Роторный регенеративный теплообменник
ROTARY REGENERATIVE HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к котельной технике, использует испарительное охлаждение и может быть применено для повышения экономичности газовых котлов и котлов на жидком топливе путем глубокой регенерации тепла из уходящих дымовых газов (ДГ) котла воздухом горения.
Известен роторный регенеративный теплообменник (РРТ) [Резников М.И., Липов Ю.М. Паровые котлы тепловых электростанций. - М.: Энергоиздат, 1981, стр. 172, рис. 19.15]. РРТ включает вертикальный или горизонтально установленный ротор, имеющий теплообменную насадку, выполненную из пакетов гофрированных эмалированных металлических листов, образующих каналы для прохода теплообменивающихся сред -ДГ и воздуха горения (воздуха), заключенный в корпус с подводящими и отводящими патрубками, которые установлены на корпусе по торцам ротора с обеспечением противоточного движения ДГ и воздуха, и подключенный к котлу трактом ДГ и трактом подготовленного воздуха. Переток и смешение ДГ и воздуха минимизируется установкой уплотнений на корпусе в зазорах вплотную к поверхности ротора и за счет разделения теплообменной насадки на несколько секторов листами. Благодаря компактности РРТ широко применяются для регенерации тепла из ДГ. Недостатками данного РРТ является то, что он не может применяться для передачи энергии между влаго- и теплообменивающимися средами (ВТС), ДГ и воздухом горения с использованием теплоты конденсации паров влаги из ДГ.
Наиболее близким, принятым за прототип, является РРТ подключенный к котлу трактом ДГ и трактом подготовленного воздуха [Патент РФ №2101620, F23L 15/02]. РРТ включает вертикальный ротор, имеющий обменную насадку с каналами для прохода ВТС (ДГ и воздуха горения), заключенный в корпус с подводящими и отводящими патрубками, которые установлены на корпусе по торцам ротора с обеспечением противоточного движения ВТС, и над подводящим патрубком ДГ расположены разбрызгивающие устройства. РРТ по ДГ может устанавливаться под предвключенным теплообменником, который охлаждается сетевой водой, при этом образующийся в нём конденсат и влага из разбрызгивающего устройства орошают обменную насадку, постоянно поддерживая водяную пленку на её поверхности. ДГ охлаждаются сетевой водой до температуры точки росы и ниже в предвключенном теплообменнике. Затем в РРТ водяной пар конденсируется с выделением теплоты конденсации, которая передается через обменную насадку путем испарения влаги в поток воздуха. Секционирование и установка уплотнений в зазорах над ротором минимизируют переток и смешение ВТС.
Недостатком прототипа является низкая эффективность передачи энергии между ВТС. Разбрызгивание воды в поток ДГ перед РРТ приводит к их быстрому переохлаждению с бесполезной потерей тепла на испарение воды, и это резко снижает температурный напор, обеспечивающий эффективный перенос энергии между ВТС. Во вторых, для поддерживая пленки воды на поверхности обменной насадки требуется вода и тщательная настройка её разбрызгивания. Для работы предвключенного теплообменника необходима холодная сетевая вода с температурой ниже температуры точки росы, но в этом случае легко обеспечить прямой отвод теплоты конденсации паров влаги к сетевой воде в обычном теплообменнике.
В основе предлагаемого изобретения лежит вопрос обеспечения глубокой регенерации тепла с конденсацией паров влаги из потока ДГ за счет их энергоемкого испарительного охлаждения потоком воздуха, и задачей изобретения является повышение эффективность передачи энергии между ВТС.
Решение этой задачи, согласно изобретению, достигается благодаря тому, что в РРТ, который включает ротор, имеющий обменную насадку с каналами для прохода ВТС, заключенный в корпус с подводящими и отводящими патрубками, которые установлены на корпусе по торцам ротора с обеспечением противоточного движения ВТС, и разбрызгивающие устройства, подключенный к котлу трактом ДГ и трактом подготовленного воздуха, предлагается обменную насадку выполнить из удерживающей воду проницаемой структуры, в которой расположены каналы подогрева воздуха (КПВ), подключенные на противоположных сторонах корпуса к воздухозаборному устройству и подводящему патрубку воздуха.
