Рекуператор

ИЕ ИЗОБРЕТЕ К Н омитет Российской Федераци о иатентам и товарным знака(г 1) Ступинский металлургический комбинат(73) Ступинский металлургический комбинат(54) РЕКУПЕРАТОРЩ Использование: предназначено для использования тепла дымовых газов промышленных пламенных печей для нагрева воздуха подаваемого нагорение, Сущность изобретения: в теплообменныетрубы 6 рекуператора сверху вниз поступают дымовые газы с температурой 1100-1200 С, приэтом вентилятором высокого давления в верхнийпатрубок 4 подается холодный воздух Две внутренние перегородки 3 в металлическом коробе 2организуют сложное многоходовое движение воэ(в) Иб (и) 2003002 С 1(51) 5 Р 23 Ь 15 04 духа, представляющее собой сочетание перекрестного тока с прямотоком, что позволяет понизить максимальную температуру стенки рекуператора и интенсифицировать теплообмен. Огнеупорные вставки 9 на всей длине защищают металлические теплообменные трубы 6 и трубную доску 7 от воздействия содержащихся в дымовых газах паров хпористых и фтористых солей флюса, а также перегрева и колебаний температуры, а также осуществляют радиационный перенос тепла. Кроме того, выполненные в виде колец огнеупорные вставки 9 установлены в верхней 7 и нижней 8 досках свободно и имеют определенную высоту и, равную (0,5 - 0,1) О, где О - внутренний диаметр теплообменной трубы. При этом верхние вставки выходят за верхнюю доску 7 на (0,5 - 0,8) О. а наружный и внутренний их диаметры соответственно равны(0,95 - 0,98) О и(0,7-0,85) О. 2 ил.5 10 15 Изобретение относится к теплотехническому оборудованию и предназначено для использования тепла дымовых газов промышленных пламенных печей для нагрева воздуха, подаваемого на горение.Известен керамика-металлический рекуператор, включающий круглые корундовые трубы длиной 250 мм, соединяемые шамотными фланцами, и чугунные ребристые трубы.Недостатки указанной конструкции заключаются в наличии двух отдельных частей рекуператора (керамической и металлической), увеличивающих габариты рекуператоров, что исключает возможность его установки в дымоходе печи,Наиболее близким к изобретению по технической сущности является узел воздухоподогревателя, содержащий установленные в трубных досках теплообменные трубы, снабженные на входе соосно размещенными защитными вставками, закрепленными в решетке, расположенной параллельно трубной доске, При этом концы вставок свободно установлены в полости теплообменных труб, а их решетка соединена с трубной доской механическим приводом для ее перемещения вместе со вставками в направлении продольных осей теплообменных труб.Недостаток известного узла воздухоподогревателя заключается в том, что лишь верхняя часть металлических теплообменных труб защищена от воздействия механических или агрессивных составляющих, содержащихся в дымовых газах. Это приводит к повышенному износу незащищенной рабочей поверхности труб и снижает надежность работы конструкции в целом, Другим недостатком является наличие трубной решетки с механическим приводом для ее перемещения, что не только усложняет конструкцию узла воздухоподогревателя, но и требует специальной защиты привода и решетки от воздействия агрессивного теплоносителя, например дымовых газов, при температуре 1100-1200 С. Укаэанный недостаток также влияет на надежность работы воздухоподогревателя. Кроме того, наличие подвижного элемента в конструкции воэдухоподогревателя снижает его гаэоплотность и уменьшает надежность работы.,Цель изобретения - повышение эксплуатационной надежности путем защиты теплообменных труб от перегрева и воздействия агрессивных составляющих теплоносителя,Поставленная цель достигается тем, что в рекуператоре, содержащем верхнюю и нижнюю доску и установленные в воздухо 20 25 30 35 40 45 50 55 воде теплообменные трубы, снабженные соосно размещенными огнеупорными вставками, огнеупорные вставки размещены по всей длине теплообменных труб и выполнены высотой 0,5-1,0 внутреннего диаметра теплообменных труб, причем нижние вставки свободна оперты на кольцевые пазы нижней доски, а верхние выходят за пределы верней доски на высоту равную 0,5-0,8 высоты вставок, наружный и внутренний диаметры которых соответственно равны 0,95 - 0,98 и 0,7-0,85 внутреннего диаметра теплообменных труб.Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что отличительными признаками заявляемого рекуператора являются размещение по всей длине теплообменных труб огнеупорных вставок высотой 0,5-1,0 внутреннего диаметра теплообменных труб; свободное размещение нижних вставок в кольцевых пазах нижней доски, а верхних выступающими за пределы верхней доски на высоту 0,5-0,8 высоты вставок; регламентация наружного и внутреннего диаметров огнеупорных вставок в зависимости от внутреннего диаметра теплообменных труб.Наличие внутренней футеровки в виде огнеупорных вставок, размещенных по всей длине теплообменных труб, позволяет защитить всю рабочую поверхность металлических труб от взаимодействия с агрессивными дымовыми газами, а также исключить их перегрев при резких колебаниях температуры дымовых газов, что обеспечивает надежную эксплуатацию устройства. В процессе работы огнеупорные вставки, раскаляясь от контакта с дымовыми газами, передают тепло теплообменным трубам излучения, что исключает контакт агрессивных газов с тепло- обменными трубами, а эффективность теплопередачи при этом практически не снижается, При необходимости для поддержания температуры подогреваемого воздуха увеличивают количество или длину труб в рекуператоре. Вставки в металлических трубах не должны создавать монолитной внутренней футеровки, чтобы исключить ее растрескивание при изменении температуры дымовых газов. Вставки, выполненные в виде колец с регламентированной высотой, составляющей 0,5 - 1,0 внутреннего диаметра теплообменных труб, обеспечивают наличие большого количества кольцевых швов в Футеровке, которые и предохраняют ее от растрескивания, повышая надежность работы рекуператора. При выполнении вставок высотой меньше 0.5 диаметра трубы увеличивается количество кольцевых вста 2003002вок и вероятность образования щелей между вставками, что ведет к прорыву дымовых газов к стенкам труб и их перегреву,При высоте каждой вставки больше диаметра трубы происходит растрескивание футеровки и усложняется монтаж вставок из-зэ их зависания в трубе, что снижает эксплуатационную надежность работы рекуператора.Данные о подборе высоты вставок представлены в табл,1.Для обеспечения свободного расширения футеровки вдоль оси теплообменной трубы каждая нижняя вставка устанавливается в кольцевом пазу нижней доски, а верхняя выступает за пределы верхней доски на высоту 0,5 - 0,8 наружного диаметра вставки. Футеровка имеет одностороннюю опору на нижнюю плиту, обеспечивающую надежное крепление вставок от бокового смещения кольцевым пазом и возможность свободного теплового расширения вверх вдоль оси теплообменной трубы, Кольцевой паз позволяет удерживать нижние вставки за плечики и строго центрировать их относительно оси труб. При отсутствии кольцевого паза возможно смещение нижних вставок относительно оси труб, что уменьшает площадь опоры эаплечиков вставок и может вызвать разрушение всей футеровки труб. Таким образом, наличие кольцевого паза повышает эксплуатационную надежность рекуператора.Верхние вставки защищают входную . часть рекуператора и верхнюю доску от перегрева.