Двухпоточный перекрестно-точный рекуператор

Полезная модель относится к области теплоэнергетики, а именно, к рекуператорам в которых   используется  вторичная тепловая  энергия.
Известен рекуператор для нагрева первичного воздуха печи открытого малоокислительного нагрева, состоящий из U-образных труб, содержащих подводящую и выходную ветви, установленных под промежуточным подом печи в конце камеры предварительного нагрева и расположенных во взаимно противоположном направлении по отношению друг к другу, отличающийся тем, что рекуператор содержит четное количество U-образных труб, при этом каждая пара соседних друг с другом труб, выходящих на одну сторону печи, соединены последовательно между собой внешним патрубком с фланцами на концах (патент на изобретение РФ № 2343387, опубл.10.01.2009г.).
Также известны следующие технические решения: А.С.СССР № 919461, А.С.СССР № 713614, А.С.СССР № 954787, RU 2138737,
RU 23558217, RU  217872, RU 28538 и др.
В результате патентных исследований также выявлены технические решения в этой области техники, которые были учтены заявителем, а именно: CA 1155834, AU 199805504, US 20160025413, JP 2000126646.
Наиболее близким техническим решением, по общей совокупности признаков,  выбранным заявителем в качестве прототипа, является рекуператор, который  содержит теплообменные трубы, закрепленные одними концами во входном коллекторе, другими в выходном, а на входе в теплообменные трубы установлены завихрители. Входной коллектор разделен на две камеры, каждая из которых имеет патрубок для подвода воздуха, в одной из камер находятся завихрители, а полость второй соединена с внутренней полостью завихрителей цилиндрическими патрубками. Установка завихрителя в одной из камер позволяет регулировать интенсивность закрутки воздушного потока в трубах и тем самым изменять коэффициент теплоотдачи (патент на изобретение  RU № 2125207, опубл. 20.01.1999г.).
При известной скорости потока воздуха в рекуператоре прототипа, время необходимое для достаточного нагрева воздуха можно увеличить за счет увеличения длины рекуператора и/или создания турбулентных потоков в воздуховодах для интенсификации теплообмена с горячей внешней средой. Недостатком данного устройства является сложность конструкции, т.к. увеличить длину рекуператора нет возможности из-за того что это приведет к значительным массово габаритным размерам. Турбулизация потоков требует дополнительной энергии, а для обеспечения турбулентных потоков требуется усложнение конструкции – необходимо устанавливать регулирующее устройство, торцевые крышки завихрителей и перегородки должны быть установлены таким образом, чтобы их отверстия были расположены соосно с осью теплообменных труб. Наличие завихрителей в составе рекуператора требует повышенного расхода энергии, необходимой на побуждение энергии потока. Следовательно, известное устройство для обеспечения высокого КПД требует повышенных материальных и трудозатрат, в том числе на их производство и последующее обслуживание.
Технической задачей заявляемой полезной модели является создание эффективного компактного двухпоточного рекуператора, обеспечивающего простоту сборки и обслуживания, снижение энергоемкости.
Техническая задача достигается тем, что заявляемый двухпоточный перекрестно-точный рекуператор содержит входной коллектор с патрубками для подачи воздуха, выходной коллектор и теплообменные  трубы, отличающийся тем, что входной и выходной коллекторы расположены друг над другом, рекуператор дополнительно снабжен промежуточными коллекторами, полости которых сообщены,     теплообменные  трубы  входного коллектора и выходного коллектора  заведены в промежуточные коллекторы и образуют  трубные решетки, а патрубки для подачи воздуха расположены с одной стороны входного коллектора и  разнесены по его краям, при этом в средней части каждого коллектора установлена перегородка.
Теплообменные трубы могут быть выполнены из высокотемпературной огнеупорной цельнолитой керамики.
Сравнение заявляемой полезной модели с прототипом показывает, что она отличается следующими признаками:
- входной и выходной коллекторы расположены друг над другом;
- рекуператор дополнительно снабжен промежуточными  коллекторами;
- полости промежуточных  коллекторов сообщены;
- теплообменные трубы входного коллектора и выходного коллектора  заведены в промежуточные коллекторы и  образуют  трубные решетки;
- патрубки для подачи воздуха расположены с одной стороны входного коллектора и  разнесены по его краям;
- в средней части каждого коллектора установлена перегородка.
Поэтому можно предположить, что заявляемая полезная модель соответствует критерию «новизна».
Двухпоточный рекуператор перекрёстно-точного типа исключает смешивание газообразных сред участвующих в теплообмене, используемого для подогрева, например,  дутьевого воздуха.
