ТРУБЧАТЫЙ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЬ
TUBULAR AIR HEATER

Изобретение относится к энергетике, в частности к устройствам для утилизации теплоты уходящих дымовых газов - трубчатым воздухоподогревателям, предназначено для использования в топливосжигающих установках, например в водогрейных и паровых котлах, и направлено на подогрев холодного атмосферного воздуха непосредственно в трубчатом воздухоподогревателе (ТВП).
В технике и, в частности, в энергетике ТВП широко известны и давно применяются в топливосжигающих установках. Конструктивно известные ТВП обычно содержат несколько последовательно включенных по греющей и нагреваемой средам трубчатых теплообменных поверхностей, объединенных в секции, которые в свою очередь составлены из кубов, дутьевой вентилятор для подачи атмосферного воздуха в первую по ходу воздуха секцию подогревателя и калориферную установку для предварительного подогрева всего подаваемого на сжигание атмосферного воздуха с целью защиты теплообменных трубчатых поверхностей нагрева от выпадения из уходящих газов конденсата и последующей коррозии труб. В качестве греющей среды в калориферах используется пар или горячая вода [1]. Для предварительного подогрева воздуха используются также технические системы с использованием рециркуляции необходимых объемов нагретого в ТВП воздуха, в которых рециркулируемая часть нагретого в ТВП воздуха подается в общий поток подводимого атмосферного воздуха и перемешивается с ним для необходимого повышения температуры объединенного потока воздуха перед его поступлением в «холодную» (входную по воздуху) секцию ТВП [2]. Возможна также комбинация этих вариантов технических систем.
Наиболее близким к заявляемому объекту по техническому существу (его прототипом) является известный многоходовой трубчатый воздухоподогреватель [3], в котором в качестве технического средства для подогрева воздуха перед его подачей в воздухоподогреватель установлен теплообменник, для предварительного повышения температуры воздуха выполнена подача части горячего воздуха с выхода воздухоподогревателя на вход воздухоподогревателя, «холодная» по ходу дымовых газов секция воздухоподогревателя выполнена с меньшим проходным сечением по газам.
К причинам, препятствующим достижению технического результата, - обеспечение надежной и эффективной работы воздухоподогревателя посредством исключения выделения конденсата из уходящих дымовых газов при подаче холодного атмосферного воздуха непосредственно в воздухоподогреватель - относятся некоторые из присущих ему недостатков, которые заключаются в следующем. Во-первых, применение теплообменника для предварительного подогрева воздуха усложняет конструкцию воздухоподогревателя, вызывает дополнительные затраты теплоты и приводит к повышению аэродинамического сопротивления воздухоподогревателя по воздушному тракту. Во-вторых, выполнение последней по ходу дымовых газов «холодной» секции с меньшим проходным сечением в соответствии с уравнением сплошности приводит к пропорциональному увеличению скорости газов и согласно выражению для расчета перепада давления при течении потока среды [4] в трубе:
где χ - коэффициент трения; d - внутренний диаметр трубы; l - длина трубы; w - скорость газов;
вызывает увеличение аэродинамического сопротивления воздухоподогревателя по газам.
Повышенное аэродинамическое сопротивление по воздуху и газам требует увеличения мощности вентилятора и дымососа и приводит к возрастанию затрат электроэнергии на дутье и тягу.
Данное изобретение направлено на решение основной задачи - обеспечение надежной и эффективной работы воздухоподогревателя без предварительного подогрева воздуха в теплообменнике при отрицательных температурах атмосферного воздуха, подаваемого непосредственно в ТВП.
Технический результат, который должен быть получен при решении этой задачи и промышленной реализации заявляемого объекта, - сохранение простоты конструкции известных ТВП, скомпонованных из традиционных секций и кубов теплообменных поверхностей, при повышенной надежности таких ТВП в условиях подачи холодного атмосферного воздуха непосредственно в ТВП.
