Рекуператор

 

Изобретение относится к теплообменной технике и м.б. использовано на нагревательных и термических печах металлургии и машиностроения. Цель изобретения - интенсификация теплообмена посредством турбулизации потоков теплообменивающихся сред. Трубы 12 и 15 теплообменных элементов снабхедны кольцевыми канавками 13 и 16 на наружной поверхности и кольцевыми выступами 14 и 17 на внутренней поверхности соответственно. Канавки 13 Холодный fosiyx 1 г 4 рас отн ду в лус вов h м бы 0,6) уста мов ной теп ван уме 23 для сте дя эле год Вы дан цир из т ф-л MbiKffnit газы siyx расположены со смещением д (0,4-0,6)5 относительно выступов 17, где S - шаг между выступами 16. Днище 18 выполнено полусферическим с центральным выступом 20 вовнутрь теплообменного элемента. Зазор h между выходным концом внутрянней трубы 12 и выступом 20 составляет h (0,5- 0,6)d, где d - диаметр внутренних труб. При установке рекуператора в вертикальном дымовом канале он может быть снабжен трубной доской 21, перпендикулярной теплообменным элементам и перфорированной отверстиями 22, диаметр которых уменьшается по направлению к отверстию 23 в дымовом канале, предназначенному для выхода дымовых газов. Воздух из пристенного слоя и из середины потока, проходя по трубам 12 и 15 теплообменного элемента, интенсивно перемешивается благодаря смещению канавок 13 и выступов 17. Выполнение днища полусферическим на заданном расстоянии позволяет интенсифицировать теплообмен мгжду вытекающей из трубы 12 струей воздуха и днищем. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. А 5 8, С о ю ел о ел ел

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„5U ÄÄ 1695055 А1 (s»s F 23 1 15/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

3

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4767839/06 (22) 23,10.89 (46) 30.11.91. Бюл. N 44 (71) Институт газа Ан УССР (72) Б.Д.Сезоненко, А.Е,Еринов, Т.В.Скотникова, Я.Б.Полетаев, P.À.Ïèëèïåíêî, Ю, Г.Хорунжий, Я.И. Белокопытов, Л, П.Махов и В.А.Ена (53) 662.925(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1223016, кл. Г 28 F 1/16, 1987, Авторское свидетельство СССР

¹ 941793, кл, F 23 (15/04, 1976. (54) P Е КУП Е РАТО Р (57) Изобретение относится к теплообменной технике и м.б. использовано на нагревательных и термических печах металлургии и машиностроения, Цель изобретения — интенсификация теплообмена посредством турбулизации потоков теплообменивающихся сред. Трубы 12 и 15 теплообменных элементов снабжены кольцевыми канавками 13 и 16 на наружной поверхности и коль-. цевыми выступами 14 и 17 на внутренней поверхности соответственно. Канавки 13

Jenoa расположены со смещением 6= (0,4 — 0,6)S относительно выступов 17, где S — шаг между выступами 16. Днище 18 выполнено полусферическим с центральным выступом 20

" вовнутрь теплообменного элемента. Зазор

h между. выходным концом внутренней трубы 12 и выступом 20 составляет h = (0,50,6)d, где d — диаметр внутренних труб. При установке рекуператора в вертикальном дымовом канале он может быть снабжен трубной доской 2 1, перпендикулярной теплообменным элементам и перфорированной отверстиями 22, диаметр которых уменьшается по направлению к отверстию

23 в дымовом канале, предназначенному для выхода дымовых газов, Воздух иэ пристенного слоя и из середины погока, проходя по трубам 12 и 15 теплообменного элемента. интенсивно перемешивается благодаря смещению канавок 13 и выступов 17.

Выполнение днища полусферическим на заданном расстоянии позволяет интенсифицировать теплообмен между вытекающей из трубы 12 струей воздуха и днищем. 1 з.п. ф-лы, 4 ил, науй /пфл.