Применение РРТ создает встречно-чередующееся прохождение потоков ВТС и влаго- и теплообмен между ВТС, при этом обменная насадка из удерживающей воду проницаемой структуры обеспечивает удержание влаги на поверхности влаго- и теплопередачи без необходимости её орошения водой, что повышает эффективность передачи энергии между ВТС.
Холодный воздух, входя в обменную насадку со стороны теплых ДГ в КПВ сначала подогревается, воспринимая теплоту, чем усиливает интенсивность конденсации и извлечение энергии из ДГ. Затем, на другой стороне ротора, этот воздух в КПВ охлаждается, усиливая интенсивность испарения влаги в воздух, обеспечивая более интенсивное испарительное охлаждение объёма обменной насадки. Далее воздух входит через подводящий патрубок воздуха в обменную насадку и движется противоточно ДГ, интенсивно увлажняется и нагревается от обменной насадки и КПВ.
В итоге применение КПВ в предлагаемом РРТ обеспечивает дополнительный перенос энергии между ВТС потоком воздуха, который перемещается по КПВ, создавая более интенсивное испарительное охлаждение влажной обменной насадки с заявляемым энергоемким испарительным охлаждением ДГ. Соответственно обеспечивается повышенная эффективность передачи энергии между ВТС и глубокая регенерация тепла с конденсацией из ДГ паров влаги потоком воздуха. Ротор может быть установлен вертикально, горизонтально или с наклоном, что упрощает компоновку РРТ в котле.
В дополнительном п. 2 предложено установить в тракте подготовленного воздуха сбросной клапан. Это простое техническое решение позволяет за счет подачи избыточного воздуха заметно увеличить расходную теплоемкость потока воздуха, усилить регенерацию тепла из ДГ и эффективность РРТ с подачей через сбросной клапан подогретого избыточного воздуха для воздушного отопления помещений, в том числе помещений котельной.
В дополнительном п. 3 предложено использовать РРТ с вертикальным ротором и над торцевым подводящим патрубком отвода ДГ предложено установить разбрызгивающее устройство и предвключенный теплообменник, но в отличие от прототипа применить воздухоподогреватель, например, трубчатый, секционированный по потокам воздуха, подключенный с одной стороны к тракту дымовых газов, а с другой к потокам воздуха: одной секцией к потоку подготовленного воздуха между отводящим патрубком воздуха и трактом подготовленного воздуха, а другой к потоку воздуха между воздухозаборным устройством и КПВ, причем к КПВ со стороны патрубков воздуха.
При этом в трубчатый воздухоподогреватель на охлаждение ДГ в выделенные секции поступают два потока воздуха. Первый поток - это воздух, воспринявший энергию в РРТ, достаточно холодный воздух с высокой теплоемкостью из-за его насыщения парами воды и второй поток - это холодный воздух, поступающий из воздухозаборного устройства. Общий расход и расходная теплоемкость этих потоков воздуха примерно в два раза выше, чем у ДГ. Это позволяет организовать предварительное эффективное и глубокое охлаждение входящих ДГ с регенерацией тепла и конденсацией из них паров влаги, причем без использования типично недоступной холодной сетевой воды с температурой ниже температуры точки росы. Горячий воздух поступает в РРТ через КПВ, причем со стороны патрубков воздуха, поэтому здесь воздух интенсивно охлаждается через стенки КПВ и передает энергию на испарение влаги из обменной насадки в поток воздуха, идущего на горение с еще большей интенсивностью.
Расположение разбрызгивающего устройства и воздухоподогревателя над торцевым подводящим патрубком отвода ДГ обеспечивает свободное стекание конденсата в ротор. Разбрызгивание конденсата через разбрызгивающее устройство позволят дополнительно повысить интенсивность испарительного охлаждения за счет периодической промывки РРТ от грязи, очистки и восстановления рабочей поверхности обменной насадки.
