Дымовсасывающий струйный воздухоподогреватель

 

Устройство относится к теплоэнергетике и может быть использовано при нагревании воздуха, подаваемого на горение теплом дымовых газов в котельных агрегатах и промышленных печах. Техническая задача изобретения - упрощение конструкции, повышение надежности и эффективности работы устройства за счет увеличения скорости теплообмена, снижения металлоёмкости конструкции, снижения аэродинамического сопротивления устройства. Технический результат достигается тем, что дымовсасывающий струйный воздухоподогреватель содержит газоход, полую теплообменную камеру со встроенными в ее ограждения перфорированными досками, закрытыми коробами с входным и выходным патрубками холодного и нагретого воздуха соответственно, отверстия перфорированных досок внутри теплообменной камеры соединены с воздушными соплами и ловушками горячего воздуха, образующими между собой каналы входа горячих и выхода охлажденных дымовых газов. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике, а именно для использования тепла дымовых газов котельных агрегатов и промышленных печей при нагревании воздуха, подаваемого на горение.

Известен воздухоподогреватель, содержащий установленный в газоходе пакет труб, подключенный к коробам холодного и нагретого воздуха, датчики температуры воздуха, регуляторы расхода воздуха, размещенные на входе и выходе воздуха [1].

К недостаткам известного устройства относятся низкая скорость теплообмена между воздухом и дымовыми газами, обусловленная закономерностью теплопередачи через стенку, высокая металлоемкость и громоздкость установки, значительное аэродинамическое сопротивление и быстрая коррозия теплообменных поверхностей.

Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является воздухоподогреватель, содержащий соединенные между собой и примыкающие к газоходу воздушные камеры (полые теплообменные камеры), каждая из которых подключена к своему подающему коллектору (коробу холодного воздуха) через перфорированную перегородку (доску), установленную вдоль рабочей стенки камеры на заданном расстоянии с отверстиями, расположенными в шахматном порядке [2].

Основными недостатками известного устройства являются невозможность использования струйного распределения воздуха для повышения скорости теплопередачи путем непосредственного контакта воздуха с дымовыми газами и их радиационного излучения, а также для снижения вредных примесей в дымовых газах, создание воздушными камерами промежуточного звена между дымовыми газами и системой подачи воздуха, наличие поверхностей теплообмена, что увеличивает металлоемкость и, соответственно, коррозионный износ металла, усложняет конструкцию устройства, увеличивает аэродинамическое сопротивление, снижает его надежность и эффективность.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является упрощение конструкции, повышение надежности и эффективности работы устройства.

Поставленная задача реализуется в дымовсасывающем струйном воздухоподогревателе, содержащем газоход, полую теплообменную камеру, перфорированную доску холодного воздуха, встроенную в ограждение теплообменной камеры и закрытую коробом холодного воздуха, перфорация которой выполнена в виде параллельных направлению движения дымовых газов прямоугольных щелей, соединенных с изогнутыми щелевыми воздушными соплами для подачи холодного воздуха в теплообменную камеру, образующими между собой по всей высоте теплообменной камеры горизонтальные прямоугольные каналы для прохода в нее горячих дымовых газов, установленные в противоположном конце теплообменной камеры напротив каждого сопла по всей се высоте, ловушки горячего воздуха, образованные изогнутыми прямоугольными каналами, соединенными с кромками прямоугольных отверстий, параллельных направлению движения дымовых газов, перфорированной доски горячего воздуха, также встроенной в ограждение теплообменной камеры, закрытой коробом горячего воздуха, и образующими между собой по всей высоте теплообменной камеры горизонтальные прямоугольные каналы для выхода из нее охлажденных дымовых газов в последующий участок газохода.

На чертеже представлен предлагаемый дымовсасывающий струйный воздухоподогреватель (ДВСВП).

ДВСВП содержит газоход 1, полую теплообменную камеру 2, встроенную в ее ограждение перфорированную доску холодного воздуха 3, закрытую коробом холодного воздуха 4 с патрубком 5, прямоугольные щели которой выполнены параллельно направлению движения дымовых газов и с внутренней стороны ограждения камеры 2 соединены с изогнутыми щелевыми воздушными соплами 6, служащими для подачи холодного воздуха в теплообменную камеру 2 и образующими между собой по всей ее высоте горизонтальные прямоугольные каналы 7 для прохода горячих дымовых газов в теплообменную камеру 2, установленные напротив каждого сопла 6 в конце теплообменной камеры 2 по всей ее высоте ловушки горячего воздуха 8, представляющие собой изогнутые каналы прямоугольного сечения, образующие между собой по всей ее высоте горизонтальные прямоугольные каналы 9 для выхода охлажденных дымовых газов из теплообменной камеры 2, причем каналы ловушек 8 соединены с прямоугольными отверстиями, параллельными направлению движения дымовых газов, перфорированной доски горячего воздуха 10, также встроенной в ограждение камеры 2 и закрытой коробом горячего воздуха 11 с патрубком 12.