Указанный выше технический результат при осуществлении данного изобретения достигается тем, что в известном ТВП с перекрестным движением теплообменивающихся сред, содержащем последовательно включенные по греющей и нагреваемой среде секции теплообменных поверхностей, собранные из кубов и размещенные в отводящем газоходе топливосжигающей установки, последовательно соединенные по ходу воздуха кубы собраны из труб с последовательно уменьшающейся площадью поперечного сечения для прохода газов в каждом кубе, причем минимальный внутренний диаметр трубы в кубе определяется из условия превышения температуры газов на выходе из куба над температурой точки росы дымовых газов и рассчитывается методом последовательных приближений из выражений:
;
,
где ,  - коэффициент теплопроводности газов и воздуха соответственно; ,  - внутренний и наружный диаметр трубы соответственно; ,  - скорость газов и воздуха соответственно;  - коэффициент кинематической вязкости газов и воздуха соответственно; Pr - число Прандтля соответствующей среды; ΔР - перепад давления газов в кубе ТВП; χ - коэффициент трения газов в трубе; l - длина трубы в кубе;  - плотность газов; ,  - коэффициент теплоотдачи от газов к стенке трубы и от стенки трубы к воздуху соответственно.
Действительно, предлагаемое конструктивное исполнение кубов секций из труб с различным поперечным сечением для прохода дымовых газов позволяет сохранить простую конструкцию аналогичных ТВП и осуществить подогрев всего объема атмосферного холодного воздуха непосредственно в ТВП без предварительного подогрева этого воздуха в калориферах, а это обеспечивает надежную эксплуатации таких ТВП. Выполнение кубов секций из труб с различной площадью поперечного сечения для прохода дымовых газов позволяет установить такую скорость дымовых газов внутри труб, при которой газы не успевают охладиться до низких температур (ниже точки росы) и не происходит выделение конденсата на стенках труб. Изменение температуры газов, протекающих по трубе, описывается уравнением [5],
o
p
где θ - разность температур между газами и воздухом на входе газов в трубу; θ - разность температур между газами и воздухом на выходе газов из трубы; k - коэффициент теплопередачи; u - периметр сечения трубы; l - длина трубы; G - массовый расход газов в трубе; с - теплоемкость газов.
Температура стенки трубы воздухоподогревателя может быть рассчитана и использованием уравнения [6]:
г
в
г
в
где α, α - коэффициент теплоотдачи со стороны газов и воздуха соответственно; t -температура газов на выходе из трубы; t - температура воздуха, омывающего трубу воздухоподогревателя.
Выполнение кубов секции из труб с различной площадью поперечного сечения приводит к перераспределению расхода газов через кубы. Массовый расход газов в трубах с большим поперечным сечением при равенстве перепадов давления газов между входным и выходным давлением в секции в соответствии с выражением (1) увеличивается по сравнению с массовым расходом газов в трубах с меньшим поперечным сечением. Увеличение массового расхода в трубе куба приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи от газов к стенке трубы, а это в соответствии с выражением (2) приводит к повышению температуры газов на выходе из труб куба. А согласно выражению (3) увеличение коэффициента теплоотдачи от газов к стенке трубы и увеличение температуры газов на выходе из трубы приводит к увеличению температуры стенки. Значение коэффициента теплоотдачи от газов к стенке трубы может быть найдено из выражения [7]:
,
г
вн
г
г
где λ - коэффициент теплопроводности газов; d - внутренний диаметр трубы воздухоподогревателя; w - скорость газов в трубе; ν - коэффициент кинематической вязкости; Pr - число Прандтля для газов.
Согласно выражению (1) скорость газов в трубе может быть выражена через перепад давления газов в трубе:
,
в
Значение коэффициента α может быть записано в виде [7]:
.
Устанавливая температуру стенки трубы значением 60°С, из выражения (3) получим выражение, связывающее коэффициенты теплоотдачи с газовой и воздушной сторон:
2
тр
Таким образом, используя выражения (4)÷(7) удается подобрать такое значение площади поперечного сечения трубы, при котором температура стенки трубы принимает значение, исключающее выделение влаги на стенках трубы (температура точки росы чистых водяных паров при парциальном давлении водяных паров Рно=0,01÷0,015 МПа составляет t=45÷54°С [1]). Отсутствие выделения влаги из уходящих дымовых газов на стенках труб кубов при подаче холодного атмосферного воздуха непосредственно в воздухоподогреватель обеспечивает надежную работу воздухоподогревателя. Использование труб с увеличенной площадью поперечного сечения не приводит к росту аэродинамического сопротивления по газам. Следовательно, использование заявляемого ТВП позволяет обеспечить надежную и эффективную работу ТВП.
