RU2064633C1

RU2064633C1 - Recuperative heat exchanger

Info

Publication number: RU2064633C1
Application number: RU93057650A
Authority: RU
Inventors: Николай Артемович Седых
Original assignee: Николай Артемович Седых
Priority date: 1993-12-27
Filing date: 1993-12-27
Publication date: 1996-07-27

Abstract

FIELD: low-potential exit gas heat recovery in boiler houses and other power-consuming industries and installations; ventilation systems. SUBSTANCE: recuperative heat exchanger has tubular heating surfaces placed in gas flue and in heated medium channel separated by guide barriers 9, vertical rotating shaft 12 mounting impeller of fan 10 and mentioned heating surfaces, and it is also provided with three hollow disks 1,2,3 arranged in tandem under fan impeller on rotating shaft and intercommunicating through mentioned tubular surface; central tube 8 of heating surfaces located in heated medium channel and extreme tubes 8 of surfaces placed in gas flue are heat-insulated; labyrinth seal 13 is fitted about central disk 2 which accommodates in its hollow additional heat-insulated conical droplet repeller; annular channel 14 is placed under bottom disk to ensure heat transfer between different coolants through separating walls; heat flow in it is always unidirectional, but heat-transfer surfaces are revolving to ensure not only enhanced heat transfer due to intensified gas convection but also due to self- cleaning of mentioned surfaces from fouling, condensate, and suspended solid particles under the action of centrifugal forces. This, in its turn, enables utilization of latent heat of evaporated steam usually contained in great amount in emitted gases which are considered at present as unavoidable heat loss. EFFECT: improved recovery of waste heat. 1 dwg

Description

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. The invention relates to the field of energy supply and can be used to utilize the heat of the exhaust gases in various industries and processes: ventilation, drying of materials, boiler rooms, etc.

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. Currently, various heat exchangers are used for these purposes to transfer heat from one working medium (heat carrier) to another (see S. S. Kutateladze's book “Heat Transfer and Hydrodynamic Resistance”, M. Energoatomizdat, 1990). According to the device, these devices are divided into regenerative and regenerative. The advantages of recuperators include their high gas density and low aerodynamic drag on the side of the heating gases, and the disadvantages are increased bulkiness and metal consumption compared to regenerators.

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.At the same time, the common significant drawback of the known heat exchangers mentioned is their inefficiency in the presence of water vapor, liquid and solid technological entrainments in the exhaust gases, and practically no exhaust gases exist without these contaminants. Under the influence of these contaminants, slagging of the heating surfaces occurs and the heat exchanger ceases to fulfill its functions. To avoid these negative effects, the temperature gradient between the interacting coolants is deliberately increased, preventing the surface temperature of the heat exchanger from falling below the dew point of the water vapor in the exhaust gases. So, in order to avoid slagging of the economizer of the steam boiler, the temperature of the flue gases before they are released into the atmosphere are forced to maintain at least 140-160 ^o C.

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). The closest in technical essence to the claimed solution should be considered a heat exchanger, including a tubular heating surface located in the duct and in the channel for the heated medium, the guide walls separating the duct and the channel for the heating medium, as well as a rotating vertical shaft on which the fan wheel and said tubular heating surface partially filled with a low boiling liquid (a.s. N 1276878, class F 23 L 15/02, publ. 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. The main disadvantage of the prototype is its low operational efficiency, which is a consequence of the presence in the heat pipes of the oncoming flows of the working fluid (low-boiling liquid and its vapor), which, in turn, reduces the intensity of the heat flow between the heated and the heating medium, in addition, it is prone to rapid pollution when working on dusty and moist gases, so it is almost impossible to apply it at low temperature gradients of working fluids, such as air, typical for ventilation, drying, etc.

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. The purpose of the invention is to increase operational efficiency by intensifying heat transfer, also in creating a self-cleaning heat exchanger that works stably in conditions of increased dust and humidity of the exhaust gases, and also eliminates significant overflow between the heated and heating media.

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. According to the invention, the goal is achieved in that the recuperative heat exchanger is made in the form of tubular heating surfaces rotating on a vertical shaft with guiding walls between the heated and heating media, providing the heat flow always in the same direction, however, unlike the prototype, it is equipped with three hollow disks, located sequentially under the fan wheel on a rotating shaft and communicating with each other through the aforementioned tubular surfaces, while the central Single tube surfaces arranged in the channel for the heated medium, and the extreme surfaces of the tube, placed in the duct, operate insulated around the middle disc further comprises establishing a labyrinth seal in a cavity of the disk is further arranged insulated conical heat exchanger and below the lower disk arranged annular channel. In this case, part of the internal volume of the heat exchanger is filled with a low-boiling liquid, such as ammonia.