Кроме того, независимоетепловое расширение вставок позволяет использовать верхнюю выступающую часть как подвижную футеровку для компенсации различных термических расширений футеровки и металлических труб, исключающей разуплотнение рекуператора, Жесткое соединение металлических труб с верхней и нижней досками позволяет использовать эти доски как мембранные кампенсаторы термических напряжений, возникающих при разности температур между трубами и досками. Однако опыт показывает, что эта разница температур мала и практически не нуждается в компенсации, так как вставки выполнены выступающими за пределы верхней доски на эначительнуг величину, составляющую 0,5-0,8 высоты вставки. При высоте выступающей части меньше 0,5 высоты вставки из-за осаждения твердых частиц, содержащихся в дымовых газах, происходит "эарастание", входного отверстия, что снижает эксплуатационную надежность рекуператора. При размере выступающей ча 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 сти больше 0,8 наружного диаметра вставкиверхняя вставка выходит иэ теплообменнойтрубы, при этом нарушается ее контакт струбой, что ведет к перегреву вставки, еерастрескиванию и снижает надежность работы рекуператора,Результаты подбора высоты выступавставок под верхней доской представлены втабл.2.Так как огнеупорный материал вставки,например шамот, имеет коэффицвиент линейного расширения а = 6,7 х 10, а коэффициент линейного расширения материалатеплообменных труб, например, из сталиХ 23 Н 13 а=17,5 х 10, то для компенсациирасширения вставок их размещают в трубахс зазором. Этот зазор должен регламентироваться, так как нагрев теплообменныхтруб происходит излучением тепла от оп еупорных вставок, нагреваемых дымовымигазами весьма неравномерно. Кроме того,зазор между трубой и вставкой необходимдля облегчения монтажа вставок, При экспериментальном опробовании металлокерамического рекуператора были найденыоптимальные размеры наружного и внутреннего диаметра вставок в зависимости от .диаметра теплообменной трубы, спределяющие зазор между вставок и трубой ракуператора. Наружный диаметр вставкисоставил 0,95 - 0,98 внутреннего диаметратеплообменной трубы, а внутренний 0,7 -0,85 от этой величины,В ходе эксперимента (см.табл,З) былоустановлено, что при наружном диаметреста ки, пред а още 0,98 внутрен:егодиаметра трубы, гставка может зависнуть"в трубе из-за неравномерного нагрева, чтоведет к образованио щелей между вставками и перегреву трубы. Это снижает надежность работы рекуператсра,Если наружный диаметр гставки меньше ОЯ 5 внутреннего диаметра трубы, образуется слишкогл большой зазор, прикоторогл ухудшается лучистый чеплообснмежду трубой вставками, что снпжаег эффективность работы рскупоратара.Регла,"5 ен Гация внутрепего нз,ужного диаметров вставок является важным фактором, определяющим толщину стенкивставки, что влияет на надежность работырекуператора. При большой толщине стон;ипрг: сходит растраскивание вставки из-затемпературного перепада. Кроме того,уменьшается проходное сечение канала, образуе ого вставками и сокращается поверхность теплообмена. При малой толщинестенки снижается защитная функция вставки и ее прочность, Наилучшие результаты10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 были получены при толщине стенок вставок, образующихся при внутреннем диаметре, соответствующем 0,7-0,85 диаметра трубы (см,табл.3),При размере внутреннего диаметра меньше 0,7 снижается температура на наружной стороне вставки, повышается вероятность растрескивания футеровки и уменьшается проходное сечение трубы. Внутренний диаметр вставки, превышающей 0,85 диаметра трубы приводит к тому, что толщина стенки вставки уменьшается, что снижает прочность вставки и ведет к перегреву теплообменной трубы. Таким образом, при внутреннем диаметре вставок, выходящем эа пределы 0,7-0,85 внутреннего диаметра труб, надежность работы рекуператора снижается,На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что все признаки, отличающие заявляемое техническое решение от протока, способствуют достижению цели. а именно повышению эксплуатационной надежности.