Рекуператор

(51)5 У 23 1. 15/04 САНИЕ ИЗОБРЕТЕН ТЕЛ ЬСТ ВТОРСКОМУ С науй Ро ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР(71) Институт газа Ан УССР(56) Авторское свидетельство СССРМ 1223016, кл. Г 28 Р 1/16, 1987,Авторское свидетельство СССР(57) Изобретение относится к теплообменной технике и м.б, использовано на нагревательных и термических печах металлургии имашиностроения, Цель изобретения - интенсификация теплообмена посредствомтурбулизации потоков теплообменивающихся сред. Трубы 12 и 15 теплообменныхэлементов снабжЕны кольцевыми канавками 13 и 16 на наружной поверхности и коль-.цевыми выступами 14 и 17 на внутреннейповерхности соответственно. Канавки 13 расположены со смещением О = (0,4 - 0,6)Я относительно выступов 17, где Я - шаг между выступами 16. Днище 18 выполнено полусферическим с центральным выступом 20 вовнутрь теплообменного элемента. Зазор й между. выходным концом внутренней трубы 12 и выступом 20 составляет й = (0,5- 0,6)д, где д - 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, прохо- З дя 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. а ф-лы, 4 ил, о10 15 20 25 30 40 45 50 55 Изобретение относится к конструкциирекуператоров, предназначенныхдля подогрева воздуха, поступающего в горелки,теплом отходящих дымовых газов промышленных печей с целью экономии топлива,Интенсификация процесса передачитеплоты от металлической стенки рекуператора к нагреваемому воздуху позволяет повысить температуру нагрева воздуха, азначит и эффективность. работы рекуператора.Для интенсификации теплообмена впристенном (пограничном) слое воздуха используют различные виды турбулизаторов,в том числе и выполненные в виде периодических выступов или впадин на теплообменной поверхности. Периодическирасположенные выступы или впадины приводят к формированию вихревых зон у поверхности, за счет чего достигаетсяинтенсификация теплообмена при умеренном росте аэродинамического сопротивления.Известна теплообменная труба с кольцевыми канавками на наружной поверхности и соответствующими им выступами навнутренней поверхности, причем в продольномм направлении она разделена на участки с одинаковой высотой выступов в каждомиэ них и различной высотой выступов в смежных, ступенчато изменяющейся от участка кучастку в диапазоне Нс = д 1/О = 0,97-0,88, где,б 1 - минимальный внутренний диаметр трубыв зоне выступов; О - внутренний диаметр глад кой части трубы, Кроме того, выступы выпол 1нены с различным шагом, ступенчатовозрастающим от участка к участку в направлении возрастания высоты выступов вдиапазонедт 20,где т - шаг выступов, д - толщина стенкитрубы.Недостатком известной теплообменнойтрубы являются относительно невысокиезначения температуры подогрева воздухапри использовании ее в качестве теплообменного элемента рекуператора. Это обусловлено тем, что при помощи турбулиэациитолько пристенного слоя трудно обеспечитьзначительное повышение температуры подогрева воздуха, так как не обеспечиваетсяинтенсивное перемешивание объемов воздуха из тонкой пристенной зоны и из значительно большего по размерам ядра потока.Кроме того, изготовление теплообменной трубы с различной высотой выступов подлине и с разным шагом сложно, нетехнологично и практически неосуществимо при промышленном 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)Я, а днище выполнено полусферическим с центральным выступом вовнутрь теплообменного элемента, причем зазор й между выходным концом внутренней трубы и в.ыступом составляет (0,5 - 0,6)б, где Я - шаг между кольцевыми выступами на наружных трубах, б, - диаметр внутренней трубы,Кроме того, для интенсификации тепло- отдачи 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.З - график зави 5 1195055510 20 25 симости среднего коэффициента теплоотдачи к воздуху. аот смещения д/Я при начальной скорости воздуха во внутренней трубе ЧЧ = 10 м/с; на фиг.4 - график зависи. мости коэффициента теплоотдачи к воздуху, истекающему из внутренней трубы, о от полусферического днища с выступом от величины зазора и между выступом и выходным концом внутренней трубы (6/ = 10 м/с).