Предлагаемая автором оценка эффективности конструкции рекуператора на основе аэродинамической схемы, применяемой для повышения эффективности теплообмена конвекцией на воздушной стороне, в отличие от других оценочных критериев (таких как рабочие температуры, материал либо особенности конструкции) открывает возможности для интенсификации научно-технического творчества и позволяет на основе физических принципов давать оценку этим новым конструктивным решениям. В особенности это касается перспективных конструкций теплообменников, которые можно отнести к специализированным типам (рекуператоры других конструкций) [9], для оценки энергоэффективности и расчетов которых неприменимы либо не существуют стандартные методики и нет достоверных данных стендовых экспериментов и промышленных испытаний.
Именно на основании описанного выше подхода в Институте газа НАН Украины, согласно патенту №104396 от 27.01.14, Бюл. №2 по патентной заявке на изобретение №а2013 04891, предложен рекуператор с прямыми трубчатыми каналами, аэродинамика работы которого основана на принципе комбинированной струйно-вихревой технологии (рис. 9) [33].
Рекуператор может быть использован в печах для нагревания и выплавки металла и в других печных агрегатах для повышения эффективности использования топлива посредством подогрева воздуха для горения за счет использования теплоты уходящих газов. Предлагаемый рекуператор может быть установлен в канале отвода дымовых газов. Решена задача усовершенствования рекуператора конструкции типа "труба в трубе", в котором в результате установки внутри нагреваемой трубы внутренней перфорированной трубы (перфорированной вставки) с отверстиями, расположенными по спирали, и распорок-завихрителей вдоль нее обеспечивается повышение эффективности теплоотдачи конвекцией и повышение температуры подогрева отходящего дутьевого воздуха, за счет чего снижается металлоемкость рекуператора и повышается ресурс его эксплуатации [33].
Рис. 9. Рекуператор
1) входящий воздушный короб; 2) диффузор; 3) входная перфорированная стенка (доска); 4) выходной воздушны короб; 5) выходная перфорированная стенка; 6) выходной воздуховод, 7) нагреваемая труба; 8) воздушная перфорированная труба; 9) сопла; 10) распорка-завихритель; 11) крышка
Теплообменник работает следующим образом. По дымоходу из рабочего пространства печи двигаются горячие дымовые газы. На пути своего движения они обтекают расположенные в шахматном порядке нагреваемые трубы 7 рекуператора, нагревая их поверхность до заданной температуры. Во внутренние воздушные перфорированные трубы 8 по входному воздушному коробу 1 через диффузор 2 подают холодный воздух (20°С). Это воздух при прохождении по внутренним воздушным трубам 8 формирует турбулентный вихрь из импактных (ударных) струй, которые взаимодействуют с нагретой стенкой нагреваемых труб 7, охлаждают ее и нагреваются сами, чем обеспечивают рекуперацию тепла отходящих дымовых газов.
Спиральная перфорация внутренней поверхности труб 8 при истекании воздуха формирует турбулизированный вихрь, который двигается вдоль зазора между нагреваемыми трубами 7 и внутренними воздушными трубами 8. Обтекание распорок-завихрителей 10 нагретым воздухом обеспечивает дополнительную турбулизацию сформированного вихря. Нагретый от стенки нагреваемой трубы 7 воздух подают к системе подогрева дутья горелочных устройств.
Совокупность характерных особенностей аэродинамической схемы рекуператора обеспечивает повышение эффективности теплоотдачи конвекцией за счет формирования турбулентного вихря из импактных (ударных) струился из расположенных по спирали перфорированных отверстий и дополнительное повышение эффективности теплоотдачи конвекцией за счет закручивания формующего вихра при обтекание распорок-завихрителей. При этом распорки-завихрители выполняют двоякую функцию: кроме закручивания турбулентного вихря и обеспечения удара по охлаждаемой поверхности под углами, близкими к оптимальным для достижения максимально эффективной теплоотдачи, распорки-завихрители предотвращают провисание перфорированной вставки в случае перегрева.
