МОДУЛЬНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК С ТЕПЛОВЫМИ ТРУБАМИ
MODULAR HEAT EXCHANGER WITH HEAT TUBES

Область изобретения
В общем, данное изобретение относится к теплообменнику с тепловыми трубами для передачи тепла от горячего газа к холодному газу, прежде всего в установках регенерации тепла для предварительно нагретого воздуха для горения и/или горючего газа.
Предпосылки создания изобретения
Устройства регенерации тепла используются в различных отраслях промышленности для того, чтобы забирать тепло у одной среды и передавать его другой среде. Использование избытка тепла одного газа для подогрева другого газа уменьшает затраты энергии и, следовательно, положительно влияет на окружающую среду.
Одно из таких устройств регенерации тепла, которое относится к способу и установке для восстановления и рециркуляции тепла от горячих отходящих газов, прежде всего отходящих газов в металлургических процессах и от теплых газов, раскрыто, например, в US 4434004. Теплые или горячие отходящие газы отдают накопленное тепло нижней части вертикально установленных тепловых труб. Затем холодный воздух или газ направляются в верхнюю часть тепловых труб, передавая тепло от теплопроводов холодному воздуху или газу. Установка содержит нижнюю камеру, через которую подается горячий газ, и верхнюю камеру, через которую подается холодный газ. Тепловые трубы располагаются вертикально в этих двух камерах и проходят из одной камеры в другую. Когда горячий газ проходит через нижнюю камеру, его тепло поглощается нижней частью тепловых труб, охлаждая горячий газ. В тепловых трубах тепло передается от нижней части к верхней части. Проходящий через верхнюю камеру холодный газ нагревается при прохождении через горячую верхнюю часть тепловых труб. Теплообменники с тепловыми трубами часто используются из-за их очень быстрой теплопередачи. Однако они, как и теплообменники другого типа, сталкиваются с проблемой засорения и загрязнения пылью, грязью и частицами материала в текучих средах. Действительно, такая грязь может откладываться на передающей тепло поверхности тепловых труб и уменьшить коэффициент теплопередачи между тепловыми трубами и нагреваемой или охлаждаемой жидкостью. Кроме того, из-за роста количества оседающей грязи, теплообменник с тепловыми трубами засоряется, что в свою очередь увеличивает падение давления на теплообменнике.
Таким образом, необходимо периодически останавливать систему регенерация тепла на техническое обслуживание для вымывания загрязнений и освобождения прохождения потока через теплообменник. Ввиду большого количества тепловых труб, расположенных в таком теплообменнике, очистка тепловых труб является очень трудоемким процессом. Кроме того, затрудненный доступ к различным участкам в теплообменнике не облегчает процесс чистки. Длительные периоды простоя обязательно приводят к производственным потерям и повышенным эксплуатационным расходам.
Цель изобретения
Целью настоящего изобретения является создание теплообменника с тепловыми трубами, который является свободным от вышеупомянутых недостатков.
Раскрытие изобретения
Эта цель достигнута за счет теплообменника с тепловыми трубами, как заявлено в п.1 формулы изобретения.
Теплообменник с тепловыми трубами для передачи тепла от горячего газа холодному газу имеет корпус с первой камерой для подачи через нее горячего газа, второй камерой для подачи через нее холодного газа и множеством тепловых труб, простирающихся между первой камерой и второй камерой для передачи тепла от горячего газа холодному газу. Согласно важному аспекту изобретения в первой и второй камерах расположены перегородочные панели для разделения камеры на отсеки с тепловыми трубами, причем перегородочные панели расположены в плоскости, по существу параллельной потоку газа через камеры, причем в отсеках для тепловых труб в корпусе расположены съемные картриджи с тепловыми трубами. Каждый картридж с тепловыми трубами содержит раму с опорной панелью для поддержки множества тепловых труб. Опорная панель расположена так, что, когда картридж с тепловыми трубами расположен в корпусе, опорная панель взаимодействует с разделительной стенкой между первой и второй камерами, чтобы образовывать газонепроницаемое разделение между первой и второй камерами. Кроме того, тепловые трубы пересекают опорную панель и прикреплены к ней газонепроницаемым образом.
Одна или несколько перегородочных панелей делят поперечное сечение газового потока на два или более поперечных сечений меньшего размера. Такое деление камер по их ширине на отсеки меньшего размера расширяет акустические характеристики теплообменника за счет уменьшения создаваемых потоками колебаний, которые могут привести к структурному разрушению теплообменника. В теплообменниках настоящего изобретения вибрация тепловых труб существенно уменьшена, что позволяет предотвратить такое структурное разрушение.