Дополнительно в п. 4 предлагается в нижней части корпуса РРТ установить поддон, подключенный к дренажу и через насос к разбрызгивающему устройству, служащий для сбора выделяющегося конденсата и его использования при промывке РРТ, и это повышает эффективность РРТ.
Дополнительно в пп. 5-7 предлагаются технические решения по конструкции обменной насадки и повышению эффективности её работы. В п. 5 предложен вариант конструкций обменной насадки из неупорядоченной структуры, которая расположена между КПВ, например, из засыпки капиллярно-пористых частиц, слоев сеток, слоев волокон (проволоки и стружки из нержавеющей стали или нитей пластика) и их комбинаций. За счет большой удельной поверхности и высокой влагоудерживающей способности она обеспечивает поддержание влажности и эффективный влаго- и теплоперенос. Обменная насадка согласно п.6 также может выполняться из создающих турбулизацию потоков, пакетов гофрированных листов с поглощающим влагу покрытием. При этом обменная насадка разделена на секторы с помощью КПВ, которые образуются за счет перекрытия на торцах ротора пар установленных рядом пластин. В п. 7 предложено повысить эффективность работы обменной насадки путем равномерного расположения в ней КПВ за счет изгиба КПВ, щелевых, щелевых волнистых и трубчатых, по спирали и благодаря эквидистантному расположению КПВ.
Дополнительно в п. 8 предложено разделить КПВ на несколько ходов, сообщающихся на периферии ротора и вблизи вала, а последний ход выполнить, объединяющим ходы на стороне ДГ и воздуха за счет их соединения через окружающую вал ротора полость. При этом воздухозаборное устройство предложено подключить непосредственно около патрубка выхода ДГ противоточно, с организацией многократно перекрестного противоточного движения воздуха в КПВ по отношению к потокам ДГ и воздуха в обменной насадке, начиная от подводящего патрубка ДГ и до подводящего патрубка воздуха с обеспечением максимального температурного напора. Воздух проходит, перемещаясь с нагреваемой стороны ротора на охлаждаемую, нагревается и отнимает от ДГ тепло, конденсирует из них влагу и затем с высокой эффективностью передает энергию воздуху, испаряя в поток влагу и нагревая его.
Дополнительно в п. 9 предложено разделить КПВ по длине ротора перегородками на несколько сквозных ходов, сообщающихся на периферии ротора. Такое техническое решение даёт многократно перекрестную схему движения воздуха в КПВ. Перемещаясь с одной стороны ротора на другую, воздух в КПВ многократно нагревается, отнимая от ДГ тепло и конденсируя в них влагу. Затем он переносит и передает эту энергию воздуху, испаряя в него влагу, нагревая его, и охлаждаясь для повторного цикла. Многократное повторение этого процесса в каждом ходе действует дополнительно к переносу энергии обменной насадкой, существенно повышая общую интенсивность рекуперации энергии.
Оба технических решения пп. 8 и 9 повышают интенсивность переноса энергии между ВТС, увеличивают охлаждение ДГ, увлажнение и нагрев подаваемого воздуха и в целом эффективность регенерации тепла из ДГ.
На фиг. 1-3 приведены схемы вариантов конструкции предлагаемого устройства. На фиг. 1 дан вариант РРТ со сквозным многократно перекрестным движением воздуха в КПВ. На фиг. 2 показан вариант РРТ с перекрестно противоточным движением воздуха в КПВ по отношению к ВТС при его подключении к котлу через воздухоподогреватель. На фиг. 3 показан вариант исполнения ротора с равномерно распределенными КПВ в объёме обменной насадки за счет изгиба КПВ по спирали и их эквидистантного расположения.
РРТ 1, фиг. 1 и 2, включает закрепленный на вращающемся валу 2 ротор 3, заключенный в корпус 4 с уплотнениями 5 зазоров между корпусом 4 и ротором 3 по периметру примыкания подводов и отводов ВТС и воздуха к ротору. Сверху и снизу на корпусе 4 по торцам ротора 3 с одной стороны установлены подводящий и отводящий патрубки 6 и 7 ДГ. Диаметрально, с другой стороны ротора, подключены подводящий и отводящий патрубки 8 и 9 воздуха с обеспечением противоточного движения ВТС.
