СТРУЙНЫЙ СЕКЦИОННЫЙ РЕКУПЕРАТОР ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ БАРАБАННОГО ХОЛОДИЛЬНИКА
JET SECTIONAL HEAT EXCHANGER FOR COOLING A ROTATING DRUM COOLER

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к устройствам для охлаждения вращающихся барабанных холодильников, работающих, как правило, вместе с обжиговыми вращающимися печами. Целью изобретения является повышение эффективности утилизации теплоты обжигаемого материала и снижение расхода энергоносителя.
Создание турбулентных потоков вблизи поверхности, через которую осуществляется теплоперенос, является наиболее перспективным и эффективным способом повышения интенсивности теплообмена в различных теплообменных устройствах, в том числе и в барабанных вращающихся холодильниках, применяемых, как правило, для охлаждения и теплоотбора от материалов, прошедших термическую обработку в барабанных печах [1, 2]. Обычно изменение направления потока охлаждающего воздуха, движущегося вдоль поверхности холодильника, достигается с помощью специальных лопаток, направленных под углом к поверхности. Отраженный от лопаток воздух направляется на охлаждаемую поверхность и разбивает общий характер ламинарного потока.
Известно устройство для охлаждения вращающейся цилиндрической печи [3], содержащее цилиндрический кожух вокруг корпуса печи с диаметрально противоположными входным и выходным отверстиями, обеспечивающими движение охлаждающего воздуха внутри кожуха по окружности вдоль поверхности печи. Внутри кожуха между кожухом и поверхностью печи расположена перфорированная обечайка с укрепленными возле отверстий перфорации специальными отражающими лопатками, разбивающими поток воздуха и направляющими часть его перпендикулярно к поверхности печи. В устройстве [4] эти лопатки имеют специальную выгнутую форму и соединены с механическим приводом, регулирующим угол наклона лопаток, и, таким образом, интенсивность теплообмена. Эти устройства металлоемки, сложны в изготовлении и не обеспечивают движения охлаждаемого материала внутри печи и охлаждающего воздуха снаружи в противотоке, что и обусловливает их низкую эффективность.
Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности и достигаемому результату является устройство для утилизации тепла корпуса вращающегося холодильника [5], содержащего неподвижные кольцевые оболочки, установленные с зазором относительно корпуса и огибающие его. Оболочки имеют форму замкнутых цилиндрических обечаек и равномерно распределены вдоль корпуса, при этом упомянутые обечайки имеют равномерно расположенные по окружности отверстия, которые соединены с всасывающей трубой компрессора для подачи воздуха в горелку печи. Недостатком данного устройства является низкая энергоэффективность процесса теплосъёма в связи со способом организации движения воздуха параллельно наружной поверхности корпуса холодильника, при этом каждая оболочка охлаждает только небольшой участок печи, ограниченный шириной самой оболочки, что не позволяет достичь коэффициента теплоотдачи более 40 Вт/м²К. Применение большого числа оболочек приводит к многократному увеличению объема прокачиваемого воздуха, что снижает его температуру и, следовательно, эффективность утилизации тепла, в частности при использовании  нагретого воздуха в горелках для повышения температуры пламени.
Задачей изобретения является создание энергоэффективного струйного многосекционного рекуператора для утилизации теплоты сыпучих материалов, нагретых во вращающейся печи, обеспечивающего локальный турбулентный поток воздуха перпендикулярно к охлаждаемой поверхности и противоточное движение охлаждаемого материала внутри печи по отношению к перемещению воздуха из секции в секцию рекуператора извне печи.
Поставленная задача решается тем, что струйный секционный рекуператор для охлаждения поверхности вращающегося барабанного холодильника содержит корпус, где каждая секция состоит из неподвижного кольцевого кожуха и цилиндрической обечайки с перфорированными отверстиями и всасывающими трубами с пониженным давлением внутри для сбора горячего воздуха и дальнейшей его утилизации, например, для повышения температура пламени горелки. В отличие от прототипа заявленное изобретение  содержит цилиндрическую обечайку с перфорированными отверстиями, прикрепленную к неподвижному воздухонепроницаемому кольцевому козырьку, и посредством которой поток охлаждающего воздуха разбивается на множество струй, направленных перпендикулярно к охлаждаемой поверхности, от которой струи отражаются и создают турбулентное перемешивание воздуха, причем каждая секция на входе воздуха из предыдущей секции оснащена перфорированным кольцевым коллектором, представляющим собой аэродинамический шибер, создающим воздушную завесу, управляющую потоком воздуха.
Сборка секций рекуператора производится в последовательности, обеспечивающей перемещение охлаждающего воздуха из секции в секцию в направлении от холодного конца холодильника к горячему концу в противотоке с охлаждаемым материалом, что обеспечивает более высокую температуру снимаемого воздуха и, следовательно, более низкую температуру охлаждаемого материала, что повышает энергетическую эффективность рекуператора. Отдельные секции могут быть изготовлены в виде радиальных сегментов, собираемых в целое кольцо, охватывающее корпус холодильника.
Устройство работает следующим образом.
2
Воздушный поток из предыдущей секции, отраженный от охлаждаемой поверхности, попадает сначала в полость между кожухом рекуператора и перфорированной обечайкой, откуда он благодаря перепаду давлений между секциями вырывается сквозь отверстия перфорации перпендикулярно к охлаждаемой поверхности. Струи воздуха, разбиваясь о поверхность, обретают турбулентный характер движения с высоко эффективным теплосъемом с охлаждаемой поверхности. Дальнейшему движению воздуха вдоль поверхности холодильника препятствует воздушная завеса, создаваемая кольцевым коллектором, и воздух вынужденно засасывается в следующую аналогично устроенную секцию рекуператора и процесс повторяется. Выбирая последовательность расположения секций рекуператора, можно организовать движение воздуха в противотоке к движению охлаждаемого материала, достигнуть величины коэффициента теплоотдачи до 300 Вт/мК и получить высокопотенциальный теплоноситель с температурой более 450°С.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой схематично показано заявляемое устройство для рекуперации теплоты нагретого материала, перемещающегося внутри вращающегося металлического холодильника.
Корпус охлаждаемого вращающегося холодильника 1 с внутренним пространством 2 охватывает струйный секционный рекуператор, содержащий   неподвижный кольцевой кожух 3 с жестко приваренным к кожуху воздухонепроницаемым кольцевым козырьком 11, к которому прикреплена перфорированная обечайка 4 с регулярно расположенными отверстиями 5. Перфорированная обечайка расположена на некотором расстоянии от вращающегося корпуса 1, обеспечивая его свободное вращение. Каждая секция на входе воздуха из предыдущей секции или извне оснащена перфорированным кольцевым коллектором 6, создающим воздушную завесу, управляющую потоком воздуха (аэродинамический шибер). Воздушная завеса предотвращает перемещение воздуха вдоль поверхности печи, как это указано стрелками 7. Поток 8 из перфорированных отверстий разбивается об охлаждаемую поверхность, обеспечивая высокоэффективный теплосъем, и, ограниченный тепловой завесой 9 из коллектора 6, под действием перепада давления между секциями перемещается в пространство между кожухом 3 и перфорированной обечайкой 4 в следующей секции, охватывающей корпус 1 в зоне с более высокой температурой, чем в предыдущей секции. Секции прочно соединены между собой в узлах крепления 10. Секции могут быть выполнены в виде радиальных секторов, собираемых в целое кольцо.
Схема подключения рекуператора проиллюстрирована фиг. 2. Корпус вращающегося холодильника 1 находится внутри неподвижного многосекционного рекуператора 3. На фигуре в качестве примера рекуператор четырехсекционный. Рекуператор закреплен на отдельных опорах, холодильник опирается на опорные валки и приводится в движение этими валками или венцовой шестерней (на фигуре не указаны). Воздух засасывается в рекуператор с холодного конца холодильника и движется из секции в секцию к горячему концу холодильника в направлении стрелки a в коллектор нагретых газов 12, в котором поддерживается давление ниже атмосферного компрессором 13. При этом горячий воздух движется в направлении стрелки b. Из компрессора 13 воздух под давлением попадает на делитель потока 14. Большая часть горячего воздуха по воздуховоду 16 направляется на утилизацию в направлении стрелки c, в частности, непосредственно в печь или горелку с целью экономии энергоносителя. Незначительная часть горячего воздуха 10 – 20% направляется в распределительный воздуховод 15, где движется в направлении стрелок d и e к аэродинамическим шиберам, управляющим потоками воздуха внутри рекуператора.
Литература.
Dilip S Patel, Ravindrasinh R Parmar, Vipul M Prajapati “CFD Analysis of Shell and Tube Heat Exchangers –A review”. International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET) e-ISSN: 2395 -0056 Volume: 02 Issue: 09 | Dec-2015: р.2231
K.G/Kulkarni, S.Y.Bhosale, “Experimental Investigation of Heat Transfer Enhancement by Using Clockwise and Counter -clockwise Corrugated Twisted Tape Inserts”. International Journal of Innovations in Engineering Research and Technology (IJIERT), v. 2, issue 5, May 2015.
В.Д.Петраш, Э.А.Гераскина, Л.К.Емельянов и М.М.Кочкин. Устройство для охлаждения вращающейся печи. Авторское свидетельство СССР №1394018, 1988 г.
В.Д.Петраш и М.М.Полунин. Устройство для охлаждения вращающейся печи. Авторское свидетедльство СССР №1733888 1992 г.
Ю.А.Цумарев, Е.А.Латыпова, Я.М.Сургунт и А.С.Грищенко. Устройство для утилизации тепла корпуса вращающейся печи. Патент BY 7024 U кл. F 27 D9/00 2011 г.