1695055

20

Изобретение относится к конструкции рекуператоров, предназначенныхдля подогрева воздуха, поступающего в горелки, теплом отходящих дымовых газов промышленных печей с целью экономии топлива, Интенсификация процесса передачи теплоты от металлической стенки рекуператора к нагреваемому воздуху позволяет по .высить температуру нагрева воздуха, а значит и эффективность. работы рекуператора.

Для интенсификации теплообмена в пристенном (пограничном) слое воздуха используют различные виды турбулизаторов, в том числе и выполненные в виде периодических выступов или впадин на теплообменной поверхности. Периодически расположенные выступы или впадины приводят к формированию вихревых зон у поверхности, за счет чего достигается .интенсификация теплообмена при умеренном росте аэродинамического сопротивления.

Известна теплообменная труба с.коль цевыми канавками на наружной поверхности и соответствующими им выступами на внутренней поверхности, причем в про дольномм направлении она разделена на участки с одинаковой высотой выступов в каждом иэ них и различной высотой выступов в смежных, ступенчато изменяющейся от участка к участку в диапазоне Нс =- d1/О = 0,97-0,88, где, б1 — минимальный внутренний диаметр трубы в зоне выступов; 0 — внутренний диаметр глад,, кой части трубы, Кроме того, выступы выпол1 нены с различным шагом, ступенчато ( возрастающим от участка к участку в направлении возрастания высоты выступов в диапазоне д<т<20, где t — шаг выступов, д — толщина сте. ки трубы.

Недостатком известной теплообменной трубы являются относительно невысокие значения температуры подогрева воздуха при использовании ее в качестве теплообменного элемента рекуператора. Это обусловлено тем, что при помощи турбулиэации только пристенного слоя трудно обеспечить значительное повышение температуры подогрева воздуха, так как не обеспечивается интенсивное перемешивание объемов воздуха из тонкой пристенной зоны и из значительно большего по размерам ядра потока.

Кроме того, изготовление теплообменной трубы с различной высотой выступов по длине и с разным шагом сложно, нетехнологично и практически неосуществимо при и ромышленном производстве рекуператоров.

Известен рекуперативный воздухоподогреватель, содержащий воздухоподводящий и воэдухоотводящий коллекторы, подключенные к ним теплообменные элементы. Последние расположены в газоходе, снабженном газоподводящим и гаэоотводящим патрубками. Теплообменные элементы выполнены иэ внутренней и наружной труб, причем наружная труба заглушена с торца с помощью днища. Днище расположено от выходного торца внутренней трубы с зазором, величина которого составляет 0,5-0,75 от диаметра внутренней трубы. Кроме того, днище заведено в полость наружной трубы на расстояние, равное 0,5 — 1,0 ее диаметра.

Недостатком известного рекуператора является низкая интенсивность теплообмена вследствие отсутствия турбулизации потока на гладких трубах.

Целью изобретения является интенсификация теплоотдачи.

Поставленная цель достигается тем, что в рекуператоре, включающем воздухоподводящий и воэдухоотводящий коллекторы и присоединенные к ним теплообменные элементы, содержащие внутреннюю и заглушенную с одного торца днищем наружную трубы, выполненные с кольцевыми канавками на наружных поверхностях с образованием соответствующих им выступов на внутренних поверхностях, кольцевые канавки на внутренних трубах расположены со смещением д относительно кольцевых выступов на наружных трубах равным д = (0,4 — 0.6)S, а днище выполнено полусферическим с центральным выступом вовнутрь теплообменного элемента, причем зазор h между выходным концом внутренней трубы и выступом составляет (0,5 — 0,6)d, где S — шаг между кольцевыми выступами на наружных трубах, d,— диаметр внутренней трубы, Кроме того, для интенсификации теплоотдачи при установке рекуператора на вертикальном участке дымового канала, он может быть снабжен трубной доской, перпендикулярной теплообменным элементам и перфорированной отверстиями, размещенными соосно теплообменным элементам, причем диаметры отверстий в трубной доске уменьшаются по направлению к отверстию в дымовом канале, предназначенном для выхода дымовых газов,"

На фиг.1 представлен рекуператор, продольный разрез; на фиг.2 — рекунератор на вертикальном участке дымового канала, продольный разрез; на фиг.3 — график зави5

1695055

10

55 симости среднего коэффициента теплоотдачи к воздуху а от смещения д /S при начальной скорости воздуха во внутренней трубе W = 10 м/с; на фиг.4 -- график зависимости коэффициента теплоотдачи к воздуху, истекающему из внутренней трубы, г>< от полусферического днища с выступом от величины зазора h между выступом и выходным концом внутренней трубы (W =- 10 м/с).

Рекуператор содержит воздухоподводящий коллектор А, воздухоотводящий коллектор В и теплообменные элементы С, Воздухоподводящий коллектор 1А образован крышкой 1 с присоединенным к ней по центральной оси подводящим патрубком 2, боковыми стенками 3 — 6 разделительной стенкой 7 с отверстиями 8. Воздухоотводящий коллектор В образован боковыми стенками 3 — 6 с присоединенным к последней отводящим боковым патрубком 9, нижней стенкой 10 с отверстиями 11, Каждый теплообменный элемент С содержит закрепленную в отверстии 8 разделительной стенки 7 воздухоподводящего коллектора А внутреннюю трубу 12. Она выполнена с кольцевыми канавками 13 на на-, ружной поверхности, образующими кольцевые выступы i4 на внутренней поверхности, Коаксиально " внутренней трубой 12 расположена наружная труба. 15. закрепленная верхним концом B отверстии

11 нижней стенки 10 воздухоо водящего коллектора В. Она выполнена с кольцевыми канавками 13 на наружной поверхности, образук>щими кольцевь е выступы 14 на внутренней поверхности. Коаксиально с внутренней трубой 12 расположена наружная труба 15. закрепленная верхним концом в отвеостии 1 ни><ней стенки 10 воздухоотводящего коллектора В, Она выполнена с кольцегь:ми канавками 16 на наружной поверхности, образующими кольцевые выступы 17 на внутренней поверхности, выполненные с шагом S. Причем выступы 17 располо>кены со сме цением относительно канавок 13, равным д:=- (0,4-0.6}S. Наружная труба 15 заглушена с нижнего торца полусферическим дни;цем 18.

По центру наружной поверхности днища 18 выполнсна впадина 19, образующая на внутрен"ей поверхности днища выступ

20, причем зазор h между выходным концом внутренней трубы.12 и выступом 20 составляет h = {0.5-0,6)d, где d — диаметр внутренHevi трубы, Рекуператор может быть снабжен трубной доской 21 с отверстияк.;и 22, размещенными соосно теплг>обменным элементам С, причем диаметры отверстий 22 выполнены уменьша.ощимися по направлени!u к отвар стию в дымовом канале 23, предназначенному для выхода дымовых газов.

Выполнение кольцевых канавок и соответствующих им кольцевых выступов на трубах теплообменного элемент» приводит к турбулизации пристенного слоя воздуха на внутренних стенках как внутренней, так и наружной труб за счет турбулизирующег0 воздействия кольцевых выступов, способствующих периодическому выбросу в основной поток порций воздуха из пристенного слоя. Наличие кольцевых канавок на наружной поверхности внутренней трубы, способствует образованию микровихрей в канавках и периодическому выбросу порций воздуха в пристенный слой, расположенный на наружной трубе. За счет размешения кольцевых канавок на наружной поверхности внутренней трубы со смещением д= (0,5 — 0,6)S относительно выступов на наружной трубе происходит интенсивное перемешивание основного потока воздуха с воздухом, расположенным в пристенном слое. Это приводит к интенсификации теплообмена и повышению температуры подогрева воздуха.

Выполнение днища в виде полусферы = выступом в центре, расположенным с зазором по отношению к выходному концу внутренней трубы равным h = (0.5 — 0,6)d, позволяет интенсифицировать -.eïëàoáìeí между вытекаюцей из внутренней трубь, струей воздуха и днищем. Интенсификация теплообмева на этом участке теплообменного элемента вызвана установкой выступа в центре полусферического днища, что приводит к уменьшению зоны заторможенного потока, которая образуется при ударе струи о днище, Полученные соотношения определены экспериментальным пут.м. При проведении экспериментов получены заявленные диапазоны оптимальных значений д и и, а также проведено сравнение показателей работы предлагаемого ре.;уператора с прототипом.