Признак, отличающий предлагаемый рекуператор от прототипа (авт.св. СССР М 732625, кл, Г 2315/04, опублик, 1978), наличие футеровки огнеупорными вставками известен (авт,св, СССР % 1132116, кл. Г 23 (. 15/04, опублик, 1983), однако в техническом решении, как и.в прототипе, защитные вставки размещены лишь в верхней части греющих труб,Известна теплообменная поверхность нагревателя газа (авт.св. СССР Мт 1198328, кл, Е 2315/04, опублик. 1985), в котором теплообменная труба снабжена слоем защитного покрытия, включающего ингредиенты на основе окиси алюминия.Благодаря наличию отличительных признаков и совокупности параметров предлагаемый рекуператор приобретает новое техническое свойство, обеспечивающее защиту теплообменных труб от перегрева и взаимодействия с агрессивными составляющими теплоносителя независимо от термического расширения теплообменных труб и футеровки в процессе эксплуатации без нарушения газоплотности еоздуховодов,Другие известные решения с признаками, сходными с отличительными признаками предлагаемого рекуператора, не обнаружены.Следовательно, заявленный объект можно признать соответствующим критерию "существенные отличия",На фиг,1 изображен рекуператор, продольный разрез; на фиг.2 - то же, поперечный разрез. Предлагаемый рекуператор содержит воздуховод 1, включающий металлический короб 2 и две перфорированные перегородки 3 с подводящим 4 и отводящим 5 патрубками. Для крепления размещенных вертикально металлических теплообменных труб 6 в верхней части рекуператора используется трубная доска 7, а в нижней - трубная доска 8. Теплообменные трубы по всей длине облицованы изнутри огнеупорными вставками 9, при этом каждая установленная снизу вставка свободно оперта на кольцевой паз 10 нижней доски, а верхняя трубная доска имеет тепловую защиту 11,Сборку рекуператора осуществляют следующим образом. После соединения сваркой всех металлических частей 1-6 рекуператора проводят испытание металлоконструкции на газоплотность путем заполнения рекуператора воздухом при избыточном давлении, Затем на нижнюю трубную доску 8 в кольцевой паз 10 помещают огнеупорные вставки 9, одну за одной.В местах стыка при необходимости размещают прокладки из огнеупорной ваты,Верхние вставки 9 размещают выступающими над верхней трубной доской 7 на высоту Н, равную 0,5 - 0,8 высоты вставок, и также уплотняют их огнеупорной ватой. Рекуператор работает следующим образом,В теплообменные трубы рекуператора сверху вниз поступают дымовые газы с температурой 1100-1200 С. Холодный воздух от вентилятора высокого давления ВКДпоступает в патрубок 4 еоздуховода 1. Внутренние перегородки 3 в коробе 2 обеспечивают многоходоеое движение воздуха перекрестного типа, что позволяет максимально снизить температуру стенок тепло- обменных труб 6 и интенсифицировать теплообмен. Так как температура дымовых газов высокая, то работа рекуператора осуществляется, главным образом, в радиационном режиме, осуществляемом вставками 9 при температуре поверхности, обращенной к теплообменным трубам около 950 С, Огнеупорные вставки 9, расположенные в верхней доске 7, защищают поверхность теплообменных труб 6 от взаимодействия с дымовыми газами, содержащими пары хлористых и фтористых солей. а также от колебаний температуры при режимах пуска, остановки и форсированного режима работы рекуператора, Нагрев воздуха осуществляется за счет трехкратного прохождения между теплообменными трубами 6 с выходом через отводящий патрубок 5, как это указано стрелками, Верхняя 7 и нижняя 8 доски свободно удерживают огнеупорные2003002 10 дух до температуры 350-450 С при температуре отходящих газов 1150 - 1200 С. Срок службы рекуператора без изменения тепловых характеристик по расчету составляет не 5 менее двух лет, что по сравнению с прототипом, в котором.