Проведенный заявителем анализ уровня техники по доступным источникам информации, включающий поиск и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого объекта, не выявил аналогов заявляемого ТВП, характеризующихся всей совокупностью присущих ему существенных (или тождественных им) признаков. Выявленный ближайший аналог заявляемого объекта позволил выделить совокупность существенных по отношению к указанному заявителем техническому результату отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявляемый объект изобретения соответствует условию охраноспособности «новизна».
Проведенный заявителем дополнительный поиск известных решений в этой и в смежных областях техники не выявил известность использования отличительных признаков заявляемого объекта изобретения для решения таких же или аналогичных задач. Это доказывает, что заявляемый объект не вытекает для специалистов явным образом из известного уровня техники.
Поэтому заявляемый объект изобретения соответствует условию охраноспособности «изобретательский уровень».
Поскольку для промышленного осуществления заявляемого объекта отсутствуют препятствия технического, технологического или иного порядка, заявляемый объект изобретения соответствует условию охраноспособности «промышленная применимость».
Сущность изобретения поясняет приведенный ниже конкретный пример его выполнения и чертеж, на котором схематично представлен заявляемый ТВП, однако это не исключает другие варианты промышленной реализации заявляемого объекта в пределах формулы изобретения. Представленный на чертеже ТВП в соответствии с данным изобретением содержит секцию 1 трубчатых теплообменных поверхностей (на чертеже приведена одна секция, но их количество может быть и больше), включенную последовательно в противотоке по воздуху и дымовым газам и установленную в отводящем газоходе 2 топливосжигающей установки. Секция ТВП включает кубы 3, 4, 5, выполненные из труб 6 с различной площадью поперечного сечения. Площадь поперечного сечения труб в кубах рассчитана методом последовательных приближений с использованием выражений (4)÷(7), из условия отсутствия выделения влаги из дымовых газов на стенках труб ТВП. Площадь поперечного сечения труб для прохода газов в первом по ходу воздуха кубе принимает наибольшее значение (используется труба 60×1,5 мм), в последующем по ходу воздуха кубе 4 площадь поперечного сечения труб последовательно уменьшена (труба 50×1,5 мм), в последнем кубе площадь поперечного сечения куба принимает минимальное значение (труба 40×1,5 мм). Указанные особенности конструктивного выполнения заявляемого ТВП определяют и особенность его работы, которая заключается в следующем. «Холодный» атмосферный воздух подается в межтрубное пространство первого по ходу воздуха куба 3, скомпонованного из труб с наибольшей площадью поперечного сечения. Далее воздух последовательно проходит кубы 4 и 5, омывая наружную поверхность труб. Поскольку подвод газов в кубы секции осуществляется из общего газохода, то расход дымовых газов и скорость газов через трубы кубов установится в соответствии с площадью поперечного сечения труб. В кубах, имеющих трубы с большей площадью поперечного сечения, расход и скорость газов будет наибольшей, а в кубах, имеющих трубы с меньшей площадью поперечного сечения, расход и скорость газов будут иметь меньшее значение. Повышенная скорость газов в трубе вызывает увеличение коэффициента теплоотдачи от газов к стенке трубы, а увеличение расхода газов приводит к возрастанию температуры газов на выходе из трубы. В соответствии с выражением (3) в целом это приводит к увеличению температуры газов и температуры стенки трубы. Поскольку на входе в последующие кубы 4,5 температура воздуха будет более высокой, то площадь поперечного сечения труб в этих кубах уменьшена.
Следовательно, заявляемый ТВП обеспечивает решение основной задачи - надежную и эффективную работу трубчатых теплообменных поверхностей нагрева при подаче холодного атмосферного воздуха непосредственно в воздухоподогреватель, с получением указанного технического результата - сохранением простоты конструкции аналогичных известных ТВП.
Источники информации
1. Липов Ю.М, Третьяков Ю.М. Котельные установки. - Москва-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2004, 592 стр.
2. Авторское свидетельство СССР 112827, кл. F23L 15/04, 1957.
3. Патент Российской Федерации RU 22020722 С2, F23L 15/00, 2001 - прототип.
4. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О.Штейнберга. - 3-е перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992, 672 с.
5. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача: Учебник для вузов. - 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1981, 416 с., (стр.150).
6. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод). Под ред. Н.В.Кузнецова и др.: М. Энергия, 1973, 296 стр.
7. Липов Ю.М. и др. Компоновка и тепловой расчет парогенератора. Учеб. пособие для вузов. М.: Энергия, 1975, 176 с.