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. The invention is illustrated in the drawing. The drawing shows the upper hollow disk 1, connected to the middle hollow disk 2 by means of condensate tubes 3 and a steam pipe of the central heat-insulated pipe 4. The middle hollow disk, which has a thermally insulated conical drop separator 5 inside, is connected to the lower hollow disk 6 by means of boiling tubes 7 and heat-insulated lower extreme tubes 8. The upper and lower tubes are separated by partitions 9, forming gas ducts, some of which, around the fan wheel 10, has the shape of a snail 11. Said fan wheel is connected ineno with a rotating part of the heat exchanger by means of a shaft 12. To prevent the overflow of heated and heating media, a labyrinth seal 13 is provided. An annular channel 14 is provided in the lower part of the heat exchanger to collect condensate. Part of the internal volume of the heat exchanger is filled with low-boiling liquid 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. The device operates as follows: under the influence of rarefaction in the ventilation system, the heated medium, for example, clean air, coming from above, is twisted by the cochlea 11 and rotates the fan wheel 10 and the other rotating part of the heat exchanger connected to it by the shaft 12: hollow disks 1, 2, 6, condensate 3 and heating pipes 7, etc. Further, the heated medium, transversely flowing around the condensate tubes 3, cooling the vapors of the low-boiling liquid 15 located in them, is heated, thereby receiving the latent heat of vaporization of the condensed low-boiling liquid, and is supplied to the consumer. Drops of condensate flowing down along the inner surface of the condensate tubes 3 fall onto a conical droplet eliminator 6, from where they are discarded by the action of gravity and centrifugal force to the periphery of the middle hollow disk 2, then along the insulated lowering tubes 8 fall into the lower hollow disk 6, where, distributed over individual boiling tubes 7, under the influence of a heating medium transversely flowing around these pipes, boil again and rise up as a vapor-gas mixture, where they are separated by centrifugal force, separated l on liquid and steam. The vapor, as lighter, rises up and through the conical heat-insulated drop collector 5, through the steam pipe the central heat-insulated pipe 4 enters the upper hollow disk 1 for reuse. The unevaporated part of the boiling liquid, as a heavier one, is thrown under the influence of the same centrifugal force to the periphery of the middle hollow disk 2 and then again enters the heat-insulated lower tubes 8, forming the internal circuit of the circulation of the boiling liquid. Due to this, the velocity of the coolant in the boiling tubes 7 increases, and therefore the magnitude of the heat flux through these tubes. The cooled walls of the boiling tubes 7, taking away the heat of the exhaust gases, usually containing water vapor, solid and liquid technological entrails, are covered with moisture and slag, however, these impurities that adversely affect heat transfer cannot be retained on the surface of these tubes and under the action of centrifugal force they break down from their surface, fall down and then collect in the annular channel 14, from where this mixture of water, dissolved gases and slag is sent for disposal. The exhaust gases cooled and purified in this way are emitted into the atmosphere.

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. The proposed device has significant advantages compared with the prototype, as well as the above-mentioned rotating regenerative heat exchanger. Firstly, there are no oncoming flows of the working fluid (low-boiling liquid and its vapor), which significantly increases the heat transfer intensity. Secondly, it does not have a special engine and gearbox for imparting rotation to heat exchange surfaces, which greatly simplifies and increases the reliability of the device. Thirdly, the proposed heat exchanger is self-cleaning, and this allows it to be used to recover the heat of low-potential moist exhaust gases with the return to the latent heat of vaporization of water vapor, which is usually contained in large quantities in these gases.

Claims

A recuperative heat exchanger containing tubular heating surfaces located in the duct and channel for the medium to be heated, separated by guide baffles, as well as a rotating vertical shaft on which the fan wheel and said heating surfaces are located, characterized in that it is equipped with three hollow disks placed sequentially under the fan wheel on a rotating shaft and communicating with each other by means of the aforementioned tubular surfaces, while the Central pipe of the surfaces, placed in the channel of the heated medium, and the outer pipes of the surfaces placed in the gas duct are thermally insulated, a labyrinth seal is additionally installed around the middle disk, a thermally insulated conical droplet eliminator is additionally placed in the cavity, and an annular channel is placed under the lower disk.