Рекуператор содержит воздухоподводящий коллектор А, воздухоотводящий коллектор В и теплообменные элементы С, Воздухоподводящий коллектор 1 А 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 14 на внутренней поверхности, Коаксиально с внутоенней трубой 12 расположена наружная труба. 15. закрепленная верхним концом г отверстии 11 нижней стенки 10 воздухооводящего коллектора В. Она выполнена с кольцевыми канавками 13 на наружной поверхности, образукщими кольцевые выступы 14 на внутренней поверхности, Коаксиально с внутренней трубой 12 расположена наружная труба 15, закрепленная верхним концом в отвеостии 1 нижней стенки 10 воздухоотводящего коллектора В, Она выполнена с кольцевыми канавками 16 на наружной поверхности, образующими кольцевые выступы 17 на внутренней поверхности, выполненные с шагом Я. Причем выступы 17 располокены со сме цением относительно канавок 13, равным д:= (0,4-0.6)Я. Наружная труба 15 заглушена с нижнего торца полусферическим днищем 18,По центру наружной поверхности днища 18 выполнсна впадина 19, образующая на внутрен"ей поверхности днища выступ 20, и,:ичем зазор Ь, между выходным концом внутренней трубы.12 и выступом 20 составляет и = 0,5-0,6)д, где б - диаметр внутренней трубы,Рекуператор может быть снабжен трубной доской 21 с отверстиями 22, размещенными соосно теплгобменным элементам С, причем диаметры отверстий 22 выполнены уменьша:ощимися по направлю юо к отьер 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 турбулизирующего 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)5 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 воздухаВыполнение днища в виде полусферы с выступом в центре, расположенным с зазором по отношению к выходному концу внутренней трубы равным Ь = г 0.5 - 0,6)б, позволяет интенсифицировать теплообмен между вытекающей из внутренней тоубь; струей роэдуха и днищем, Интенсификация теплообмеяа 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 рекуператора с прототипом.Провед-ны исследования влияния взаимного расположения кольцевых канавок на гну ф:-:ней трубе предлагаемого рекуператора и кольцевых выступов на наружной трубе на средний коэффициент теплоотдачи к воздуху. Начальная скорость воздуха во внутренней трубе изменялась в пределах й =- 5-20 м/с, что соответствует диапазону скоростей, применяемому в промышленных рекуператорах, На модели рекуператора получены значения среднего коэффициента теплоогдачи для тех же скоростей воздуха. Полученные данные по зависимостиг, = :( д/3 ) для скаоасти воздуха Ю = 10м/с представлены в виде графика на фиг,з,Анализ данных, поедставленных 118фиг,э покязывяе 1, цтса максимальная интеггсификация теплаабмена достигается в диапазоне зна 81 ий смещения д= (0,5-0,65,чта саатьетствует зачеленнаму соатнашегию, При этом значения среднего коэффициента теплоатдячи у предлагаемогордкуператора на 25-;15%, выше, чем у граГ ) тИП П Ри Ой ке СКОРОСТИ ЕО ДУХЯГграеедены эксггериментялъные иссггедаеа 1 гия е 1 ияния велифлны 3830 ря междуВгходргым кан.гор 1 внутренн 8 й тргубьг и вь 1"ступам 1 я полусферическом днище ня каэффциент теплаатдаи ат днигца к воздуху.Я 8и 1 и1гги О1ф 11 С 81 Е Рг И Я Е аз гг У Ха И ЗвйутрерНей трубы 1 менилась е пределахЮ = 5 - 20 м/с, Ча мадери рекуператораПРОЛГатИПЯ ПОЛУЧЕНЫ ЗначЕНИЯ КазффИЦИЕНта теплоа грачи от днища к воздуху для техже скоростей истечения воздуха из внутреннг"1 трубы. Полученные дан гые по зависимости съ=- гп/б) для скорости истечениявоздуха 1 Ч =- 10 м/с представлены е видег;)афикя на фиг.4,Анализ данных, представленных нафиГ.4 ггаказы 1 Яет, чта максимальная инт 8 НсификЯЦия теплЗаб;ена ДастиГВется в Диапязо 118 з нече 11; 88 личины Зазорна гггд,э 0,6)0, Та соответствует заявленномуСЬОТОшениО, Грн эгЗм значения коэффициента тепдаотдечи о 1 днища к воздуху упредла гаема га оеупе рата ра на 12 - 14еьгшечем у прототипа при тай )ке скоростиеозДуа,Яки 1 образам, заявл 8 ннь 8 Диапазонысоотношения д = (О,-":О.