АКТИВНЫЙ РЕКУПЕРАТОР
ACTIVE RECUPERATOR

Изобретение относится к теплоутилизирующим устройствам, применяемым для нагрева воздуха (газа) в нагревательных и термических печах различного назначения, и может использоваться в нефтехимической, машиностроительной и металлообрабатывающей промышленности.
Известен рекуператор, описанный в п. РФ №2123639 "Рекуператор", по кл. F23L 15/04, з. 28.06.96, oп. 20.12.98.
Известный рекуператор содержит соосно расположенные наружный и внутренний короба, последний из которых выполнен в виде установленного с возможностью вращения, снабженного лопастями цилиндрического газопроницаемого цилиндра, образующие центральный дымовой и кольцевой газовый (воздушный) каналы с тангенциально расположенными к кольцевому каналу входным и выходным патрубками, при этом лопасти внутреннего короба выполнены в виде винтовых перегородок кольцевого газового (воздушного) канала, а шаг винтовой поверхности перегородок составляет (0,625-0,125)Dт, где Dт - внутренний диаметр внешнего короба.
Недостаток известного рекуператора заключается в том, что он изготовлен из труб с малой активной поверхностью с толщиной стенки трубы не менее 1,5 мм. Малая активная поверхность и большая толщина металла приводит к малой эффективности теплообмена.
Известен рекуператор, описанный в п. РФ №2283988, по кл. F23L 15/04.
Известный рекуператор содержит цилиндрический корпус, выполненный сборным в виде отдельных секций с приваренными к ним разделительными перегородками, обеспечивающими перекрестное движение воздуха и выступающими за пределы корпуса, при отношении диаметра разделительных перегородок к внешнему диаметру корпуса 1,07-1,03. В цилиндрическом корпусе расположен пучок труб, изогнутых под углом 90° и закрепленных в трубных досках, а также диафрагма, разделяющая межтрубное пространство на зоны прямотока и противотока, и воздуховод, соединяющий эти зоны, причем отношение длины пучка труб в зоне противотока к общей длине пучка труб составляет 0,85-0,95.
Недостатком известной конструкции является ее сложность и недостаточная эффективность, обусловленная тем, что в ней используются трубы и значительное количество тепла уходит непосредственно на их нагрев.
Известен трубчатый рекуператор, описанный в одноименном а. с. РФ №919461, по кл. F28D 7/00, F23L 15/04, з. 07.06.79, оп. 15.11.84 и выбранный в качестве прототипа.
Известный рекуператор содержит прямоточную и противоточную секции, размещенные в одном корпусе и разделенные общей трубной доской, в которой равномерно по ее поверхности выполнены перепускные отверстия, причем выход прямоточной секции соединен трубопроводом с входом противоточной секции.
Недостатком данного рекуператора является пониженная эффективность теплообмена между высокотемпературной сажегазовой смесью и поступающим на горение холодным воздухом вследствие большого перетока нагреваемого агента через перепускные отверстия.
Задачей является повышение эффективности теплообмена.
Поставленная задача решается тем, что в активном рекуператоре, содержащем цилиндрический корпус, выполненный сборным в виде отдельных секций с прикрепленными к ним разделительными элементами, обеспечивающими перекрестное движение воздуха, и воздуховоды, согласно изобретению корпус расположен между входами воздуховодов, состоит из трех последовательно расположенных секций, служащих одновременно прямоточными и противоточными для холодного и горячего воздуха и соединенных между собой по центральной оси корпуса валом, к которому в каждой из секций прикреплены разделительные элементы для обеспечения перекрестного движения воздуха, выполненные в виде прилегающих друг к другу по длине секции полых параллелепипедов из металлической фольги, две противолежащие боковые грани которых, выполненные в виде квадратных пластин, расположены таким образом, что в крайних секциях одна из вершин квадрата, лежащих на одной из его диагоналей, перпендикулярной валу, закреплена с натяжением на кольце лабиринтного уплотнения, проходящем у внутренней поверхности корпуса, вторая вершина на этой же диагонали закреплена на разделительной мембране, прикрепленной к валу, вторые вершины квадрата, лежащие на второй его диагонали, параллельной валу, закреплены с натяжением на пружинящих кольцах, прикрепленных к валу спицами, образующими в плоскости, перпендикулярной валу, симметричный относительно оси этой плоскости шестиугольник, и через лабиринтные уплотнения соединены в секциях между собой, две другие противолежащие боковые грани в виде узких прямоугольных пластин прикреплены к квадратным пластинам уже после их указанного крепления с натяжением, образуя полый параллелепипед, а две перпендикулярные первым боковым пластинам противолежащие грани представляют собой отверстия прямоугольной формы, при этом разделительные элементы размещены в соседних рядах таким образом, что прямоугольные грани-отверстия в следующем, соседнем, ряду расположены перпендикулярно относительно грани-отверстия в предыдущем ряду, причем в средней секции вершины «внутренних» ребер, перпендикулярных к валу диагональных плоскостей параллелепипедов соединены с валом через шарикоподшипники, а вершины «наружных» ребер этих же диагональных плоскостей неподвижно прикреплены к внутренней поверхности цилиндрического корпуса, а вершины ребер на диагональной плоскости, параллельной валу, связаны с помощью спиц с шарикоподшипниками, конец вала в первой секции соединен с электродвигателем через редуктор, а сама эта секция связана со входом воздуховода для холодного воздуха через лабиринтные уплотнения, крайние секции являются подвижными, а средняя секция - неподвижной, последняя из секций связана с воздуховодом для подачи теплого воздуха через лабиринтные уплотнения.