Теплообменные трубы выполнены из высокотемпературной огнеупорной цельнолитой керамики, что позволяет получить дополнительный технический результат.
Полезная модель может быть изготовлена на стандартном оборудовании, поэтому она соответствует критерию «промышленная применимость».
На Фиг.1 схематично (вид сверху) показан пример заявляемого рекуператора с двумя промежуточными коллекторами, На Фиг.2 – тоже, вид сбоку.
Рекуператор находится в нижней части камеры дожигания (на схемах не показана). Рекуператор содержит   входной  коллектор 1 и выходной коллектор 4, расположенные друг над другом. Теплообменные трубы 5  образуют верхнюю трубную решетку (регистр). Рекуператор дополнительно снабжен  верхним промежуточным коллектором 2 и нижним промежуточным коллектором 3, полости, которых сообщены. Теплообменные трубы 5 от входного коллектора 1  заведены в верхний промежуточный коллектор 2, а нижний промежуточный коллектор 3 соединен теплообменными трубами 6 с выходным коллектором 4. Теплообменные трубы 6 образуют нижнюю трубную решетку. Входной коллектор 1 имеет  патрубки  8 и 9 для подачи воздуха, которые расположены с одной стороны и разнесены по  краям. Для образования двух независимых потоков дутьевого воздуха в средней части каждого коллектора установлены перегородки 10, 11, 12, 13, Поз. 7 обозначены дутьевые вентиляторы.
Теплообменные трубы 5,6 выполнены  из высокотемпературной огнеупорной цельнолитой керамики, использование которой обусловлено термической и химической стойкостью материала к агрессивным горячим средам, отсутствием температурной деформации, а также максимальной теплопроводностью для теплообмена между средами (дутьевым кислородом воздуха и отходящими газами), Металлические детали рекуператора защищены от высокотемпературной коррозии специальными огнеупорными материалами.
Заявленная полезная модель рекуператора работает следующим образом.
Рекуператор находится в нижней части камеры дожигания (на рисунке не показана). Дутьевые вентиляторы 7 подают воздух через патрубки 8, 9 во входной коллектор 1. Особенностью конструкции является то, что воздух в коллектор 1 попадает с противоположных сторон,   движение встречных потоков воздуха в коллекторе 1 ограничено поперечной перегородкой 10, поэтому воздух  аэродинамически распределяется  по теплообменным трубам 5, образуя два потока.  Затем потоки воздуха  попадают в верхний промежуточный  коллектор 2. Так как полость верхнего промежуточного  коллектора 2 сообщается с полостью нижнего промежуточного коллектора 3,  нагнетаемый воздух  переходит в теплообменные трубы 6, также в виде двух потоков, что обеспечивается перегородками 12,13, а затем  попадает в соответствующие части  выходного  коллектора 4 образованные перегородкой 11. Горячие газы в камере дожигания  обтекают теплообменные трубы со всех сторон, т.к. они образуют трубные решетки. Следует отметить, что образование двух потоков в рекуператоре позволяет более равномерно распределить воздух между теплообменными трубами, а наличие перегородок исключает возможность образования встречных потоков, что, в свою очередь, позволяет уменьшить энергопотребление, использовать менее мощные по динамическому давлению вентиляторы, позволяет снизить профильные скорости потока нагреваемого воздуха, что способствует более интенсивному теплообмену, а также обеспечить резервирование работоспособности устройства в случае выхода из строя одного вентилятора.   Проходя между теплообменными трубами, по определённой траектории, горячие газы  равномерно нагревают их по всей площади поверхности, что способствует более эффективному теплообмену,  затем попадают в камеру сажеотделения и далее в дымоход  (на чертеже не показаны).  Нагретые керамические теплообменные трубы 5 и 6 в свою очередь передают тепловую энергию проходящему по ним дутьевому воздуху.  Потоки дутьевого воздуха, нагретые  до необходимой температуры  после выходного коллектора, используются  в дальнейшем технологическом процессе.
Заявляемый рекуператор может быть изготовлен с тремя, четырьмя и большим количеством промежуточных коллекторов. Количество промежуточных коллекторов определяется в зависимости от температурных потребностей конкретного технологического процесса и от мощности используемых вентиляторов.
Промышленные испытания данного двухпоточного  перекрёстно-точного  рекуператора  с заявляемой компоновкой, показали его высокую эффективность, а также снижение энергоемкости за счет исключения динамического сопротивления и равномерного распределения входного потока по коллекторам. При производственных испытаниях заявляемого рекуператора подтверждена возможность повышения КПД за счёт увеличения количества регистров.