В основу работы предлагаемого ДВСВП положены свойства свободной затопленной турбулентной струи воздуха, в частности плоской струи, которая распространяясь в направлении истечения, перемешивается в пути на граничной поверхности с окружающей газовой средой, причем перемешивание сопровождается вовлечением в воздушную струю масс газовой среды, сообщением периферийной части газовой среды движения, совпадающего с направлением струи. При этом наряду с перемешиванием граничных слоев воздушной струи и газовой среды происходит интенсивный теплообмен между ними, значительно превышающий скорость теплопередачи через стенку, так как в этом случае отсутствует термическое сопротивление стенки с загрязнениями, конвективный теплообмен осуществляется непосредственно между частицами воздуха и газа и начинает играть существенную роль лучистый теплообмен, что приводит к быстрому выравниванию температуры воздушной струи и газовой среды [3, с.326-339], [4, с.50-60]. Кроме того, частичное смешение нагреваемого воздуха с дымовыми газами и последующее использование полученной смеси для горения позволяет снизить содержание в дымовых газах NO_x и SO_x [5, с.457],

ДВСВП работает следующим образом Дымовые газы при разрежении, соответствующем режиму работы котельного агрегата или промышленной печи, по газоходу 1 через горизонтальные прямоугольные каналы 7 поступают в теплообменную камеру 2, куда также вентилятором высокого давления из патрубка 5 через короб холодного воздуха 4 и воздушные щелевые сопла 6, количество которых выбирают исходя из условия создания устойчивых плоских струй с шагом между ними l, определяемым из условия непересечения двух близтекущих струй, воздух со скоростью, превышающей скорость дымовых газов в несколько раз (20-30 м/с), поступает в теплообменную камеру 2 в виде параллельных плоских струй, делящих теплообменную камеру 2 на вертикальные параллельные призматические секции, выполняющие одновременно функции дымососа и теплообменника, в которых движутся потоки дымовых газов, увлекаемые воздушными струями, длина которых Х определяется из условия непересечения двух близтекущих воздушных струй и, в то же время, обеспечения заданной тепловой дальнобойности струи (т.е. обеспечения нагрева воздуха и охлаждения дымовых газов до заданных температур). Параллельно процессам частичного перемешивания и вовлечения в воздушные струи некоторой части дымовых газов, происходящих в пограничных слоях, ускорения движения периферийной массы газов, непосредственно между частицами воздуха и дымовых газов происходит интенсивный конвективный и лучистый теплообмен и, соответственно, быстрый нагрев воздушных струй и охлаждение потоков дымовых газов, движущихся между ними. Нагретые до требуемой температуры воздушные струи с некоторой примесью дымовых газов, количество которых задается из требуемой рециркуляции, попадают в прямоугольные входные отверстия каналов ловушек горячего воздуха 8, высота которых Н равна высоте теплообменной камеры 2, а ширина δ определяется в зависимости от толщины струи и количества рециркуляционных дымовых газов, откуда через отверстия перфорированной доски 10, короб горячего воздуха 11 и патрубок 12 воздух подают для проведения процесса горения в котельном агрегате или промышленной печи, а охлажденные дымовые газы через горизонтальные каналы 9 поступают в следующий участок газохода 1 со скоростью большей, чем на входе в теплообменную камеру 2, что обусловлено передачей им части энергии воздушных струй и меньшей площадью живого сечения горизонтальных каналов 9.

Таким образом, предлагаемый ДВСВП позволяет за счет отсутствия теплообменных поверхностей резко повысить скорость теплообмена, снизить металлоемкость конструкции, уменьшить количество коррелируемого металла, снизить аэродинамическое сопротивление устройства, улучшить экологические показатели дымовых газов, что, в конечном счете, упрощает конструкцию, повышает надежность и эффективность работы устройства.

Эффективность предлагаемого ДВСВП можно проиллюстрировать следующим примером.

