Рекуператор

 

Использование предназначено для использования тепла дымовых газов промышленных пламенных печей для нагрева воздуха подаваемого на горение. Сущность изобретения: в теплообменные трубы 6 рекуператора сверху вниз поступают дымовые газы с температурой 1100-1200° С, при этом вентилятором высокого давления в верхний патрубок 4 подается холодный воздух Две внутренние перегородки 3 в металлическом коробе 2 организуют сложное многоходовое движение воздуха , 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 хлористых 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 h, равную (0,5 - 0,1} D, где D - внутренний диаметр теплообменной трубы При этом верхние вставки выходят за верхнюю доску 7 на (0,5 - 0,8) D. а наружный и внутренний их диаметры соответственно равны (0,95 - 0.98) D и (0,7 - 0.85) D 2 ил

1 т

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации но иатентам и товарным знакам (21) 4935462/06 (22} 12.0591 (46) 1511.93 Бюл. Na 41-42

P1) Ступинский металлургический комбинат (72) Савичев АК; Краснов ОА; Куликов АФ,; Ковалев Г.В..

{73) Ступинский металлургический комбинат (54) РЕКУПЕРАТОР (57) Исттользование: предназначено для использования тепла дымовых газов промышленных пламенных печей для нагрева воздуха подаваемого на горение, Сущность изобретения: в теплообменные трубы 6 рекуператора сверху вниз поступают дымовые газы с температурой 1100-1200 С, при этом вентилятором высокого давления в верхний патрубок 4 подается холодный воздух Две внутренние перегородки 3 в металлическом коробе 2 организуют сложное многоходовое движение воз(В) RRU U(11) 2003002 С1 (51) 5 Р23 L15 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 h, равную (0,5 — 0,1) О, где Π— внутренний диаметр теплообменной трубы. При этом верхние вставки выходят эа верхнюю доску 7 на (0,5 — 0,8) D. а наружный и внутренний их диаметры соответственно равны(0,95 — 0,98) О и(0,7-0,85) О. 2 ил.

2003002

Изобретение относится к теплотехническому оборудованию и предназначено для использования тепла дымовых газов промышлеHíûõ 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 воздуховоде 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 теплообменными 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 вста2003002

40 металлических труб с верхней и нижней досками позволяет использовать эти доски как мембранные кампенсзторы 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 эначительну1-. 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 выступа1ощей ча45

50 вок и вероятность образования щелей между вставками, чта 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-за 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 эа плечики и строго центрировать их относительно оси труб. При отсутствии кольцеваго 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 v верхнюю доску or rleperpesa.

Кроме того, независимое Тепловое расширение вставок позволяет использовать верхнюю выступающую часть как подвижную футеровку для компенсации различных термических расширений футеровки и металлических труб, исключающей разуплотнение рекуператора. Жесткое соединение сти больше 0,8 наружного диаметра вставки верхняя вставка выходит иэ теплаобменной трубы, при этом нарушается ее контакт с трубой, что ведет к перегреву вставки, ее растрескиванию и снижает надежность работы рекуператора.

Результаты подбора высоты выступа вставок под верхней доской представлены в табл.2.

Так как огнеупорный материал вставки, например шамот, имеет коэффициент линейного расширения а = 6,7х10, а коэффициент линейного расширения материала теплообменных труб, например, из стали

Х23Н13 I2 = 17,5х10 то для компенсации расширения вставок их размещают в трубах с зазором. Этот зазор должен регламентироваться, так как нагрев теплаобменных труб происходит излучением тепла от оп еупорных вставок, нзгреваемых дымовыми газами весьма неравномерно. Кроме тога, зазор между трубой и вставкой необходим для облегчения монтажа вставок. При экспериментальном опробовании метзллакерамического рекуператора были найдены оптимальные размеры наружного и внутреннега диаметра вставок в зависимости ат . диаметра теплаобменнай трубы, спределяющие зазор ме;;<ду вставок и трубой ракуператора. Наруж11ый диаметр вставки состзвпл 0,95 — 0,98 внутреннего диаметра теплоабменнай трубы, а внутренний 0,7—

0,85 ат этой величины.

В ходе эксперимента (см.табл,3) былl) установлено, чта при наружном диаметре с.а и, прев U1c 0,98 у р:ега диаметра трубьi, гстзвка может "зависнуть" в трубе из-зз неравномерного нагрева, что ведет 1 обраэаваHHIo щелей между вставками и перегреву трубы. Это снижает надежность работы рекуператсрз.

Если наружный диаметр гставки меньше ОЯ5 внутреннего диаметра трубы, абрз3 у етc Я сл LI III коt-1 бал ь шай 3<) за Р, и Р11 катарам ухудшается I l !!IcTblL1 чег1лааб лс11 между т;)убой 1)станками, что cl II;I:.àåã эффективность рабаты рскупоратарз.

РcглGç" iе1! гзция вi! утре! I I lего ! i „"i!ужи .) га диаметров вставок является вз;1<ны»; ф,i;торам, определяющн11 талщину T" Ll! II вставки, что влияет нз надежность работы рекуператора. При большой толщине стелл<:! прг.::сходит растрескивание вставки из-за температурного перепада. Кра1ле того, уменьшается проходное сечение канала, obразуе !ага встав:<зми и сокращается поверхность теплаобменз. При малой толщине стенки сних<ается защитная функция вставки и ее про !ность, Наилучшие результаты

2003002

20

30

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

N. 732625, кл. F 23 L 15/04, опублик, 1978), наличие футеровки огнеупорными вставками известен (авт,св, СССР N. 1132116, кл. F

23 L 15/04, опублик, 1983), однако в техническом решении, как и s прототипе, защитные вставки размещены лишь в верхней части греющих труб, Известна теплообменная поверхность нагревателя газа (авт.св. СССР Мт 1198328, кл, F 23 L 15/04, 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 гаэоплотности воздуховодов.

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 H. 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 ВКД-8 поступает в патрубок 4 воздуховода 1. Внутренние перегородки 3 в коробе 2 обеспечивают многоходовое движение воздуха перекрестного типа, что позволяет максимально снизить температуру стенок теплообменных 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 огнеупорные

2003002

Таблица 1

Выбор высоты вставок

Высота огнеупорной Внутрен, Наружный диаметр

Конструкция рекуп врата ра

Внутр. диаметр теплообмен. трубы, D, Результаты испытаний вставки диаметр вставки, абсолютотносительная h/О

d>, мм ная, мм мм

240

0.4

168

Предлагаемый

240

120

0,5

168

180

240

0,75

168

240

240

1,0

168

168

240

300

180

240

0,75

168

Прототип вставки 9, разделенные границами на коль. ца, Каждое кольцо имеет высоту h, равную (0,5-1,0)0, где D — диаметр теплообменной трубы, Огнеупорные вставки (кольца) размещены в теплообменных трубах с зазором, средняя величина которого равна t/2(D — б1).

Каждая вставка имеет внутренний диаметр

dg, равный (0,7-0,85)D и наружный d1, равный (0,95-0,98)D. 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 теплообменных труб происходит независимо, что исключает их взаимное разрушение и разуплотнение рекуператора, Эксплуатация рекуператора предлагаемой конструкции позволяет нагревать воздух 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 . теплообмей н ые вставки выполнены только в верхней части, превышает срок службы более чем в 8 раз.

По сравнению с прототипом предлагае10 мый рекуператор обладает следующими преимуществами; надежно защищает всю поверхность теплообменных труб от взаимодействия с дымовыми газами; исключает необходимость компенсации теплового рас15 ширения труб и футеровки; обеспечивает газоплотность конструкции B целом при простоте сборки и эксплуатации; обеспечивает долговечность работы рекуператора

{более двух лет), что свидетельствует о высо20 кой надежности конструкции. (56) Тебеньков Б.П. Рекуператоры для npoMblLUIIQHHblx печей. М.: Металлургия, 1975, с.263, рис.129.

25 Авторское свидетельство СССР

N 732625, кл. F 23 L 15/04. опублик. 1980.

2003002

Таблица2

Выбор высоты выступа над верхней доской

Таблица 3

Выбор диаметра вставок

Наружный диаметр Внутреннийдиаметр Результаты испыВ нутр, диаметр вставок, вставок, 2. таний абсолют. относи- абсолют. относизначение, тельное, значение, тельное, дгИ б1/О мм

Снижение т-ры по0,8

0,94

225,5

240

Предлагаемый

Нормальная рабо0,8

192

0,95

228

240 та

192

232,8

240

0,8

192

0,8

192

Конструкция рекуператора трубы, D,мм

240

235,2

240

0,97

0,98

1,00 догрева на

59-70 С

Перекос вставок при монтаже щели между вставками

2003002

14

Продолжение табл.3

Наружный диаметр Внутреннийдиаметр Результаты испытаВ нутр.

Конструкция рекуператора ний вставок, 2 диаметр вставок, 1 трубы, D, мм абсолют. относи- абсолют относи тельное, значение, тельное, значение, б2И

d

240

232,8

0.97

0,7 Нормальная работа

168

204

0,85

232,8 .232,8

0,97

I°

240

0,97

Снижение т-ры подогрева на 50-70 С

0,6

240

144

0,97

240

232,8

216

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 0,50,8 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

Составитель

Техред М.Моргентал

Корректор О.Густи

Редактор

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

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

Заказ 3226

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