КОНТАКТНЫЙ СТРУЙНЫЙ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЬ
CONTACT JET HEATER

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к использованию тепла дымовых газов котельных агрегатов и промышленных печей при нагреве воздуха, подаваемого на горение.
Известен дымовсасывающий струйный воздухоподогреватель, который содержит газоход, полую теплообменную камеру, короб холодного воздуха, соединенный с патрубками с щелевыми воздушными соплами, служащими для подачи холодного воздуха в теплообменную камеру и образующими между собой по всей ее высоте горизонтальные прямоугольные каналы для прохода горячих дымовых газов в теплообменную камеру, установленные напротив каждого сопла в конце теплообменной камеры по всей ее высоте ловушки горячего воздуха, соединенные с патрубками и коробом горячего воздуха [1].
Основным недостатком известного воздухоподогревателя является невозможность повышения температуры нагреваемого воздуха без значительного подмешивания дымовых газов, что снижает эффективность его работы.
Более близким к предлагаемому изобретению является устройство, содержащее газовый короб, с размещенной в нем тепловой камерой, в начале которой от коллектора холодного воздуха через днище пропущены патрубки холодного воздуха, заканчивающиеся щелевыми соплами холодного воздуха, размещенными параллельно друг к другу и направленными в сторону движения дымовых газов, устроенные соосно напротив каждого сопла холодного воздуха, промежуточные ловушки-конфузоры, заканчивающиеся промежуточными щелевыми соплами, а в конце газового короба помещен ряд ловушек горячего воздуха, размещенных аналогично промежуточным ловушкам-конфузорам и соединенных через патрубки горячего воздуха с коллектором горячего воздуха [2].
К недостаткам известного устройства относятся наличие значительного перемешивания воздушных струй с дымовыми газами при входе их в промежуточные ловушки конфузоры, обусловленное, в основном, сжатием потока дымовых газов в этом сечении, что ограничивает возможность дальнейшего повышения температуры дутьевого воздуха, увеличивает шаг в поперечных рядах между щелевыми соплами, промежуточными ловушками-конфузорами и ловушками горячего воздуха, увеличивая габариты короба и, таким образом, снижает эффективность работы устройства.
Техническим результатом изобретения является уменьшение перемешивания газового и воздушного потоков в сечениях входа воздушных струй в промежуточные ловушки-конфузоры, что позволяет увеличить температуру нагрева воздуха без дополнительного подмешивания дымовых газов, уменьшить габариты воздухоподогревателя и повысить эффективность его работы
Технический результат достигается тем, что предлагаемый контактный струйный воздухоподогреватель содержит газовый короб, образующий тепловую камеру, соединенную с газоходом, в начале которой через верхнюю стенку пропущены патрубки холодного воздуха, соединенные с одного торца с коллектором холодного воздуха и воздуховодом, а с другого заканчивающиеся щелевыми соплами холодного воздуха, размещенными параллельно друг к другу и направленными в сторону движения дымовых газов; устроенные соосно напротив каждого сопла холодного воздуха, промежуточные ловушки-конфузоры, заканчивающиеся промежуточными щелевыми соплами; в конце газового короба ловушки горячего воздуха, размещенные напротив промежуточных ловушек-конфузоров и соединенных через патрубки горячего воздуха с коллектором горячего воздуха и воздуховодом, причем длина L сопел каждого продольного ряда равна расстоянию между ними по продольной оси X, в свою очередь, равной расчетной длине воздушной струи, все сопла размещены в коробе в шахматном порядке таким образом, что их выходные щели в каждом продольном ряду смещены относительно выходных щелей сопел соседнего ряда на расстояние X.
Устройство и принцип действия контактного струйного воздухоподогревателя приведено на фиг.1-5.
Контактный струйный воздухоподогреватель содержит: короб 1, соединенный с газоходом 2, в начале которого от коллектора холодного воздуха 3, соединенного с воздуховодом 4, через верхнюю стенку пропущены патрубки холодного воздуха 5, заканчивающиеся щелевыми соплами холодного воздуха 6, размещенными параллельно друг к другу и направленными в сторону движения дымовых газов; устроенные соосно напротив каждого сопла холодного воздуха 6, промежуточные ловушки-конфузоры 7, заканчивающиеся промежуточными щелевыми соплами 8; помещенный в конце газового короба 1 ряд ловушек горячего воздуха 9, размещенных аналогично промежуточным ловушкам-конфузорам 7 и соединенным через патрубки горячего воздуха 10 с коллектором горячего воздуха 11 и воздуховодом 4, причем длина L сопел 6 и 8 каждого продольного ряда равна расстоянию между ними по продольной оси X, в свою очередь, равной расчетной длине воздушной струи, сопла 6 и 8 размещены в коробе в шахматном порядке таким образом, что выходные щели сопел 6 и 8 каждого ряда смещены относительно выходных щелей сопел 6 и 8 соседнего ряда на расстояние X.