б)3 и 1 = (0,5-0,6)ОПОЗЗОЛЯЮ 1 Маг;СИМЯЛЬНО ИНТ 8 НСИфИЦИРОвать теплаатдачу, Гга обеспегиеаег дас" н"жение гОставленной цели.Гри установке рекуперятаза е еерт;кЗльнам дьмаеам канал 8 тр 4 бчатые теплаабменные зл,;менты неравномерноомываются дынавыми газами, вследствиеодностороннего атоадя последних, Гегглоотдача к трубчатым тпглоабменньм элементам, расположенным у стенки дьрмавоГОканала, противоположной отверстию длявыхода дымовых газов, ниже, чем тег лоотдачя к трубчатым теплаобменным элементвм, гояспалаженным Олиж 8 к Ог в 8 рсти 1 О,установка трубной доски, перпенДикулярнай теплообменньгм элементам и перфорированной отверстиями, размегценньгмисоосг-.а теплаОбменным злем 8 нтам и имеющими диаметры, уменьшающиеся па направлению к отверстию для выходадымОВых Газов, позволяет Ор янизаея"ь 10 15 20 25 30 35 у 0 45 50 55 равномерное омывание трубчатыхтеплообменных элементов дымовыми газами и тем самьгм интенсифицировать теплаотдачу,Рекуператор работает следующим об- РЯЗОМ,Холодный воздух через патрубак 2 подают в еазДухопОДВОДЯЩий коллектор А, Откуда ан Ч 8 рез Отеерсти 51 9 разДелительнай стенки 7 поступает во вн тренние трубы 12 теплообменных элементов С, снабженные кольцевыми канавками 13 с образованием ня внутренней поверхности кольцевых выступое 14, Из вргутренн ГЙ трубы 12 воздух ггатекает на полусферическое днище 18 с выступам 20, плавно поворачивает на 180 и движется по кольцевой щели между внутренней трубой 12 и наружной 15, снабженной кольцевыми канавками 16, образуюЦими на внутренней поверхности тоубы кольцевые выступы г 7, Вследствие наличия заявляемого смецгерИя между кольцевыми канавками 13 и вьступами 17 происходит интенсивное перемешиеание воздуха из пристенного слоя и ядра потока, Из патрубка 9 еоздухоотводящего коллектора В воздух отводят из рекуператора,Зкономический эффект по сравнению с прототипом достигается за счет интенсификации теплоотдачи, вследствие чего температура нагрева воздуха повышается на 20-30% при прочих равных условиях, Зто ведет к повьшению экономии топлива в среднем на 7%. При расходе ваз 1 рхя на предлагаемом рекуператоре 1000 м /ч, что соответствует сжигянио 100 м/ч природного газа, трехсменном режиме работы рекуператора (т.е, 7500 ч в Гад) годовой экономический эффект ат использования предлагаемого рекуператоаа гго сравнению с прототипом составит1,957500 1001,9675001 ООО 1 ООО1.:а один рекуператор,Кроме того, предлагаемый рекуператор в отличие от аналога техналогичен в изготовлении, так как имеет одинаковый по длине трубы шаг и высоту накатки,Формула изобретения 1, Рекуператар, в (лючягащигг ьаздухаподводящий и ваздухоотвсдящий коллекторы и подключеннье к ним, установленные вЯзаходе, снабженном в ега боковых стен - ках входным.и выходным патрубкями, теплаабменные элементы, выполненные в виде внутренней и наружной труб, последняя из которых заглушена с торца с помощью днища, размещенного на заданном расстоянии от конца внутреннай трубы, о т л и ч аю рц и Й с я тем, что, с целью интенсификацги теплоатдячи, трубы выполнены с коль1695055 и = (0,5-0,6)б АпмЬыаРаздут сфЖ 7 ЪЮРруг 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) Я, а днище выполнено полусферическим с центральным выступом вовнутрь тепло- сменного элемента, причем зазор й между концам внутренней трубы и выступом со- ставляет где Б шаг между кольцевыми ьысупами на наружных трубах;д - диаметр внутренней тоубы.2, Рекуператор по п,1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью интенсификации теплоатдачи при установке теплообменных 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 в эти отверстия, причем последние выполнены с уменьшающимся в стого ну выходного патрубка диаметром.1695 О 55 рректор И, Муск Редактор Ю. Сер Заказ 4150 Тираж П ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям 113035, Москва, Ж-З 5, Раушская наба,10 Производственно-издательский комбинат Патент", г. Уж Составител Техред М.М евероватал одписноеи открытиям при ГКНТ С