ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЬ
AIR HEATER

Изобретение относится к устройствам для высокотемпературного нагрева воздуха и может быть использовано в энергетической, нефтехимической, газоперерабатывающей и других отраслях промышленности, а также для обогрева производственных и бытовых помещений.
Известен трубчатый подогреватель, содержащий корпус, расположенную внутри корпуса жаровую трубу, размещенные между корпусом и жаровой трубой промежуточный жидкий теплоноситель и трубчатый змеевик для пропуска нагреваемой среды, жаровая труба и корпус выполнены в виде прямых цилиндров и имеют одну общую ось, в жаровой трубе концентрично с ней размещен цилиндрический вторичный излучатель с вставленным в него обтекаемым телом (патент RU №2662018, F22B 7/00, 2017).
Недостатками известного подогревателя являются использование промежуточного теплоносителя отсутствие защиты окружающей среды от нагретых до высокой температуры поверхностей, отсутствие возможности использования вторичных потоков воздуха.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип относится воздухоподогреватель, содержащий обечайку с патрубками для входа и выхода воздуха, расположенную внутри обечайки топку с горелочным устройством и дымовой трубой, конвективную часть, выполненную в виде трубок, соединенных с торцов коллекторами, при этом топка выполнена в виде цилиндрического стакана, трубки конвективной части расположены вокруг топки параллельно цилиндрической поверхности топки в шахматном порядке, причем входящий коллектор, установленный с возможностью соединения с топкой и расположенный напротив горелочного устройства, представляет собой сектор с тупым углом, выходящий коллектор, связанный с дымовой трубой и расположенный с этой же стороны, представляет собой изолированно выполненный сектор с острым углом, при этом устройство снабжено промежуточным коллектором, расположенным напротив, а между обечайкой и топкой установлены поперечные перегородки (патент RU №2296269, F23L 15/04, 2005).
Недостатками известного воздухоподогревателя являются отсутствие возможности использования вторичных потоков воздуха, сложность изготовления, быстрое засорение внутренней поверхности труб в связи с тем, что дымовые газы, являющиеся греющим теплоносителем, проходят по трубному пространству, отсутствие защиты окружающей среды от поверхностей, нагретых до высокой температуры.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в устранении указанных недостатков, повышении эффективности нагрева воздуха при значительном упрощении конструкции и технологии изготовления.
Поставленная задача решается за счет того, что стенка цилиндрического стакана топки образована трубками, близко расположенными друг к другу, при этом созданная между обечайкой и трубками кольцевая полость снабжена со стороны горелочного устройства коллектором для подачи вторичного воздуха, а с противоположной стороны - выхлопной трубой, коаксиально расположенной с дымовой трубой топки.
Сущность предложенного изобретения поясняется графическими материалами, где: на фиг. 1 показан воздухоподогреватель, продольный разрез; на фиг. 2 - изометрическая проекция топки, на фиг. 3 и 4 - варианты исполнения стакана топки, разрез А-А на фиг. 1.
Воздухоподогреватель (фиг. 1) содержит обечайку 1 с патрубком 2 для подвода нагреваемого воздуха и патрубком 3 отвода нагретого воздуха, топку 4, включающую в себя цилиндрический стакан 5, стенка которого образована из расположенных близко друг к другу трубок в один ряд (фиг. 3) или в два ряда (фиг. 4), соединенных с торцов коллекторами 6 и 7 (фиг. 2) подвода нагреваемого воздуха и отвода нагретого воздуха. При этом трубки в коллекторе 6 выполняются подвижными для компенсации изменения их длины при высокой температуре. На топке 4 со стороны коллектора 7 закреплено горелочное устройство 8, а со стороны коллектора 6 установлена дымовая труба 11. Между обечайкой 1 и трубками 5 создана кольцевая полость, которая со стороны горелочного устройства снабжена коллектором 9 с патрубком 10 для подачи вторичного воздуха. Выхлопная труба 13 коаксиально расположена с дымовой трубой 11. На выхлопной трубе 13 закреплен дефлектор 12. В дымовой трубе 11 и выхлопной трубе 13 установлены шиберы 14. Коллектор 9 для равномерной подачи вторичного воздуха по окружности со стороны трубок снабжен защитным экраном 15.
Устройство работает следующим образом. Поток нагреваемого воздуха через патрубок 2 принудительно поступает в коллектор 6, равномерно распределяется и протекает по трубкам цилиндрического стакана 5, откуда попадает в коллектор 7 и отводится через патрубок 3. Греющим теплоносителем являются продукты сгорания топлива в топке 4. К горелочному устройству 8 подводится топливо. При сжигании топлива образуются продукты сгорания высокой температуры, которые проходят по внутренней полости стакана 5 и отводятся через дымовую трубу 11. Тепло от дымовых газов лучистым и конвективным способом передается трубкам. Вторичный поток воздуха через патрубок 10 поступает в коллектор 9, проходит по кольцевой полости, образованной между обечайкой и трубками и отводится через выхлопную трубу 13.
С помощью шиберов 14 можно регулировать тягу, а также осуществлять контроль над потоками воздуха и дымовых газов.
Воздухоподогреватель может использоваться как для обогрева производственных и бытовых помещений, так и в промышленности.
При обогреве помещений вторичным воздухом будет являться воздух в помещении, а при использовании подогревателя в энергетических установках вторичным воздухом будет воздух, совершивший работу.
В предложенном техническом решении трубки стенки стакана могут располагаться с зазором не более 3 мм, при этом будет иметь частично место переток (массоперенос) или дымовых газов из полости топки в полость, образованную между обечайкой и трубками (в полость вторичного воздуха), или вторичного воздуха из указанной полости в полость топки. Схема перетока будет зависеть от величины тяги в трубах 11 и 13. Где больше тяга (меньше величина статического давления), туда и будет направлен переток. Причем шиберами можно установить тот или иной переток путем изменения параметров в трубах 11 и 13. С точки зрения влияния на процесс теплообмена этот элемент будет присутствовать, так как, во-первых, он управляемый, а, во-вторых, можно поддерживать выходные параметры по подогреву воздуха процессом горения в топке. С другой стороны, наличие этого конструктивного решения позволяет обеспечить многие положительные характеристики воздухоподогревателя.
При использовании в качестве вторичного воздух из окружающей среды коллектор 9 выполняется в виде кольцевой щели, образованной обечайкой и защитным экраном (без патрубка 10). При этом, для исключения попадания посторонних предметов в полость теплообменника на щель устанавливается сетка.
Одной из отраслей применения данного устройства в промышленности являются газотурбинные установки. Примером может послужить газотурбинная установка для переработки попутного нефтяного газа в электроэнергию (патент RU №2482302, F02C 3/22, 2013). Данный воздухоподогреватель будет являться теплообменным аппаратом-регенератором. В нем происходит нагрев сжатого воздуха, поступившего из компрессора, затем нагретый воздух направляется в турбину. Вторичным будет называться отработавший в турбине воздух, который вновь возвращается в воздухоподогреватель (к патрубку 10).
В случае необходимости уменьшения габаритных размеров воздухоподогревателя или увеличения площади теплообмена возможен вариант исполнения стакана топки трубками, расположенными в шахматном порядке (фиг. 4).
Таким образом, заявленная конструкция воздухоподогревателя позволяет решить все поставленные задачи, тем самым повысить эффективность нагрева воздуха.