Согласно настоящему изобретению тепловые трубы связаны вместе в картридж с тепловыми трубами, чтобы облегчить обслуживание теплообменника. Теплообменник разделен на множество отсеков с тепловыми трубами, причем каждый из которых разработан и скомпонован так, чтобы образовывать один картридж с тепловыми трубами.
Такой картридж с тепловыми трубами устанавливается в теплообменнике так, что его опорная панель находится на одном уровне с разделительной стенкой. Опорная панель соединена с разделительной стенкой, чтобы образовывать разделение между первой и второй камерами.
В течение остановки на техническое обслуживание тепловые трубы могут быть осмотрены. Если один или несколько картриджей с тепловыми трубами требуют обслуживания, например из-за сломанной тепловой трубы или сильного загрязнения передающих тепло поверхностей, эти картриджи с тепловыми трубами могут быть подняты из теплообменника. Затем в теплообменник можно установить сменный картридж с тепловыми трубами, и система теплообмена сможет вернуться в работу. Поврежденный картридж с тепловыми трубами можно очистить или отремонтировать отдельно от теплообменника, таким образом, значительно сократив период остановки системы регенерации тепла. Действительно, теперь самую трудоемкую часть обслуживания можно осуществлять отдельно от теплообменника, в то время как последний находится в работе. Снабжая модульный теплообменник с тепловыми трубами сменными картриджами, можно существенно уменьшить период простоя системы регенерации тепла.
Предпочтительно, опорная панель картриджа с тепловыми трубами соединена с разделительной стенкой посредством выполненного с возможностью удаления сварного шва, чтобы образовывать газонепроницаемое уплотнение между первой и второй камерами. Круговой, выполненный с возможностью удаления сварной шов выполняется после установки картриджа с тепловыми трубами на теплообменнике. Перед удалением картриджа с тепловыми трубами из теплообменника круговой шов может быть сломан. Следует заметить, что соединение опорной панели и разделительной стенки можно выполнить другими соответствующими средствами, например болтами. Между опорной панелью и разделительной стенкой можно установить герметичное уплотнение для формирования газонепроницаемой поверхности между первой и второй камерами.
Предпочтительно, теплообменник имеет первое отверстие на внешней стене второй камеры и второе отверстие в разделительной стенке между первой и второй камерами, причем первое и второе отверстие имеют такие расположение и размеры, чтобы подавать через них картридж с тепловыми трубами. Первое и второе отверстие позволяют легко и быстро подать или удалить картридж с тепловыми трубами из теплообменника.
Преимущественно, тепловые трубы надежно прикреплены к опорной панели механизмом с винтом и контргайкой и предусмотренными с обеих сторон опорной панели металлическими прокладками, образующими тем самым газонепроницаемое уплотнение, которое, однако, можно ослабить для замены тепловых труб или при обслуживании. Эти и другие предпочтительные варианты осуществления подробно описаны в прилагаемых зависимых пунктах формулы изобретения.
Краткое описание фигур
Данное изобретение будет более понятно из следующего описания со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг.1 - перспективный вид системы регенерации тепла с двумя теплообменниками с тепловыми трубами согласно настоящему изобретению,
фиг.2 - перспективный вид представленной на фиг.1 системы регенерации тепла без их переходных крышек,
фиг.3 - перспективный вид картриджа с тепловыми трубами для представленной на фиг.1 системы регенерации тепла, и
фиг.4 - перспективный вид рамы представленного на фиг.3 картриджа с тепловыми трубами.
Подробное описание предпочтительного примера осуществления
Фиг.1 показывает систему регенерации с тепловыми трубами 10 с двумя теплообменниками с тепловыми трубами 12, 12' согласно настоящему изобретению.
Один теплообменник 12, 12' можно использовать для нагретого горючего газа, в то время как другой 12, 12' можно использовать для нагретого воздуха для горения.
Каждый теплообменник 12, 12' содержит первую камеру 14 с первым проходом 16 и вторым проходом 18 и вторую камеру 20 с третьим проходом 22 и четвертым проходом 24. Вторая камера 20, в показанном на фигурах примере осуществления, расположена вертикально над первой камерой 14. Множество тепловых труб 26, обычно несколько тысяч, расположено вертикально в первой и второй камерах 14, 20. Эти тепловые трубы 26 обычно простираются на всю высоту второй камеры 20, проходя через разделительную стенку (не видна на фиг.1) от второй камеры 20 до первой камеры 14 и простираются на всю высоту первой камеры 14. Воздух или газ текут через теплообменник от первого и третьего прохода 16, 22 до второго и четвертого прохода 18, 24, соответственно. Предпочтительно, однако, использовать теплообменник в режиме противотока, причем воздух или газ текут через теплообменник от первого и четвертого проходов 16, 24 до второго и третьего проходов 18, 22, соответственно.