Очевидно, что предлагаемая в [33] конструкция рекуператора за счет спирального расположения сопел (отверстий) в воздушной трубе (перфорированной вставке) нивелирует взаимное сносящее действие истекающих из них струй, как основной недостаток аэродинамической схемы "истечение струй из цилиндрической стенки" и обеспечивает формирование импактных струй и их удар о негретую поверхность под оптимальными для теплообмена конвекцией углами. Кроме того, спиральное расположение сопел обеспечивает формирование закрученного турбулизированного вихря из импактных струй, который дополнительно закручивается и турбулизируется распорками-завихрителями.
Выводы
Использование высокоскоростной подачи воздуха и технологии истечения струй из отверстий в перфорированной цилиндрической стенке (трубе) с одновременным формированием с их помощью, а также благодаря завихрителям и оребрению единого вихревого турбулентного потока не применялось ранее для рекуператоров, а в основном использовалось при конструировании горелочных устройств. В частности, это можно наблюдать на примере конструктивных решений, принятых для плоскопламенной со шнеком и убывающим шагом (либо с насадкой типа "Щ") горелки, разработанной в Институте газа НАН Украины [6].
Однако в случае горелочных устройств задачей является не интенсификация теплообмена и рекуперация тепла, а обеспечение заданных параметров смешивания топлива с воздухом и формирование факела (струи) пламени с заданными параметрами. Несмотря на это, указанный подход, а именно: высокоскоростная подача воздуха в рекуператоры в сочетании со струйным истечением охлаждающего воздуха и его дополнительной турбулизацией в зоне нагрева за счет установки оребрений и трубных поверхностей сложной формы - очевидно, с успехом может применяться и для создания компактных высокоэффективных металлических рекуперативных теплообменников, что вполне соответствует современным представлениям о способах повышения тепловой эффективности рекуператоров, адекватно уровню отечественных и зарубежных научно-технических разработок.
Конкретные конструктивные решения и их эффективность рассматриваются в статье исходя из представления о режиме теплообмена в печах (рекуператорах) и других энерготехнологических агрегатах, как конвективно-радиационном. В этом случае одним из определяющих факторов повышения эффективности теплообмена на воздушной стороне, совместно с температурой процесса, может считаться аэродинамическая схема рекуператора. Выделены следующие аэродинамиеские схемы рекуператоров: движение воздуха внутри трубы круглого (фасонного) сечения, обдув пластины струями перфорированной насадки, истечение струй из отверстий в трубной цилиндрической стенке, закручивание потока струй внутренними оребрениями, выступами, фасонными частями, формирование многозаходного потока охлаждающего воздуха. При этом полагается, что управление аэродинамикой работы теплообменника на воздушной стороне является инструментом повышения эффективности теплообмена конвекцией.
Такой подход к конструированию рекуператоров и повышению их эффективности положен в основу предлагаемого, согласно патенту №104396 по патентной заявке на изобретение №а2013 04891, теплообменника с активной перфорированной вставкой и оребрениями, где истекающие из перфорированных отверстий спирального расположения струи охлаждающего воздуха дополнительно закручиваются распорками-завихрителями с формированием единого турбулентного вихря между активной вставкой и нагреваемой дымовыми газами наружной трубой [33].
Литература
1. Карп И.Н. Количественная оценка влияния внедрения энергосберегающих технологий на экономию природного газа в промышленности и энергетике / И.Н. Карп, Е.И. Сухин / Экотехнологии и ресурсосбережение, 2007. С. 24-44.
2. Парамонов A.M. Научные основы повышения эффективности работы печных агрегатов: дисс. ... д-ра техн. наук / A.M. Парамонов, 2007. - 216 с.
3. Соціально-економічний стан України: наслідки для народу та держави: національна доповідь / за заг. ред. В.М. Гейця та ін. - К.: Вид-во НВЦ НБУВ, 2009. - 687 с.