Подводящий патрубок 6 ДГ подключен к котлу 10 трактом 11 ДГ напрямую, фиг. 1, или через трубчатый воздухоподогреватель 12, фиг. 2. Отводящий патрубок 9 воздуха трактом 13 подготовленного воздуха соответственно может быть подключен к котлу 10 также напрямую или через трубчатый воздухоподогреватель 12, который служит для охлаждения ДГ двумя потоками воздуха, и соответственно он конструктивно разделен на две секции или два блока. При этом первая из секций подключена с одной стороны к отводящему патрубку 9 воздуха и выходом к тракту 13 подготовленного воздуха, а вторая выходом соединена с РРТ 1 каналом 14 горячего воздуха.
В тракте 13 подготовленного воздуха имеется клапан 15 сброса подготовленного воздуха для возможности отвода избыточного воздуха на отопление помещений. Подача избыточного воздуха, причем через обе секции воздухоподогревателя и РРТ 1, существенно увеличит отвод тепла от ДГ. Воздухоподогреватель 12 может быть конструктивно разделен на секции и по потокам ДГ с установкой на входе ДГ регулирующих шиберов 16 и 17. Для побуждения движения ВТС установлены вентилятор 18 и дымосос 19.
Ротор 3, фиг. 3, набирается из секций обменной насадки, которая выполняется из удерживающей воду проницаемой структуры 20, образующей естественным образом каналы для прохода ВТС и из КПВ 21. Конструкции КПВ 21 могут выполняться в виде уложенных в радиальном направлении трубок и/или делящих обменную насадку на секции вертикальных щелевых каналов, образованных из перекрытых по торцам пар плоских либо гофрированных пластин. При этом для лучшего теплообмена дополнительно КПВ 21 могут быть равномерно распределены в обменной насадке за счет их изгиба по спирали с их эквидистантным расположением, фиг. 3.
По принципу действия РРТ 1 воздух в КПВ 21 со стороны подключения ДГ должен нагреваться, охлаждая ДГ, а с другой стороны охлаждаться, повышая интенсивность испарительного охлаждения. Соответственно в варианте РРТ 1 без воздухоподогревателя, фиг. 1, воздухозаборное устройство 22 подключено к КПВ 21 со стороны патрубков 6 и 7 ДГ, и поступающий холодный воздух сначала подогревается. В варианте с воздухоподогревателем 12, фиг. 2, канал 14 горячего воздуха подключен к КПВ 21 со стороны отводящего и подводящего патрубков 9 и 8 патрубков воздуха.
КПВ 21 выполняются одноходовыми или могут разделяться перегородками 23 на несколько ходов 24, и для удобства иллюстрации этого на фиг. 1 и 2 ротор 3 показан на сечениях, которые проходят через КПВ с указанием направления движения воздуха в КПВ стрелками. На фиг. 1 КПВ 21 по высоте ротора 3 разделены перегородками на несколько сквозных ходов 24, сообщающихся на периферии ротора и объединяющихся за счет их подключения через окружающие вал ротора полости 25. Такое техническое решение даёт многократно перекрестную схему движения воздуха в КПВ по отношению к ВТС с многократным переносом воздухом энергии от ДГ к увлажняемому воздуху, обеспечивая этим многократный перенос энергии на испарительное охлаждение. Во втором варианте предложено выделить три и более нечетное число ходов 24, фиг. 2, сообщающихся на периферии ротора 3 и вблизи вала 2, причем последний ход выполняется объединяющим ходы на стороне ДГ и воздуха за счет их подключения через окружающую вал ротора полость 25. При этом создается схема с перекрестно противоточным движением воздуха, которая дает максимальный температурный напор.