Провел,=ны исследования влияния взаимного располс>кения кольцевых канавок на внутре-:-:ней трубе предлагаемого рекуператора и кольцевых выступов на наружной трубе на средний коэффициент теплоотдачи к воздуху. Начальная скорость воздуха во

BHóTpeHHeé трубе изменялась в пределах

W == 5-20 м/с, что соответствует диапазону скоростей, применяемому в промышленных рекуператорах, На модели рекуператора получены .значения среднего коэффициента теплоо.гдачи для тех we скоростей воздуха.

Пол>анные данные по зависимости

1695055

Г1, :=-,(д/ 1 для скорости воздуха W = 10 м/с предстал1}ены в виде Графика на фиг,з, А и а л и 8 .!I 8 H H bt x, гг р оедс та в л 8 }-1 н ы х }1 а фи} 3 покязцвяе1 цто яакси}4(альняя интенсификация тег1лробмена достигается в диапазоне значег}ий смещэ}}ия д=- (0,5 — 0,6)S, что соотьетствует зачвленному соотногиению, Г1ри этом значения среднего коэффициента теплоотдачи у предлагаемого рдкуератор ла 25-85%, вьн 8 че 4 у ",РО= ;. 1ой;,Е Р .:«BO.";QQX8.

Ггроведены эксг!ериментальные исс}18 доваllия влияния величины зазора между

В!>}ходн ым кон цог 1 Внутрен ней трубьг и вьl" стуГlом I IR полусфepltческo!4 дн, ще на коэфф}лцгле}гт 18плоотдячи от дни(ца к воздуху.

BC äÈ×È÷ 1 I,}ãaÐO 1 } г с, У}8НИЯ ВОЗДУХЯ N3 вйуГренн811 Т1>> 6bl 1! 3менилась 8 и р8делах

Юг = 5-20 м/с, 1-13 модели рекуператораoporoтипя и лучены зна ения коэффициента тегглоот>-,ачи aT днища к воздуху для тех

>v8 скоростей истечения воздуха из внутреннег .1 трубы. Г1олученные данные по зависимости я» =- г(п/d) для скорости истечения вОздуха IN =- 10 мlс представлены в виде г,)афика на фиг.4, Анализ данных, ггредставленных на фиг.4., показывает, что максимальная интен(.ИфикЯЦия: еплообкi8H з достиГается в ДиЯ пязо}ге з}}э }он!1(: величлны зазог3а ((},5 0,6)0, -Гг . i>ooTeeòcòe/8T заявленному

caoTItot}I8нию, Г1рн его}4 значения коэффициента тепдоотдачи о- днища к воздуху у предлагаемого ре(уперэ-opà на 12 — 14/, ВЬ ШеучЕМ )I ПРОТОТИП Я ПPI1 Той >Ке Cli iОРОСТИ в(>зду::а, гаки}.1 образом, заявленные диапазоны сОотношения д =- (0,4--0.6)3 и h = (0,5-C,ßä позволя ю1 !431(симяльно интенс}лф}лцир(> вать тепгоотдачу, }то обеспе-гивае.: дос" н" жение поставленной цели.

Г1ри установке рекуператора в верт:, кя}lьном дымовом кянял8 : p>lá÷çTb!8 теплоОбменные зле}4ег} i b! г}ерявном8рно

Омыва}огся дыг>}овыми газами, вследствие одностороннего отвода последних, 1 ег}лоОтдача ктрубчать}м т -;Гглообгленным элемент я }4, р 8 с n u л о же н н ы !4 " cт е и к и,о ь} г 4 о в 0 r О канала, про-ивоположной отверстию для

ВЬХОДЯ ДЬ}. ОВЫХ reear», НЮКС, ЧЕМ тЕГЛООтдячя к тоуо гатым теплооомеьгным эле(48нTBi t, рясполо> эннь}м Олиж8 к Отверсти}О, Установка трубной доски, перпендикулярнОЙ теплообменнь}м элементам и перфорированной Отверсти." ми, размегценньгми соосг-:„геплоебменглым элементам и ггмегощими диаметры, уменьшающиеся по направлению I(огверс !èþ для выхода дымовых -азов пр !воляет ар1 анизовя3 ь 10 15