4. Фінансово-монетарні важелі економічного розвитку. - В 3 т. / за ред. чл.-кор. НАН України А.І. Даниленка. - К.: Вид-во "Фенікс", 2008. - Т. 2. - 524 с.
5. Механізми грошового та фондового ринків і їх вплив на розвиток економіки України / за ред. чл.-кор. НАН України А.І. Даниленка. - К.: Вид-во "Фенікс", 2008. - 442 с.
6. Галузева програма енергоефективності та енергозбереження на період до 2017 року. [Електронний ресурс]
7. Сорока Б.С. Интенсификация тепловых процессов в топливных печах / Б.С. Сорока. - К.: Изд-во "Наук. думка", 1993. - 416 с.
8. Доп. к а.С. 954719 СССР, МКИ F 23 L 15/074. Секция рекуперативного воздухоподогревателя / А.А. Костюченко, Н.В. Водорез, Н.Л. Борисов, И.В. Губин. - Опубл. 30.08.82, Бюл. №32.
9. Тебеньков Б.П. Рекуператоры для промышленных печей / Б.П. Тебеньков. - М.: Изд-во "Металлургия", 1975. - С. 259-262.
10. Справочник по теплообменникам: пер. с англ.; под ред. Мартыненко. - В 2-х т. - Т. 2. - М.: Изд-во Энергоатомиздат, 1987. - 352 с.
11. Справочник по теплообменникам: пер. с англ.; под ред. Мартыненко. - В 2-х т. - Т. 1. - М.: Изд-во Энергоатомиздат, 1987. - 352 с.
12. А.С. 106927 СССР, МКИ F 23 L 15/04. Воздухо-воздушный подогреватель для печей / Г.Т. Довжук. - Опубл. 01.01.57.
13. Pat. US 5909767 IC F28 F 3/00 Recuperative Cross Flow Plate-Type Heat Exchanger / Paul J. Batt. - Publ. 08.06.99.
14. Чичиндаев А.В. Оптимизация компактных пластинчато-ребристых теплообменников / А.В. Чичиндаев. - Ч. 1. Теоретические основы: учебн. пособ. - Новгород: Изд-во НГТУ, 2003. - 400 с.
15. Patent CZ 2007679 F28D9/00, F28D9/02, F28F3/00, F28F3/02, F28F3/04, F28F3/12. Counteragent Recuperative Heat Exchanger / P. Hazuka, J. Chlup. - Publ. 08.04.09, Bul. 14/2009.
16. Pat. FR 2888314 IC F28F 19/00, F28 D 7/10, F27 D 17/00, F 23 L 15/04, F 28 F 21/04, 21/08. Dispositif diminuant les risques de destruction des parios internes des recuperateurs metalliques de chaleur/R. Prior. - Publ. 12.01.07, Bul. 07/02.
17. Pat. WO 2013/041066 IC8 F24 F 12/00; F24 F 7/007; F24 F 7/08; F28 D 7/10. Countercurrent Cylindrical Recuperative Heat-Exchange Apparatus with Multiple-Threaded Helically Wound Heat Transfer Surfaces Intended Particularly for Ventilation Installations / J. Chlup. - Publ. 28.03.2013.
18. Агеев К.В. Технология импактных струй в активных вставках рекуператоров для повышения энергоэффективности печных агрегатов (Обзор) / К.В. Агеев // Энерготехнологии и ресурсосбережение. 2010. - №4. - С. 21-27.
19. Талиев В.Н. Аэродинамика вентиляции: учебн. пособ. / В.Н. Талиев. - М.: Изд-во "Стройиздат". - 1979. - 295 с.
20. Шлихтинг Г. Возникновение турбулентности / Г. Шлихтинг. - М.: Изд-во иностр. литры 1962. - 201 с.