Выполнение корпуса из трех секций, крайние из которых, подвижные посредством электродвигателя на осевом стержне цилиндрического корпуса, обеспечивают втягивание в рекуператор холодного и теплого воздуха, а средняя, неподвижная, подготавливает воздух для поступления в следующую секцию, подразряжая поступающий воздух, в совокупности с выполнением разделительных элементов из металлической фольги в виде полых параллелепипедов, размещенных в секциях послойно с перпендикулярным чередованием граней-отверстий для обеспечения перекрестного встречного движения теплого и холодного воздуха, в секциях, служащих одновременно прямоточными и противоточными для холодного и теплого воздуха, соединенных в корпусе указанным выше образом, обеспечивает хороший прогрев холодного воздуха и эффективную работу устройства, т.е. достижение заданного результата. Использование в качестве средства, обеспечивающего движение воздуха, маломощного электродвигателя с редуктором, позволяющим в зависимости от условий эксплуатации изменять число оборотов электродвигателя, дает возможность менять производительность рекуператора.
Технический результат - обеспечение эффективного теплообмена.
Изобретение обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как выполнение корпуса из трех служащих одновременно прямоточными и противоточными и последовательно расположенных секций, крайние из которых подвижны, а средняя неподвижна, выполнение разделительных элементов в секциях в виде полых прямоугольных параллелепипедов из металлической фольги, размещенных в секциях послойно с перпендикулярным чередованием граней-отверстий для обеспечения перекрестного встречного движения теплого и холодного воздуха, соединенных между собой врастяжку вершинами квадратных граней с прикрепленными к ним противолежащими прямоугольными боковыми гранями, образующими полые параллелепипеды, использование в качестве средства задания движения воздуха маломощного электродвигателя с редуктором, обеспечивающих в совокупности достижение заданного результата.
Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемый рекуператор соответствует критерию "изобретательский уровень".
Заявляемый рекуператор может найти широкое применение в теплотехнике, а потому соответствует критерию "промышленная применимость".
Изобретение иллюстрируется чертежами, где показаны на:
- фиг.1 - вид рекуператора в продольном разрезе;
- фиг.2 - вид рекуператора в поперечном разрезе;
- фиг.3 - расположение разделительных элементов в секции;
- фиг.4 - вид в разрезе изометрии части рекуператора;
- фиг.5 - вид в разрезе разделительной мембраны;
- фиг.6 - ступенчатая втулка для крепления спиц на валу;
- фиг.7 - вид лабиринтного уплотнения;
- фиг.8 - кольцо для крепления центровочных спиц и натягивания углов
Рекуператор содержит цилиндрический корпус в виде трубы 1, в котором последовательно расположены секции 2, 3 и 4. Секция 2 соединена через лабиринтные уплотнения с воздуховодом 5 для подачи холодного воздуха и с секцией 3, к которой примыкает секция 4, соединенная с воздуховодом 6 для подачи теплого воздуха. По продольной оси цилиндрического корпуса 1 проходит вал 7, на котором со стороны воздуховода 5 на входе в секцию закреплен электродвигатель 8 через редуктор 9. Секции 2-4 состоят из разделительных элементов 10, размещенных в секциях послойно и прикрепленных к валу 7 и кольцу лабиринтных уплотнений у внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1. Разделительные элементы 10 служат для обеспечения перекрестного движения воздуха и выполнены в виде прилегающих друг к другу по длине секции полых параллелепипедов из металлической фольги, две противолежащие боковые грани 11 которых выполнены в виде квадратных пластин. Эти пластины 11 расположены в крайних секциях 2 и 4 таким образом, что одна из вершин, лежащих на одной из диагоналей квадрата, перпендикулярной валу 7, закреплена с натяжением на кольце 12 лабиринтного уплотнения, проходящем у внутренней поверхности корпуса 1, а вторая вершина на этой же диагонали закреплена на разделительной мембране 13, прикрепленной к валу 7. Вершины, лежащие на второй диагонали