Выход из КПВ подключен к каналу 26 переброса воздуха и далее к входному патрубку 8 воздуха, причем он выполняется со стороны ДГ, ближе к входному патрубку 6 ДГ, в зоне максимального нагрева воздуха от ДГ. В итоге над входным патрубком 8 воздуха удерживающая воду проницаемая структура 20 обогревается от КПВ и через неё проходит нагретый, соответственно сухой воздух. Это обеспечивает условия для интенсивного испарительного охлаждения влажной обменной структуры КПВ и проходящих здесь потоков воздуха с поглощением энергии отводимым по тракту 13 подготовленным воздухом.
В нижней части корпуса 4 РРТ 1 установлен поддон 27 для сбора выделяющегося конденсата, подключенный к дренажу 28 и водопроводом через насос 29 к разбрызгивающему устройству 30 с обеспечением простой схемы для периодической промывки РРТ образующимся избытком конденсата.
При работе РРТ 1 ротор 3 вращается вместе с валом 2. При этом в обменной насадке, благодаря применению удерживающей воду проницаемой структуры 20, удерживается выделяющийся при работе РРТ 1 конденсат. Через обменную насадку через установленные на корпусе 4 с одной стороны сверху подводящий и снизу отводящий патрубки 6 и 7 проходят и охлаждаются ДГ, а с другой стороны, снизу, через подводящий и отводящий патрубки 8 и 9 противоточно движется воздух. Перетечки и смешивание потоков воздуха и ДГ в РРТ 1 минимизируются за счет установленных в зазорах между корпусом 4 и ротором 3 по периметру примыкания подводящих и отводящих патрубков ВТС и воздуха уплотнений 5.
ДГ поступают из котла 10 по тракту 11 ДГ и подаются дымососом 19 в подводящий патрубок 6, напрямую, фиг. 1, или через трубчатый воздухоподогреватель 12, фиг. 2. Воздух с воспринятой энергией и влагой выходит из РРТ 1 через отводящий патрубок 9 и вентилятором 18 подается на горение по тракту подготовленного воздуха 13 в котел 10 непосредственно, фиг. 1, или через соответствующую секцию трубчатого воздухоподогревателя 12, фиг. 2.
В соответствии с принципом действия РРТ 1 воздух в КПВ 21 нагревается на стороне ДГ, охлаждая ДГ с конденсацией паров влаги, а на другой стороне охлаждается воздухом с испарительным охлаждением. Соответственно в варианте РРТ 1, фиг. 1, воздух из воздухозаборного устройства 22 поступает в КПВ 21 со стороны патрубков 6 и 7 ДГ и сначала подогревается. В варианте с воздухоподогревателем 12, фиг. 2, по каналу 14 горячего воздуха подается горячий воздух, и он вводится в КПВ 21 со стороны отводящего и подводящего патрубков 9 и 8 патрубков воздуха для передачи тепла на испарительное охлаждение. После прохождения каналов 24, которые образованы перегородками 23 и соединены через окружающие вал ротора полости 25, воздух выходит из КПВ 21, причем в горячей зоне, около патрубка входа 6 ДГ, и подается по каналу 26 переброса воздуха в подогретом виде через подводящий патрубок 8 воздуха на испарительное охлаждение.
Особенностью работы воздухоподогревателя 12, который конструктивно разделен на две секции или два блока, является охлаждение ДГ двумя потоками воздуха: достаточно холодным воздухом с высокой теплоемкостью из-за его насыщения парами воды, воспринявшим энергию в РРТ, поступающим из отводящего патрубка 9 воздуха, и потоком холодного воздуха, поступающим из воздухозаборного устройства 22. Так как общий расход и расходная теплоемкость потоков воздуха примерно в два раза выше, чем у ДГ, то и понижение температуры в ДГ больше, чем в воздухе примерно в два раза, поэтому ДГ эффективно и глубоко охлаждаются с регенерацией тепла и конденсацией из них паров влаги. При этом регулирующие шиберы 16 и 17 позволяют управлять распределением потока ДГ по секциям с установкой режима максимального отвода тепла из ДГ.
РРТ 1 также может работать с подогревом и подачей избыточного воздуха на воздушное отопление котельной и других помещений через клапан 15 сброса избыточного воздуха. Подача избыточного воздуха, через РРТ 1 и обе секции воздухоподогревателя существенно увеличит отвод тепла от ДГ.