теплообмейные вставки выполнены только в верхней части, превышает срок службы более чем в 8 раз,По сравнению с прототипом предлагае мый рекуператор обладает следующимипреимуществами; надежно защищает всю поверхность теплообменных труб от взаимодействия с дымовыми газами; исключает необходимость компенсации теплового рас ширения труб и футеровки: обеспечиваетгазоплотность конструкции в целом при простоте сборки и эксплуатации; обеспечивает долговечность работы рекуператора более двух лет), что свидетельствует о высо кой надежности конструкции,(56) Тебеньков Б.П. Рекуператоры для промышленных печей. М,: Металлургия, 1975, с.263, рис.129.25 Авторское свидетельство СССРМ. 732625, кл. Е 2315/04. опублик. 1980. Таблица 1 Выбор высоты вставок Конструкция ре- Внутр. ди- Высота огнеупорной куп врата ра аметр теп- вставкилообмен.относите- абсолюттрубы, О,льная Ь/О 0.4 едлагаемы 168 18 168 168 16 80 240 ти 0,7 вставки 9, разделенные границами на коль. ца, Каждое кольцо имеет высоту и, равную (0,5-1,0)0, где Р - диаметр теплообменной трубы, Огнеупорнь 1 е вставки (кольца) размещены в теплообменных трубах с зазором, средняя величина которого равна 1/2(0-б 1) Каждая вставка имеет внутренний диаметр с 32, равный (0,7-0,85)О и наружный б 1, равный (0,95-0,98)0. Эти зазоры обеспечивают свободное тепловое расширение вставок независимо от расширения теплообменных труб. Для предохранения верхней части рекуператора от пылевых осаждений огнеупорные вставки 9 выступают за пределы верхней доски 7 на высоту Н, составляющую 0,5-0,8 высоты вставки; Кроме того, верхняя доска защищена от пылеосаждения и перегрева теплоизоляцией 11. Нижняя часть вставок свободно оперта на кольцевой паз 10 нижней доски 8. При нагревв рекуператора изменение размеров вставок и тепло- обменных труб происходит независимо, что исключает их взаимное разрушение и разуплотнение рекуператора,Эксплуатация рекуператора предлагаемой конструкции позволяет нагревать возВнутрен, Наружный Результаты исдиаметр д и а м ет р пытаний вставки, б 1, мм2003002 12 Таблица 2 Выбор высоты выступа над верхней доской аблиц Выбор диаметра вставок Наружный диаметр Внутреннийдиаметр Результаты исп нструкци нут вставок, 2 ставо рекуперато ет отно рубы,0 0 рекос вставо бсолют,начение,232,8 235,2 тносиельное,0,97 0,98 абсолют.значение,Снижение т-ры и огрева на монтаже щежду вставками2003002 13 14 Продолжение табл.3 Наружный диаметр Внутреннийдиаметр Результаты испытаВ нутр. Конструкция рекуператора ний вставок, 2 диаметр вставок, 1 трубы, О,мм абсолют. относи- абсолют относительное,значение, тельное, значение,б 2/О б 1/О мм 240 232,8 0,97 0,7 Нормальная работа 168 204 0,85 232,8.232,8 0,97 240 0,97 Снижение т-ры подогрева на 50-70 С 0,6 240 144 0,97 240 232,8 0,9 Перегрев стенок трубы 240 232,8 0.85 Прогорание труб при 0,97 204 Прототип первом испытании Формула изобретения РЕКУПЕРАТОР, содержащий верхнюю и нижнюю трубные доски с отверстиями и установленные в воэдуховоде теплообменные трубы, снабженные соосно размещенными в последних огнеупорными вставками, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем защиты теплообменных труб от перегрева и воздействия агрессивных составляющих теплоносителя, в отверстиях нижней доски выполнены кольцевые пазы, вставки размещены по всей длине теплообменных труб, заведены в пазы нижней доски и за пределы верхней доски на величину 0,5- 0,8 длины вставок, при этом последние выполнены длиной 0,5+ 1,0 внутреннего диаметра трубы и наружным и внутренним диаметрами соответственно 0,95 - 0,98 и 0,7 - 0,85 внутреннего диаметра теплообменных труб,2003002 СоставительТехред М.Моргент ор О.Густ акто Тираж Подписн НПО "Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Заказ 322 изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина.