ТЕПЛООБМЕННЫЙ БЛОК

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, а конкретно к теплообменному блоку, который может быть использован для нагрева атмосферного воздуха перед его подачей в горелочные устройства различных энергетических систем, например энергетических котлов (парогенераторов), печей нефтеперерабатывающих заводов и металлургических предприятий.
Известен рекуперативный воздухоподогреватель, включающий теплообменный блок, состоящий из кубов, конструктивно образованных за счет вварки в трубные доски стальных теплообменных трубок, располагающихся в поперечном смечении в шахматном порядке и образующих шахматный пучок (Добряков Т.С, Мигай В.К., Назаренко B.C., Надыров И.И., Федоров И.И., Воздухоподогреватели котельных установок. Ленинград, «Энергия», 1977, стр. 8, 9, рис. 1-1).
Горячие газообразные продукты сгорания (дымовые газы) проходят внутри теплообменных трубок и передают через их стенки теплоту нагреваемому воздуху, протекающему через пространство между трубками и омывающему их наружную поверхность.
Рекуперативный воздухонагреватель набирается из кубов в ступени. Как правило, существует две ступени: первая по ходу греющего агента - «горячая» и вторая (выходная) - «холодная». Такая ступеньчатая конструкция позволяет обеспечить снижение температуры горячих газообразных продуктов сгорания и нагреть воздух.
Наличие в горячих, газообразных продуктах сгорания агрессивных составляющих как входная, так и выходная ступени подвергаются коррозии, из-за чего рекуперативный воздухонагреватель обладает недостаточным сроком службы, что предопределяет останов агрегата в целом (котла, печи) для ремонта либо замены поврежденных коррозией элементов теплообменного блока. Выходная ступень из-за значительного перепада температуры, а также агрессивности холодного воздуха, часто значительно увлажненного, может претерпевать большее коррозионное разрушение, чем входная ступень.
Известные рекуперативные воздухонагреватели описанной конструкции обеспечивают снижение температуры продуктов сгорания до уровня, приемлемого для выброса в атмосферу, но они продолжают сохранять достаточно высокую температуру, то есть полной утилизации тепла газообразных продуктов сгорания известные рекуперативные воздухонагреватели не обеспечивают.
Известен теплообменный блок, представляющий собой устройство, передающее теплоту за счет изменения агрегатного состояния вещества, находящегося внутри частично заполненной теплоносителем герметичной трубы, которую называют тепловой трубой, часть которой располагается в газоходе горячего газа, а часть -холодного газа. Такое устройство содержит пакет тепловых труб расположенных вертикально в газоходах. В качестве теплоносителя может быть использована вода или иные известные теплоносители, меняющие агрегатное состояние при требуемых температурах нагрева и охлаждения (Васильев Л.Л., Теплообменники на тепловых трубах. Минск, «Наука и техника», 1981, стр. 9, 10, рис. 1).
Теплообменный блок с тепловыми трубами эффективно утилизирует тепло, позволяя добиться значительного большего, чем рекуперативный воздухоподогреватель, снижения температуры газообразных продуктов сгорания перед их выбросом в атмосферу. Меньше и степень коррозии тепловых труб, поскольку меньше перепад температур в зоне испарения и в зоне конденсации теплоносителя, которые разнесены по длине тепловой трубы.
Однако, при использовании, например, в качестве теплоносителя в тепловых трубах воды, которая испаряется, пар поступает в зону охлаждения (отдавая тепло нагреваемой среде), конденсируется и конденсат возвращается в зону нагрева (в тепловой трубе среда находится под давлением насыщения, поскольку давление и температура связаны между собой), тепловые трубы не могут работать в зоне температур выше 330°С, так как давление в них может достичь величин, требующих непомерно высоких значений толщины стенки, что приведет к неоправданно большой металлоемкости установки и снизит эффективность теплопередачи тепловой трубы. Таким образом, теплообменный блок только на тепловых трубах не может работать для утилизации тепла горячих газообразных продуктах сгорания.
Технический результат настоящей полезной модели заключается в расширении арсенала средств, обеспечивающих нагрев воздуха за счет утилизации тепла горячих газообразных продуктах сгорания, теплообменным блоком, эффективно отбирающим тепло горячих газообразных продуктах сгорания до значений температуры, близких к нормальной температуре атмосферного воздуха, а также в повышении срока службы такого теплообменного блока за счет увеличения стойкости к коррозии.
Достижение этого технического результата обеспечивает теплообменный блок, который содержит последовательно сопряженные, по меньшей мере, одну высокотемпературную и, по меньшей мере, одну низкотемпературную ступени, выполненные с возможностью независимого прохождения через них горячих газообразных продуктов сгорания и нагреваемого воздуха.
Высокотемпературная ступень включает набор теплообменных труб, закрепленных с возможностью прохождения через них горячих газообразных продуктов сгорания и омывания снаружи нагреваемым воздухом.
Низкотемпературная ступень включает, по меньшей мере, один канал для нагреваемого воздуха, подключенный к высокотемпературной ступени, по меньшей мере, один канал для горячих газообразных продуктов сгорания, также подключенный к высокотемпературной ступени и расположенный смежно каналу для нагреваемого воздуха, и набор тепловых труб, каждая из которых закреплена с расположением участка испарения в канале для горячих газообразных продуктов сгорания с возможностью омывания снаружи горячими газообразными продуктами сгорания, а участка конденсации - в канат е для нагреваемого воздуха с возможностью омывания снаружи нагреваемым воздухом.
Участок испарения и участок конденсации каждой тепловой трубы выполнены прямыми и ориентированы друг относительно друга под тупым углом, причем каждая тепловая труба закреплена участком испарения горизонтально с ориентацией участком конденсации вверх.
Как вариант, для упрощения изготовления деталей и сборки теплообменного блока каждая тепловая труба выполнена с дополнительным участком для закрепления, выполненным прямым и расположенным в продолжение на свободном конце участка конденсации параллельно участку испарения.
Каждая тепловая труба изготовлена, как правило, герметичной с заполнением полости, по меньшей мере, на 10% жидким теплоносителем, в качестве которого могут быть использованы вода, водный раствор гидроксида аммония, фреон, дифенильная смесь.
Возможность осуществления полезной модели подтверждается конкретным примером конструктивной реализации теплообменного блока, проиллюстрированным схемами:
- на фиг. 1 - вид спереди в разрезе;
- на фиг. 2 - вид сбоку в разрезе со стороны, противоположной расположению участков конденсации тепловых труб;
- на фиг. 3 - вид сверху в разрезе плоскостью, проходящей через высокотемпературную ступень;
- на фиг. 4 - фрагмент разреза низкотемпературной ступени в зоне участков испарения тепловых труб плоскостью, перпендикулярной участкам испарения тепловых труб;
- на фиг. 5 - фрагмент разреза высокотемпературной ступени плоскостью, перпендикулярной теплообменным трубам;
- на фиг. 6 - фрагмент разреза низкотемпературной ступени в зоне участков испарения тепловых труб плоскостью, параллельной участкам испарения тепловых труб;
- на фиг. 7 - фрагмент разреза низкотемпературной ступени в зоне перехода от участков испарения к участкам: конденсации тепловых труб плоскостью, параллельной плоскостям расположения тепловых труб;
- на фиг. 8 - фрагмент разреза низкотемпературной ступени в зоне расположения дополнительны к участков тепловых труб плоскостью, параллельной плоскостям расположения тепловых труб.
Стрелками показаны направления движения нагреваемого воздуха и горячих газообразных продуктов сгорания.
Теплообменный блок содержит последовательно сопряженные две высокотемпературные 1 и одну низкотемпературную 2 ступени, выполненные с возможностью независимого прохождения через них горячих газообразных продуктов сгорания и нагреваемого воздуха через газоходы 3 корпуса 4 (фиг. 1, 2).
Высокотемпературная ступень 1 включает набор теплообменных труб 5, закрепленных вертикально с возможностью прохождения через них горячих газообразных продуктов сгорания и омывания снаружи нагреваемым воздухом.
Низкотемпературная ступень 2 включает канал 6 (фиг. 1) для нагреваемого воздуха, подключенный к высокотемпературной ступени 1, канал 7 для горячих газообразных продуктов сгорания, также подключенный к высокотемпературной ступени 1 и расположенный смежно каналу 6 для нагреваемого воздуха, и набор тепловых труб 8, каждая из которых закреплена с расположением участка 9 испарения в канале 7 для горячих газообразных продуктов сгорания с возможностью омывания снаружи горячими газообразными продуктами сгорания, а участка 10 конденсации - в канале 6 для нагреваемого воздуха с возможностью омывания снаружи нагреваемым воздухом.
Участок 9 испарения и участок 10 конденсации каждой тепловой трубы выполнены прямыми и ориентированы друг относительно друга под тупым углом.
Каждая тепловая труба 8 закреплена участком 9 испарения горизонтально с ориентацией участком 10 конденсации вверх (наклон к горизонтали вверх составляет 5-7 градусов, что обеспечивает надежное стекание конденсата в участок 9 испарения из участка 10 конденсации). Горизонтальное расположение участка 9 испарения позволяет добиться равномерного распределения тепловых потоков по их длине. Кроме того, каждая тепловая труба 8 выполнена с дополнительным участком 11 (фиг. 1, 8) для закрепления, выполненным прямым и расположенным в продолжение на свободном конце участка 10 конденсации параллельно участку 9 испарения. Благодаря такой конструкции тепловые трубы 8 легко закрепляются в трубных досках 12 (фиг. 1, 4-8) под прямым углом, что существенно упрощает изготовление, поскольку отверстия 13 (фиг. 4) в трубных досках 12 выполняются круглыми, а не овальными.
Детали теплообменного блока изготавливаются, как правило, из стали по известным технологиям. Также по известным технологиям осуществляется соединение деталей. Тепловые трубы изготавливаются герметичными с заполнением полостей, по меньшей мере, на 10% жидким теплоносителем, выбранным из группы, включающей воду, водный раствор гидроксида аммония, фреон, дифенильную смесь. Степень заполнения определяется расчетами в зависимости от температурных параметров теплообменного блока. Обычно, внутренний объем тепловых труб 8 заполняется теплоносителем на 20%. При этом уровень теплоносителя в полости участка 9 испарения составляет 40% внутреннего диаметра, что обеспечивает свободное расширение теплоносителя при температурах ниже его замерзания.
На фиг. 8 показана схема подвода к печи 14 воздуха и отвода газообразных продуктов сгорания.
Топливо поступает через горелочные устройства 15 в печь 14. Горячие газообразные продукты сгорания из печи 14 с температурой от 350°C до 500°C через газоход 16 поступают в верхнюю высокотемпературную ступень 1 теплообменного блока, где проходят по теплое обменным трубам 5, нагревая их. При этом температура горячих газообразных продуктов сгорания снижается до 280-330°C.
Далее горячие газообразные продукты сгорания поступают в низкотемпературную ступень 2, омывая тепловые трубы 8 и испаряя теплоноситель, который из полости участке. 9 испарения перемещается в полость участка 10 конденсации. При этом температура горячих газообразных продуктов сгорания еще больше снижается и достигает на этапе прохождения через дымосос 17 температуры 30-40°С. Дымосос 17 эвакуирует газообразные продукты сгорания в атмосферу через дымовую трубу 18.
Нагреваемый воздух нагнетается в теплообменный блок дутьевым вентилятором 19, который омывает участки 10 конденсации тепловых труб 8 охлаждая их и нагреваясь, далее поступает в высокотемпературную ступень 1, омывая теплообменные трубы 5, где его температура достигает величин 260-430°С. Из высокотемпературной ступени 1 нагретый воздух подается к горелочным устройствам 15, обеспечивая эффективное сжигание топлива в печи 14.