Исходные данные:

Номинальная мощность котельного агрегата N=12 МВт

Расход дымовых газов V_Г=17000 м³/ч

Расход дутьевого воздуха V_в=13000 м³/ч

Температура дымовых газов на входе в ДВСВП t_н=250°C

Температура дымовых газов на выходе из ДВСВП t_у=150°C

Температура воздуха на входе в ДВСВП Θ_н=25°С

Температура воздуха на выходе из ДВСВП Θ_к=135°C

Высота тепловой камеры 2 Н=1,0 м

Размеры выходной щели сопла 6 l=0,02 м

Скорость истечения воздуха из сопла 6 V₀=30 м/с

Решение

Площадь живого сечения сопла 6:

f₀=1,0·0,02=0,02 м².

Расход воздуха через одно сопло 6:

V₁=V₀·f₀;

V₁=30·0,02=0,6 м³/c.

Количество сопел 6:

n=13000/(0,6·3600)=6 шт.

Тепловую дальнобойность воздушной струи (длину тепловой камеры 2) находим из заданных значений температур холодного и нагретого воздуха и горячих и охлажденных дымовых газов по методике [4, с.50-60].

Средняя температура дымовых газов в теплообменной камере 2:

t_ср=(250+150)/2=200°C.

Средняя температура воздушной струи в теплообменной камере 2

Θ_cр=(25+135)/2=80°С.

Средняя избыточная температура (температурный напор) в теплообменной камере 2:

Θ₀=200-80=120°С.

Избыточная температура на входе в ловушку 8:

Θ_x=135-80=55°С.

Тепловая дальнобойность струи (длина теплообменной камеры 2):

где n=2,49 - опытный коэффициент для плоской струи;

2В = ширина щели сопла 6;

X=(2,49²·120²·0,02)/55²=0,6 м.

Проверку тепловой дальнобойности струи на непересечение двух близтекуших струй проводим следующим образом.

Толщину плоской струи на расстоянии Х находим из соотношения [3, т.8.1]:

Т=2·(2,4·а·Х/В₀+1)·В₀,

где а=0,09 - коэффициент турбулентности для плоской струи;

Т=2(2,4·0,09·0,6/0,01+1)·0,01=0,28 м.

Отсюда минимальный шаг между соплами 6 и, соответственно, ловушками 8:

l_min=0,3 м.

Минимальная ширина тепловой камеры 2 ДВСВП:

L_min=6·0,3=1,8 м.

Уточнение ширины L теплообменной камеры 2 и определение ширины ловушек 8 проводят с учетом требуемой концентрации дымовых газов в дутьевом воздухе опытным путем.

Расход металла на изготовление данного ДВСВП (стальной лист толщиной 2 мм) составит 0,5 т, тогда как масса стального трубчатого воздухоподогревателя с соответствующими параметрами на порядок больше [6, с.227].

Источники информации

1. Патент РФ 2170883, М.кл. F 23 L 15/04, 1999.

2. А.С. СССР 964356, М.кл F 23 L 15/04, 1982.

3. А.Д. Альтшуль и др. Гидродинамика и аэродинамика. - М.: Стройиздат, 1987, 415 с.

4. И.А. Шепелев. Аэродинамика воздушных потоков в помещении. - М.: Стройиздат, 1978, 145 с.

5. Г.Н. Делягин и др. Теплогенерирующие установки. – М.: Стройиздат, 1986, 560 с.

6. К.Ф. Роддатис, Я.Б. Соколовский. Справочник по котельным установкам малой производительности. – M.: Энергия, 1975, 368 с.

Формула изобретения

Дымовсасывающий струйный воздухоподогреватель, включающий газоход, полую теплообменную камеру, встроенную в ее ограждение перфорированную доску холодного воздуха, закрытую коробом холодного воздуха, отличающийся тем, что перфорация доски выполнена в виде щелей, параллельных направлению движения воздуха, соединенных с изогнутыми щелевыми воздушными соплами для подачи холодного воздуха в теплообменную камеру, образующими между собой по всей высоте теплообменной камеры горизонтальные прямоугольные каналы для прохода в нее горячих дымовых газов, установленные в противоположном конце теплообменной камеры по всей ее высоте напротив каждого воздушного сопла ловушки горячего воздуха, образованные изогнутыми прямоугольными каналами, соединенными с кромками прямоугольных отверстий, параллельных направлению движения дымовых газов перфорированной доски горячего воздуха, встроенной в ограждение теплообменной камеры и образующими по всей ее высоте горизонтальные прямоугольные каналы для выхода охлажденных дымовых газов из теплообменной камеры в последующий участок газохода.

РИСУНКИ

Рисунок 1