x
x
В основу работы предлагаемого контактного струйного воздухоподогревателя положены свойства затопленной турбулентной плоской струи воздуха, которая, распространяясь в направлении истечения, перемешивается 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 и конвективный теплообмен осуществляется непосредственно между частицами воздуха и газа, а также 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 воздуха с дымовыми газами и последующее использование полученной смеси для горения позволяет уменьшить содержание в дымовых газах NO и SO [5, с.457]. Для уменьшения перемешивания воздушной струи с дымовыми газами с одновременным обеспечением высокой температуры ее нагрева используется повторное сжатие одной и той же воздушной струи, что позволяет снизить градиент скорости на оси струи и, соответственно, примеси дымовых газов в ней [6, с.378].
Предлагаемый контактный струйный воздухоподогреватель работает следующим образом. Дымовые газы при разрежении, соответствующем режиму работы котельного агрегата или промышленной печи через газоход 2 поступают в газовый короб 1, куда также вентилятором высокого давления по коллектору холодного воздуха 3 из воздуховода 4 через входные патрубки 5 из щелевых сопел 6, количество которых выбирается, исходя из условия создания устойчивых плоских струй, со скоростью воздуха достаточной для последующих сжатий и образования повторных струй, воздух подают в виде параллельных плоских струй, нагреваемых со всех сторон движущимися дымовыми газами, увлекаемыми этими струями, которые далее попадают в промежуточные ловушки-конфузоры 7. При этом в пограничных слоях струй и спутного потока дымовых газов происходит частичное перемешивание и вовлечение в воздушные струи некоторой части дымовых газов, интенсивный конвективный и лучистый теплообмен между дымовыми газами и воздухом и, соответственно, быстрый нагрев воздушных струй и охлаждение дымовых газов. Нагретые до промежуточной температуры и частично смешанные с дымовыми газами, воздушные струи в промежуточных ловушках-конфузорах 7, расстояние до которых Х определяется, исходя из условий обеспечения достаточной кинетической энергии струи для повторного сжатия и истечения повторных струй при заданном промежуточном смешении и соответствующей ему температуре нагрева, сжимаются и истекают из промежуточных сопел 8 в виде повторных плоских струй. При этом площади входных сечений ловушек-конфузоров 7 должны соответствовать заданному расходу воздуха при скорости струи на расстоянии от сопла X, а площади сечений промежуточных сопел 8, созданию устойчивых повторных плоских струй со скоростью воздуха меньшей первоначальной струи, но достаточной для последующего сжатия и истечения, которые взаимодействуют с дымовыми газами аналогично вышеописанному. Нагретые до требуемой температуры воздушные струи с некоторой примесью дымовых газов, количество которых задают из требуемой рециркуляции, попадают в прямоугольные входные отверстия ловушек горячих струй 9, расположенных аналогично ловушкам-конфузорам 7, с площадью, соответствующей расходу горячего воздуха при скорости входа струи в ловушки 9, откуда через выходные патрубки 10, коллектор горячего воздуха 11, воздух подают в воздуховод 4 для проведения процесса горения в топку котельного агрегата или промышленную печь, а охлажденные дымовые газы выходят из газового короба 1 в газоход 2.
1
2
Шахматный порядок размещения в коробе 1 сопел 6 и 8 с длиной L=Х, входных сечений ловушек 9, продольное расстояние между ними и смещение выходных щелей сопел 6 и 8 по продольным рядам относительно соседнего ряда на значения, равные также Х, обеспечивают одинаковое сечение спутного потока дымовых газов на выходе из сопел 6 и 8 и входе в сопла 8 (f=f) и далее по всей длине аппарата, кроме периферийных зон (фиг.5) и, таким образом, предотвращают турбулизацию и связанное с этим явлением дополнительное перемешивание дымовых газов с воздухом в поперечных сечениях на входе в сопла-ловушки 7. Это позволяет увеличить температуру нагрева дутьевого воздуха без дополнительного подмешивания в него дымовых газов и уменьшить ширину аппарата.
Таким образом, предлагаемый контактный струйный воздухоподогреватель позволяет уменьшить перемешивание газового и воздушного потоков с одновременным увеличением температуры нагрева воздуха, уменьшить габариты аппарата и увеличить эффективность его работы.
Литература
1. Пат. России №2230258, М.кл. F23L 15/04, 2002.
2. Пат России №2294487, М.кл. F23L 15/04, 2007.
3. А.Д.Альтшуль и др. Гидродинамика и аэродинамика. - М.: Стройиздат, 1983, 415 с.
4. И.А.Шепелев. Аэродинамика воздушных потоков в помещении. - М.: Стройиздат, 1978, 145 с.
5. Г.М.Делягин и др. Теплогенерирующие установки. - М.: Стройиздат, 1986, 560 с.
6. Г.Н.Абрамович. Прикладная газовая динамика. - М.: Наука, 1976, 888 с.