Рекуперативный теплообменник

 

Использование: для утилизации теплоты низкопотенциальных отходящих газов в котельных и других энергоемких производствах и установках: вентиляции. Сущность изобретения: рекуперативный теплообменник, содержащий трубчатые поверхности нагрева, размещенные в газоходе и в канале для нагреваемой среды, разделенных между собой направляющими перегородками 9, а также вращающийся вертикальный вал 12, на котором размещены колесо вентилятора 10 и упомянутые поверхности нагрева. При этом теплообменник снабжен тремя полыми дисками 1, 2, 3, размещенными последовательно под колесом вентилятора на вращающемся валу и сообщающимися между собой посредством упомянутых трубчатых поверхностей, центральная труба 4 поверхностей, размещенных в канале для нагреваемой среды, и крайние трубы 8 поверхностей, размещенных в газоходе, выполнены теплоизолированными. Вокруг среднего диска 2 дополнительно установлено лабиринтное уплотнение 13, в полости этого диска дополнительно размещен теплоизолированный конический каплеотбойник, а под нижним диском размещен кольцевой канал, 14, что обеспечивает теплообмен различными теплоносителями через разделительные стенки, тепловой поток в нем имеет всегда одно направление, однако при этом поверхности теплообмена выполнены вращающимися, что обеспечивает не только повышенный теплообмен за счет усиленной конвекции газов, но и за счет самоочищения указанных поверхностей от загрязнения: конденсата и взвешенных твердых частиц, под действием центробежной силы. Это, в свою очередь, позволяет использовать скрытую теплоту парообразования водяных паров, которые, как правило, в большом количестве содержатся в газовых выбросах и которые в настоящее время рассматриваются как неизбежные безвозвратные теплопотери. 1 ил.

Изобретение относится к области энергоснабжения и может быть использовано для утилизации теплоты отходящих газов в различных производствах и процессах: вентиляции помещений, сушки материалов, котельных и т.д.

В настоящее время для этих целей используют различные теплообменные аппараты устройства для передачи теплоты от одной рабочей среды (теплоносителя) к другой (см. книгу С.С.Кутателадзе "Теплопередача и гидродинамическое сопротивление", М. Энергоатомиздат, 1990). По устройству указанные аппараты разделяются на рекуперативные и регенеративные. К достоинствам рекуператоров относится их высокая газоплотность и незначительное аэродинамическое сопротивление на стороне греющих газов, а к недостаткам - повышенная громоздкость и металлоемкость по сравнению с регенераторами.

Вместе с тем общий существенный недостаток у известных упомянутых теплообменников заключается в их неэффективности при наличии в отходящих газах водяного пара, жидких и твердых технологических уносов, а без этих загрязнений отходящих газов практически не бывает. Под действием указанных загрязнений происходит зашлаковывание поверхностей нагрева и теплообменник перестает выполнять свои функции. Чтобы избежать указанных негативных эффектов преднамеренно повышают температурный градиент между взаимодействующими теплоносителями, не допуская снижения температуры поверхности теплообменника ниже температуры точки росы водяного пара, находящегося в отходящих газах. Так, чтобы избежать зашлаковывания экономайзера парового котла температуру дымовых газов перед их выбросом в атмосферу вынуждены поддерживать не ниже 140-160^oС.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному решению следует считать теплообменник, включающий трубчатую поверхность нагрева, размещенную в газоходе и в канале для нагреваемой среды, направляющие перегородки, разделяющие газоход и канал для нагревающей среды, а также вращающийся вертикальный вал, на котором размещены колесо вентилятора и упомянутая трубчатая поверхность нагрева, частично заполненная легкокипящей жидкостью (а.с. N 1276878, кл. F 23 L 15/02, опубл. 1986).

Основной недостаток прототипа состоит в невысокой эксплуатационной эффективности, что является следствием наличия в тепловых трубах встречных потоков рабочего тела (легкокипящей жидкости и ее пара), что, в свою очередь, снижает интенсивность теплового потока между нагреваемой и греющей средой, кроме того, он подвержен быстрому загрязнению при работе на запыленных и влажных газах, поэтому его практически невозможно применить при низких градиентах температур рабочих тел, например воздуха, характерных для системы вентиляции, сушки и т.п.

Цель изобретения состоит в повышении эксплуатационной эффективности путем интенсификации теплообмена, также в создании самоочищающегося теплообменника, устойчиво работающего в условиях повышенной запыленности и влажности отходящих газов, а также исключающего значительный перетек между нагреваемой и греющей средами.

Согласно изобретению поставленная цель достигается тем, что рекуперативный теплообменник выполняют в виде вращающихся на полом вертикальном валу трубчатых поверхностей нагрева с направляющими перегородками между нагреваемой и греющей средами, обеспечивая тепловому потоку всегда одно и тоже направление, однако в отличие от прототипа он снабжен тремя полыми дисками, расположенными последовательно под колесом вентилятора на вращающемся валу и сообщающимися между собой посредством упомянутых трубчатых поверхностей, при этом центральная труба поверхностей, размещенных в канале для нагреваемой среды, и крайние трубы поверхностей, размещенных в газоходе, выполняют теплоизолированными, вокруг среднего диска дополнительно устанавливают лабиринтное уплотнение, в полости этого диска дополнительно размещают теплоизолированный конический теплообменник, а под нижним диском размещают кольцевой канал. При этом часть внутреннего объема теплообменника заполнена легкокипящей жидкостью, например аммиаком.

Изобретение поясняется чертежом. На чертеже изображены верхний полый диск 1, соединенный со средним полым диском 2 посредством конденсатных трубок 3 и паропроводом центральной теплоизолированной трубой 4. Средний полый диск, имеющий внутри теплоизолированный конический каплеотстойник 5, соединен с нижним полым диском 6 посредством кипятильных трубок 7 и теплоизолированных опускных крайних трубок 8. Верхние и нижние трубки разделены перегородками 9, образующими газоходы, часть из которых, вокруг колеса вентилятора 10, имеет форму улитки 11. Упомянутое колесо вентилятора соединено с вращающейся частью теплообменника с помощью вала 12. Для предотвращения перетока нагреваемой и греющей сред предусмотрено лабиринтное уплотнение 13. Для сбора конденсата в нижней части теплообменника предусмотрен кольцевой канал 14. Часть внутреннего объема теплообменника заполнена легкокипящей жидкостью 15.

Устройство работает следующим образом: под действием разрежения в системе вентиляции нагреваемая среда, например чистый воздух, поступая сверху, закручивается улиткой 11 и приводит во вращение колесо вентилятора 10 и связанную с ним валом 12 остальную вращающуюся часть теплообменника: полые диски 1, 2, 6, конденсатные 3 и кипятильные трубки 7 и т.д. Далее нагреваемая среда, поперечно обтекая конденсатные трубки 3, охлаждая пары легкокипящей жидкости 15, находящейся в них, нагревается, получая сама при этом скрытое тепло парообразования сконденсировавшейся легкокипящей жидкости, и поступает потребителю. Капли конденсата, стекая вниз по внутренней поверхности конденсатных трубок 3, попадают на конический каплеотбойник 6, откуда они под действием силы тяжести и центробежной силы отбрасываются на периферию среднего полого диска 2, далее по теплоизолированным опускным трубкам 8 попадают в нижний полый диск 6, где, распределяясь по отдельным кипятильным трубкам 7, под действием греющей среды, поперечно обтекающей эти трубки, снова вскипают и в виде парогазовой смеси поднимаются вверх, где под действием центробежной силы сепарируются, разделяясь на жидкость и пар. Пар, как более легкий, поднимается вверх и через конический теплоизолированный каплеотборник 5, через паропровод центральную теплоизолированную трубу 4 поступает в верхний полый диск 1 для повторного использования. Неиспарившаяся часть легкокипящей жидкости, как более тяжелая, под действием той же центробежной силы отбрасывается на периферию среднего полого диска 2 и далее снова поступает в теплоизолированные опускные трубки 8, образуя внутренний контур циркуляции легкокипящей жидкости. За счет этого увеличивается скорость движения теплоносителя в кипятильных трубках 7, а следовательно, и величина теплового потока через эти трубки. Охлажденные стенки кипятильных трубок 7, отбирая тепло отходящих газов, как правило, содержащих водяные пары, твердые и жидкие технологические уносы, покрываются влагою и шлаком, однако эти примеси, вредно влияющие на теплообмен, не могут удерживаться на поверхности этих трубок и под действием центробежной силы срываются с их поверхности, падают вниз и далее собираются в кольцевом канале 14, откуда эта смесь воды, растворенных газов и шлака направляется на утилизацию. Охлажденные и очищенные таким образом отходящие газы выбрасываются в атмосферу.

Предлагаемое устройство отличается заметными преимуществами по сравнению с прототипом, а также упомянутым выше вращающимся регенеративным теплообменником. Во-первых, в нем отсутствуют встречные потоки рабочего тела (легкокипящей жидкости и ее пара), что значительно повышает интенсивность теплообмена. Во-вторых, оно не имеет специального двигателя и редуктора для придания вращения теплообменным поверхностям, что значительно упрощает и повышает надежность работы устройства. B-третьих, предложенный теплообменник самоочищающийся, а это позволяет его использовать для утилизации тепла низкопотенциальных влажных отходящих газов с возвращением в цикл скрытой теплоты парообразования водяных паров, содержащихся, как правило, в большом количестве в этих газах.

Формула изобретения

Рекуперативный теплообменник, содержащий трубчатые поверхности нагрева, размещенные в газоходе и канале для нагреваемой среды, разделенных между собой направляющими перегородками, а также вращающийся вертикальный вал, на котором размещены колесо вентилятора и упомянутые поверхности нагрева, отличающийся тем, что он снабжен тремя полыми дисками, размещенными последовательно под колесом вентилятора на вращающемся валу и сообщающимися между собой посредством упомянутых трубчатых поверхностей, при этом центральная труба поверхностей, размещенных в канале нагреваемой среды, и крайние трубы поверхностей, размещенных в газоходе, выполнены теплоизолированными, вокруг среднего диска дополнительно установлено лабиринтное уплотнение, в полости этого диска дополнительно размещен теплоизолированный конический каплеотбойник, а под нижним диском размещен кольцевой канал.

РИСУНКИ

Рисунок 1