Избыток выделяющегося конденсата собирается в поддоне 27, установленном в нижней части корпуса 4 РРТ 1. Он выводится через дренаж 28 и может использоваться для подпитки котла как обессоленная вода. Кроме того, конденсат может подаваться насосом 29 к разбрызгивающему устройству 30, что позволят дополнительно повысить интенсивность испарительного охлаждения за счет периодической промывки РРТ от грязи, очистки и восстановления рабочей поверхности обменной насадки.
Процесс передачи энергии между ВТС в роторе усложнен фазовыми переходами и процессами массообмена. Благодаря вращению ротора 3 в обменной насадке создается встречно-чередующееся прохождение потоков ВТС и влаго- и теплообмен между ВТС, сопровождающийся периодическим нагревом и охлаждением насыщенной образующимся конденсатом проницаемой структуры 20. С одной стороны ротора 3 подогретая от ДГ проницаемая структура 20 охлаждается с испарительным охлаждением и восприятием тепла и паров влаги потоком воздуха. На другой стороне идет обратный процесс, тепло отводится из ДГ за счет их охлаждения и при снижении температуры ДГ ниже точки росы также и с восприятием теплообменной структурой теплоты конденсации паров влаги и конденсата. При этом важную роль в обеспечении глубокой регенерации тепла с конденсацией паров влаги из потока ДГ за счет организации энергоемкого испарительного охлаждения ДГ потоком увлажняемого воздуха играет перенос энергии от ДГ на испарительное охлаждение воздухом, протекающим через КПВ 21. Воздух, как и структура 20, имеющая высокую теплоемкость, входя со стороны более теплых ДГ в КПВ 21, сначала подогревается, воспринимая теплоту и усиливая интенсивность конденсации, извлекает энергию из ДГ. Затем, на другой стороне ротора 3, этот воздух в КПВ 21 совместно с проницаемой структурой 20 охлаждается, усиливая интенсивность испарения влаги и обеспечивая более интенсивное испарительное охлаждение объёма обменной насадки и протекающего через неё воздуха.
На заключительном этапе воздух входит в обменную насадку через подводящий патрубок 8 воздуха по каналу 26 переброса из КПВ 21, причем со стороны ДГ в подогретом и соответственно сухом виде, и этим обеспечивается повышенная интенсивность испарения влаги. В итоге тепло ДГ регенерируется в РРТ 1 и возвращается в котел с воздухом горения.
Одноходовая перекрестная схема, фиг. 3, прохода воздуха через КПВ 21 проста, но в работе неэффективна. В варианте использования КПВ 21 с несколькими сквозными ходами 24, фиг. 1, поток воздуха движется с одной стороны ротора 3 на другую между перегородками 23 и через окружающие вал ротора полости 25, разворачиваясь на периферии ротора 3. Работа по этой многократно перекрестной схеме по отношению к ВТС обеспечивает многократный перенос энергии от ДГ на испарительное охлаждение воздуха. Во втором варианте, фиг. 2, используется схема с перекрестно противоточным движением воздуха в КПВ 21 по отношению к ВТС, которая дает максимальный температурный напор, который также усиливает эффективность регенерации тепла с переносом энергии от ДГ к воздуху.
В сравнении с прототипом, в предлагаемом устройстве применяется удерживающая воду проницаемая структура 20, обеспечивается удержание влаги и насыщение влагой поверхности влаго- и теплопередачи без необходимости её орошения водой, используется перенос энергии между ВТС воздухом через многоходовые КПВ 21, может подаваться избыточный воздух и устанавливаться секционированный воздухоподогреватель с двойным потоком воздуха, что существенно увеличивает его расходную теплоемкость. Всё это по отдельности и в совокупности обеспечивает повышение эффективности передачи энергии между ВТС с глубокой регенерацией тепла и конденсацией паров влаги из потока ДГ за счет их энергоемкого испарительного охлаждения потоком воздуха.