21. Иванов Ю.В. Газогорелочные устройства / Ю.В. Иванов. - М.: Изд-во "Недра" 1972. -276 с.
22. Проект 4365 "Розробка та оптимізація конструкції високотемпературного трубчастого рекуперативного теплообмінника підвищеної стійкості (РПС)": (Промежут. отчет 6 этап) / Инт. газа НАН Украины; Руковод. темы Б.С. Сорока, № ГР 0107u011471 - К., 2009. - 15 с.
23. Холщевников К.В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин / К.В. Холщевников, О.Н. Емин, В.Т. Митрохин. - М.: Изд-во "Машиностроение" - 1986. - 432 с.
24. А.С. 1521989 СССР, МКИ F 23 L 15/04. Способ нагрева воздуха / М.В. Губинский, Ю.И. Розенгарт, В.И. Губинский, А.Н. Пеккер. - Опубл. 03.07.87, Бюл. №42. Иследование и разработка струйных рекуператоров для повышения эффективности использования топлива в промышленных печах: ил РГБ ОД 61:85-5/4756/.
25. А.С. 1695055 СССР, МКИ F 23 L 15/04. Рекуператора / Б.Д. Сезоненко, А.Е. Еринов, Т.В. Скотникова, Я.Б. Полетаев, Р.А. Пилипенко, Ю.Г. Хорунжий, Я.И. Белокопытов, Л.П. Махов, В.А. Ена. - Опубл. 30.11.91, Бюл. №44.
26. А.С. 1642191 СССР, МКИ F 23 L 15/04. Струйный рекуператор / Б.Д. Сезоненко, Ю.Г. Хорунжий, Т.В. Скотникова, Я.Б. Полетаев, Р.А. Пилипенко. - Опубл. 30.03.89, Бюл. №14.
27. А.С. 1702107 СССР, МКИ F 23 L 15/04. Трубчатый рекуператор / Б.Д. Сезоненко, Ю.Г. Хорунжий, Т.В. Скотникова, Р.А. Пилипенко. - Опубл.28.08.89, Бюл. №48.
28. Pat. DE 384320, IC F23L 15/04, F28D 7/12, F28F 21/04. Recuperator/H. Kainer, J. Sommerer, R. Reichenauer. - Publ. 06.28.90.
29. А.С. 1663326 СССР, МКИ F 23 L 15/04. Рекуператор / Б.Д. Сезоненко, А.Е. Еринов, Т.В. Скотникова, Я.Б. Полетаев, Р.А. Пилипенко, Ю.Г. Хорунжий, Я.И. Белокопытов. - Опубл. 15.07.91, Бюл. №26.
30. Пат. RU 2219437, МПК F 23 L 15/04, F 28 D 7/02. Радиационно-конвективный теплообменник спирального типа / Н.И. Бирюков, Н.М. Башилов, Г. А. Константинов. - Опубл. 20.08.03.
31. Пат. RU 2005128406, МПК F 28 D 7/00. Радиационно-конвективный теплообменник спирального типа "Самовар" / Н.И. Бирюков, Н.М. Башилов, В.Д. Коршиков. - Опубл. 20.03.07.
32. Pat. WO 2013/041066 IC8 F24 F 12/00; F24 F 7/007; F24 F 7/08; F28 D 7/10. Countercurrent Cylindrical Recuperative Heat-Exchange Apparatus with Multiple-Threaded Helically Wound Heat Transfer Surfaces Intended Particularly for Ventilation Installations / J. Chlup. - Publ. 28.03.2013.
33. Пат. 104396 Укр., МПК F 28 D 1/04, F 23 L 15/04. Рекуператор / К.В. Агеев. - Опубл. 27.01.14, Бюл. №2.
34. Пат. RU 2283988, МПК F 23 L 15/04. Рекуперативный подогреватель технологического воздуха / В.Ф. Суровикин, А.М. Спектор, Г.И. Царева. - Опубл. 20.09.06.