/р

55 равномерное омывание трубчатых теплооб18HHbIx элементов дымовыми газами и тем самым интенсифицировать теплоотдачу, Рекуператор работает следующим обР33614

Хо}годный воздух через патрубок 2 подают в вОздухОПОДЯОДЯЩИЙ коллектор А, Откуда ot t -герез отверстия 9 рЯзДелительной (;T8HKI4 7 поступает во вн,тренние трубы 12 теплообменных элементов С, снабженные кольцевыми канавками 13 с образованием на внутренней поверхности кольцевых выступов 14, Из внутренней трубы 12 воздух

1}атекает на полусферическое днище 18 с высту>пом 20, плавно поворачивает на 180 и движется по кольцевой щели между внутренней трубой 12 и наружной 15, снабженной кольцевыми канавками 16, образующими на внутренней поверхности трубы кольцевые выступы 17. Вследствие наличия заявляемого смещения между кольцевыми канавками 13 и выступами 17 происходит интенсивное перемешивание воздуха из пристенного слоя }л ядра потока.

Из патрубка 9 воздухоотводящего коллектора В воздух отводят из рекуператора, Зкономический эффект по сравнению с прототипом достигается за счет интенсификации теплоотдачи, вследствие чего температура нагрева воздуха повышается на

20-,>0 j> при прочих равных условиях, Зто ведет к повь}шению экономли топлива в средне}4 на 7%. При расходе воздуха на предлагаемом рекуператоре 1000 м /ч, что соответствует сжигяни}о 100 мз/ч природного газа, трехсменном режиме работы рекуператора (т.е. 7500 ч в год) годовой экономический эффект от использования предлагаемого рекуператора по сравнению с прототипом составит

1,98 i500 100 1,96 7500

1ООО !ООО на один рекупарэтор, Кроме того, предлагаемый рекуператор в отличие от аналога технологичен в изготовлении, так как имеет одинаковый по длиi8 трубы шаг и высоту накатки, Формула изобретения }. Рекуперятор, включающий ьоздухоподводящий и воздухоотвсдящий коллекторы и подключенные к ним, установленные в газоходе, снабженном в его боковых сте .— ках входным и Bbfxopíbt!4 патрубками, теплообменные элементы, выполненные в виде внутренней и наружной труб, последняя из которых заглушена с торца с помощью днища. размещенного на заданном расстоянии от конца внутренней трубы, о т л и ч Я}o в} и Й с я тем, что, с целью интенсификяJ,>1}4 теплоотдя a!!I, Tpубы выпОлнены c Koftb1695055

h = (0,5-0,6)d

Апм Ьый

Раздут цевыми канавками на наружных поверхностях с образованием соответствующих им выступов на внутренних поверхностях, причем кольцевые канавки на внутренних трубах расположены со смещением д относительно кольцевых выступов на наружных трубах, равным д = (0,4-0,6) S, а днище выполнено полусферическим с центральным выступом вовнутрь теплосменного элемента, причем зазор h между концам внутренней трубы и выступом составляет где S - шаг между кольцевыми ьыс упами và наружных трубах;

d - диаметр внутренней тоубы.

2, Рекуператор по п,1, о т л и ч а ю щ и й5 с я тем, что, с целью интенсификации теплоатдачи при установке теплообменHbх элементов в вертикальном газоходе. снабженном входным патрубком в нижнем участке, а выходным патрубком — в боковой

10 стенке, он дополнительно снабжен размещенной поперек газохода перегородкой с отверстиями, а теплообменные элементы заведены B эти отверстия, причем последние выполнены с уменьшающимся в стого15 ну выходного патрубка диаметром.

1695О55 й,S»/»»

Составитель Т. Неверова

Техред M. Моргентал Корректор И. Муска

Редактор Ю. Середа

Заказ 4150 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Р

Производственно-издательский комбинат Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101