Согласно настоящему изобретению тепловые трубы 26 связаны вместе в картридже с тепловыми трубами для того, чтобы облегчить обслуживание теплообменника. Показанный на фиг.1 теплообменник 12 разделен, в направлении газового потока, на три модуля с тепловыми трубами 28, 28', 28", каждый из которых, в свою очередь, разделен перпендикулярно направлению газового потока на два отсека с тепловыми трубами 30, 30'. Каждый отсек с тепловыми трубами 30, 30' разработан и скомпонован так, чтобы образовывать один картридж с тепловыми трубами.
Модули с тепловыми трубами 28, 28', 28" и отсеки с тепловыми трубами 30, 30' хорошо видны на фиг.2, которая представляет представленную на фиг.1 систему регенерации тепла 10, причем переходные крышки для соединения с каналами были сняты. Фиг.2 также показывает разделительную стенку 32 между первой и второй камерами 14, 20.
Здесь также можно видеть, что между отсеками с тепловыми трубами 30, 30' располагаются перегородочные панели 34. Данные перегородочные панели 34 располагаются параллельно потоку газа через теплообменник 12, 12' и делят поперечное сечение газового потока на два поперечных сечения меньшего размера. Данное деление камер 14, 20, по их ширине, на меньшие отсеки расширяет акустические характеристики теплообменника за счет уменьшения наводимой потоками вибрации. В теплообменниках 12, 12' настоящего изобретения вибрация тепловых труб существенно уменьшена, уменьшена тем самым зашумленность от теплообменников. Предпочтительно, перегородочные панели 34 расположены с возможностью удаления так, что они могут быть удалены в течение остановки на техническое обслуживание для облегчения доступа к тепловым трубам 26. Может быть предусмотрена более чем одна перегородочная панель 34 так, чтобы разделить поперечное сечение газового потока на более чем два поперечных сечения меньшего размера.
Как указано выше, тепловые трубы 26, согласно настоящему изобретению, связаны вместе в картридже с тепловыми трубами 36, один из которых более детально показан на фиг.3. Конструкция картриджа 36 с тепловыми трубами будет более понятна из следующего описания со ссылкой на фиг.3 и фиг.4, причем последний представляет представленный на фиг.3 картридж 36 с тепловыми трубами с полностью удаленными тепловыми трубами.
Картридж 36 с тепловыми трубами содержит множество тепловых труб 26, несколько сотен, которые установлены в раме 38. Такая рама 38 имеет опорную панель 40 с верхней поверхностью 42, обращенной, когда установлена, ко второй камере 20, и нижней поверхностью 44, обращенной, когда установлена, к первой камере 14. Опорная панель 40 имеет множество отверстий для пропуска через них отдельных тепловых труб 26. Для крепления каждой тепловой трубы 26 в опорной панели 40 предусмотрены средства соединения, которые более подробно описаны ниже. Рама 38 содержит также ряд вспомогательных панелей 46 с отверстиями для пропуска через них отдельных тепловых труб 26. Вспомогательные панели 46 расположены параллельно на предварительно заданном расстоянии от опорной панели 40 и друг от друга. Отверстия вспомогательных панелей 46 имеют достаточно большой диаметр для прохода через них тепловых труб 26 с их взаимосвязанными ребрами без создания прочного соединения между вспомогательными панелями 46 и тепловыми трубами 26. В действительности, задача вспомогательных панелей 46 заключается главным образом в удержании тепловых труб 26 на предварительно заданном расстоянии друг от друга. Вспомогательные панели 46 служат дистанционной направляющей и удерживают тепловые трубы на одной линии в течение работы.
Опорная панель 40 и вспомогательные панели 46, как показано на фиг.4, соединены вместе посредством четырех соединительных тяг 48. Опорная панель 40, вспомогательные панели 46 и четыре соединительные тяги 48 надежно соединены вместе, например, сваркой, чтобы образовывать раму 38 картриджа 36 с тепловыми трубами.
