 (за прототипом). У рекуператор подавали крізь патрубки димові гази, а газ-охолоджувач через безліч патрубків при перехресному русі зі зміною напрямку руху 4 рази, при цьому подачу димових газів здійснювали усередині газу-охолоджувача. Результати наведені в табл. 1. Приклад 2 (за пропонованим способом). У рекуператор за пропонованим способом подавали димові гази в прямотоке, а газохолоджувач - на початку перпендикулярно потоку димових газів, що відходять, зі зміною напряму руху свого потоку в рекуператорі на 90°, а відбір газу-охолоджувача здійснювали на початку подачі димових газів, що відходять. Результати наведені в табл.1. Приклад 3 (на пропонований спосіб). У рекуператор за пропонованим способом подавали димові гази в прямотоке, а газохолоджувач - на початку перпендикулярно потоку димових газів, що відходять, зі зміною напряму руху потоку в рекуператорі на 180°, а відбір газуохолоджувача здійснювали на початку подачі димових газів, що відходять. Результати наведені в табл. 1. 9 93434 10 Основні показники конструкцій, що порівнюються Таблиця 1 № 1. 2. 3. 4. Показники На вході в рекуператор Температура димових газів максимальна, °К На виході з рекуператора Температура газу-охолоджувача, °К Коефіцієнт надлишку повітря на виході,  ΚПД рекуператора, % Таким чином, результати стендових випробувань показали, що в порівнянні із прототипом запропонований спосіб у запропонованій конструкції дозволяє понизити температуру димових газів, що залишають на виході рекуператор, на 50°К при одночасному підвищенні температури охолоджувача на 85°К і за рахунок цього збільшити КПД рекуперації теплоти з 38 до 45%, тобто 1,24 рази. Прототип 1343 373 785 1,2 36,8 Пропонований 1343 323 870 1,19 45,6 Для оцінки рентабельності способу й пристрою (рекуператора) і їхньої економічної ефективності були проведені промислові випробування відомої й пропонованої пропозицій на термічній печі. Результати випробувань представлені в таблиці 2. Таблиця 2 Технічні показники печі з рекуператорами конструкцій, що порівнюються Показники Площа поду, м2 Продуктивність печі, т/доб. Питома витрата газу, м3/год Питома витрата палива по теплоті МДж/кг Поверхня теплообміну, м2 Маса теплообмінної поверхні, кг Матеріал теплообмінної поверхні КПД використання тепла дим.газів, % Термін служби, години Вартість матеріалу теплообмінної поверхні, руб./т Пекти з рекуператором прототипом 67,5 63 665 9,0 58,0 2262 Сталь 14X17Н2 36,5 4000 Пекти із пропонованим рекуператором 67,5 63 600 8,2 50,0 1820 Сталь 14Х17Н2 45,8 4380 40000 40000 Результати промислових випробувань показали, що пропонований спосіб і пристрій для його здійснення підвищують ефективність використання тепла газів, що відходять, за рахунок багаторазового відбору тепла охолоджуючим агентом. У порівнянні із прототипом ефективність утилізації тепла підвищується у 1,108 разів за рахунок зменшення питомої витрати палива (з 665 до 600 м3/година), збільшується температура охолоджуваного агента, а також КПД використання тепла димових газів і терміну служби рекуператора в 1,26 рази (з 36,5 до 45,8%). У кінцевому результаті економія використання пропонованого пристрою за рік складе: Эгод  65,0  8760  1890  0,442  40000  1093846грн. 1000 65,0 - економія природного газу за годину 8760 - робота 2-х рекуператорів за рік, годину. 1890 - вартість 1000 м3 природного газу, грн.. 40000 - вартість І тонни матеріалу теплообмінної поверхні, грн. 11 93434 12 13 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 93434 Підписне 14 Тираж 23 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