квадрата, параллельной валу 7, закреплены с натяжением на пружинящем кольце 14, прикрепленном к валу 7 спицами 15, образующими в плоскости, перпендикулярной валу 7, симметричный относительно оси этой плоскости шестиугольник, и через лабиринтные уплотнения 16 соединены во всех секциях между собой. Две другие боковые грани 17 в виде узких прямоугольных пластин прикреплены к квадратным пластинам 11 уже после их натяжения, а две перпендикулярные им боковые противолежащие грани 18 представляют собой отверстия прямоугольной формы. Разделительные элементы 10 расположены в соседних рядах таким образом, что прямоугольные грани-отверстия 18 в следующем, соседнем, ряду расположены перпендикулярно относительно грани-отверстия 18 в предыдущем ряду. При этом в средней секции 3 вершины «внутренних» (ближних к валу 7) ребер 19, перпендикулярных к валу 7 диагональных плоскостей элементов 10 соединены с валом 7 через шарикоподшипники 20, а вершины «наружных» (отдаленных от вала 7) ребер 21 этих же диагональных плоскостей неподвижно прикреплены к внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1. Вершины граней 11 в средней секции 3, расположенные на диагонали, параллельной валу 7, соединены через лабиринтные уплотнения с вершинами такой же диагонали граней 11 в секциях 2 и 4 и одновременно дополнительно соединены с помощью спиц 22 с шарикоподшипниками 20. Крайние секции 2 и 4 являются подвижными и соединены со своими воздуховодами через лабиринтные уплотнения 16, а средняя секция 3 является неподвижной.
Для изготовления разделительных элементов 10 использована, в частности, медная фольга толщиной 0,1 мм и менее.
Разделительные мембраны 13 выполнены в виде сплошного диска из листового металла и имеют по краю узкие прорези 23 для закрепления в них разделительных элементов 10.
Рекуператор с тремя секциями является законченным узлом. Однако для увеличения производительности количество секций может быть увеличено. Например, к 3-м секциям можно добавить с любой стороны еще 2: одну неподвижную и 1 подвижную. При этом подвижных секций всегда должно быть больше, чем неподвижных.
Рекуператор собирается следующим образом.
Разделительная мембрана 13 (фиг.5) закрепляется на валу сквозной шпилькой или тремя стопорными винтами 24; по периметру всей разделительной мембраны делаются прорези (пропилы) 23, в которые вставляются вершины квадратных пластин 11 из металлической фольги, концы которых или приклеиваются или припаиваются к разделительной мембране 13, а также могут зачеканиваться. Прорези 23 делаются на ширину вставляемого кончика фольги. С прорези 23 фрезой снимают фаски, чтобы не было острой кромки, которая может привести к срезу фольги в процессе работы. Спицы 15 крепятся к валу 7 на промежуточной ступенчатой втулке 25 (фиг.6), в которой по периметру сделаны отверстия 26 с резьбой, в которые завинчиваются спицы 15, имеющие на концах резьбу. Второй конец спицы 15 имеет соединение с кольцом 27, на котором развальцована гайка 28, которая свободно вращаясь, натягивает спицы 15 по периметру и центрирует кольцо 12 относительно вала 7 (как спица у велосипедного колеса). Кольцо 27 имеет П-образный профиль, на нижней и верхней полках 29 которого развальцованы гайки 28 для крепления спиц 15 и между полок 29 вставлены в отверстия обеих полок втулки 30, на концах имеющие меньший диаметр. (Втулки 30 вращаются с большим трением). Втулки 30 имеют профрезерованные вдоль на 3/4 длины узкие прорези шириной чуть больше толщины фольги. (Углы квадратной пластины 11, расположенные параллельно валу 7, вставляются в прорези 31 и поворотом вокруг оси производится предварительное натягивание фольги). Далее в верхней полке кольца 27 в аналогично развальцованных гайках 28 вставляют спицы 15, которые вторым отогнутым на 120° концом прикрепляются к наружному кольцу 12, которое непосредственно связано с кольцом лабиринтного уплотнения. На верхнем кольце 12 также закреплены втулки 30 с прорезями для натягивания перпендикулярной оси к валу 7 углов квадрата. После натягивания втулки 30 проклеиваются или пропаиваются. После того, как все квадратные пластины 11 натянуты в пространстве, промежуточные