Тепловые трубы 26 надежно соединены с опорной панелью 40 и, для предотвращения передачи газа из одной камеры 14, 20 в другую, соединение тепловых труб должно быть газонепроницаемым. Известно множество способов соединения, например сварка тепловой трубы прямо с опорной панелью, запрессовка и набивка кольцевыми уплотнителями или завинчивание в опорную панель. Однако, предпочтительно, используется механизм с винтом и контргайкой, причем натяг достигается с обеих сторон опорной панели головкой винта на одной стороне и контргайкой на другой. Предпочтительно, с обеих сторон опорной панели 40 между головкой винта и верхней поверхностью 42 опорной панели 40 и между контргайкой и нижней поверхностью 44 опорной панели 40 предусмотрены металлические прокладки. Механизм с винтом и контргайкой имеет преимущество в том, что отдельные тепловые трубы 26 можно удалить из опорной панели 40 и заменить. Таким образом, можно легко заменить поврежденные тепловые трубы. Кроме того, между верхними и нижними поверхностями 42, 44 опорной панели 40 образуется газонепроницаемое уплотнение так, что газ из первой камеры 14 не смешивается с газом из второй камеры 20. Это имеет особое значение, если один из газов является дымовым газом.
Для того чтобы устанавливать и удалять картриджи с тепловыми трубами 36, в теплообменнике предусмотрено первое отверстие 50 на внешней стене 52 второй камеры 20. В разделительной стенке 32 между первой и второй камерами 14, 20 расположено второе отверстие 54.
В процессе установки, картридж 36 с тепловыми трубами вертикально опускается в теплообменник 12, 12' через первое отверстие 50 и второе отверстие 54. Опорная панель 40 опускается до уровня разделительной стенки 32, чтобы закрыть второе отверстие 54. Предпочтительно, опорная панель 40 кладется ее краем на разделительную стенку 32 прежде, чем она будет полностью приварена по окружности для создания газонепроницаемого соединения между опорной панелью 40 и разделительной стенкой 32. После установки в теплообменнике 12, 12', нижняя часть тепловых труб 26 располагается в первой камере 14 и работает как испаритель, когда горячий газ подается через первую камеру 14, в то время как верхняя часть тепловых труб 26 располагается во второй камере 20 и работает как холодильник, когда холодный газ подается через вторую камеру 20.
Во время отключения на регламентное обслуживание тепловые трубы 26 могут быть осмотрены через люки и смотровые окна 56, расположенные в боковых стенах теплообменника 12, 12'. Если один или несколько картриджей с тепловыми трубами 36 требуют обслуживания, например из-за сломанной тепловой трубы или сильного загрязнения передающих тепло поверхностей, нужные картриджи с тепловыми трубами 36 могут быть удалены за счет нарушения сварки между опорной панелью 40 и разделительной стенкой 32 и подъема поврежденного картриджа 36 с тепловыми трубами из теплообменников 12, 12'. Затем в теплообменник устанавливается запасной картридж 36 с тепловыми трубами, и система теплообмена может быть возвращена в работу. Поврежденный картридж 36 с тепловыми трубами можно очистить или отремонтировать отдельно от теплообменника, таким образом, значительно сокращая период остановки системы регенерации тепла. Действительно, теперь самую трудоемкую часть обслуживания можно осуществлять отдельно от теплообменника, в то время как последний находится в работе. Снабжая модульный теплообменник с тепловыми трубами сменными картриджами, можно существенно уменьшить период простоя системы регенерации тепла.
Следует заметить, что данное описание имеет отношение к теплообменнику, связанному с воздухонагревательной установкой. Такой теплообменник обычно имеет две камеры 14, 20, расположенные вертикально одна над другой. Однако, изобретением также охватывается размещение этих двух камер 14, 20 почти горизонтально одна рядом с другой. Однако тепловые трубы должны иметь небольшое отклонение (по крайней мере 5°) от горизонтали. Такие компоновки могут использоваться в других применениях, например на электростанции.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
10 Система регенерации тепла
12 Теплообменник с тепловыми трубами
14 Первая камера
16 Первый проход
18 Второй проход
20 Вторая камера
22 Третий проход
24 Четвертый проход
26 Тепловая труба
28 Модуль с тепловыми трубами
30 Отсек с тепловыми трубами
32 Разделительная стенка
34 Перегородочная панель
36 Картридж с тепловыми трубами
38 Рама
40 Опорная панель
42 Верхняя поверхность
44 Нижняя поверхность
46 Вспомогательная панель
48 Соединительная тяга
50 Первое отверстие
52 Внешняя стена
54 Второе отверстие
56 Смотровое окно