кольца вдоль вала 7 сдвигаются так, чтобы спицы 15 начали пружинить, и тремя стопорными винтами под 120° стопорятся на валу 7. К кольцам 27, на которых происходит натягивание, точечной сваркой приваривают второе П-образное кольцо 34, но направленное полками наружу - это первая часть лабиринтного уплотнения. На полки этого кольца 34 приклеивается силиконовое уплотнение 32, в этот зазор вставляется П-образное кольцо 35 второй части лабиринтного уплотнения. Вторая часть лабиринтного уплотнения 36 крепится к корпусу воздуховода 1, который центрирован относительно вала 7. Если фольга изготовлена из меди или латуни, то она подвергается цинкованию или никелированию либо хромированию. Если фольга сделана из алюминия, то она используется без гальванического покрытия. Растягивающие втулки 30 (если диаметр рекуператора более 1,5 метров) с прорезями нужно изготавливать иначе: на конец втулки 30 устанавливается шестеренка и к ней пристыковывается винт, имеющий шаг резьбы, равный шагу зуба. Получается червячная передача, которая позволяет очень точно натянуть полотно материала и не допускает самопроизвольного отпускания после того, как все квадратные пластины 11 одной секции натянуты, тогда соседние квадратные пластины 11 (их противоположные стороны) соединяют между собой фольгой. Получается полый параллелепипед 10, у которого противоположные грани 18 представляют собой отверстия, а две другие грани 17 закрыты фольгой. Теперь следующий квадрат 11 соединяем с получившимся параллелограммом, но уже наоборот, соединяем перемычками под 90°, получая соединение из двух параллелограммов, у которых одна стенка общая. С одной стороны воздух может проходить, предположим, холодный, с другой стороны, предположим, теплый. При вращении появляется скатывающая сила, которая с одной стороны снизу затягивает холодный воздух, а с другой теплый воздух; оба этих воздушных потока соприкасаются через тонкую стенку и происходит теплообмен. При вращении все частички воздуха касаются стенок, так как образуется турбулентный поток, за счет этого повышается КПД. Перемычки приклеиваются или припаиваются или привариваются точечной сваркой.
Устройство работает следующим образом.
При вращении секции 2 появляется скатывающая сила, которая выталкивает поступающий из воздуховода 5 холодный воздух вверх и в нижней части появляется разрежение, а в верхней части - повышенное давление. Аналогичным образом, теплый воздух проталкивается вверх и вниз во встречном движении через секцию 4. Все три секции 2-4 являются одновременно прямоточными и противоточными, что улучшает нагрев воздуха; эффективность нагрева повышается также за счет выполнения разделительных элементов 10 из фольги в виде параллелепипедов, прилегающих друг к другу таким образом, чтобы обеспечивать перекрестное движение воздуха.
Промежуточная секция 3 участвует в теплообмене, разрежая воздух и подготавливая его к прохождению в соседнюю секцию, и одновременно направляет воздушные потоки во встречное движение. Две вращающиеся секции 2 и 4 соединены с невращающейся секцией 3 лабиринтными уплотнениями 22. При вращении образуются две зоны: вверху зона высокого давления, внизу - зона разряжения. Элементы 10 в соседних рядах каждой секции, соединенные так, что в них чередуются взаимно перпендикулярно грани-отверстия 18, направляют поток теплого воздуха справа налево, а поток холодного воздуха в противоположную сторону, т.е. слева направо. При вращении электродвигателя 8, а с ним и секций 2 и 4 все частички воздуха касаются стенок разделительных элементов-параллелепипедов 10, то есть образуется турбулентный поток воздуха и улучшается теплообмен. Теплый воздух, выходящий из помещения, согревает холодный воздух, заходящий извне. Разделительные мембраны 13 в крайних секциях 2 и 4 не позволяют смешаться потокам на входе и выходе.
Меняя обороты электродвигателя 8 с помощью редуктора 9, можно менять производительность рекуператора в широких пределах в зависимости от разницы температур внутри помещения и во внешней среде.
В сравнении с прототипом заявляемый рекуперативный теплообменник является более эффективным и экономичным.