RU2346212C2

RU2346212C2 - Air heater

Info

Publication number: RU2346212C2
Application number: RU2006145348/06A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Стефанович Макаров (UA); Анатолий Стефанович Макаров; Михаил Петрович Сенчук (UA); Михаил Петрович Сенчук; Андрей Иванович Ходос (UA); Андрей Иванович Ходос; Иван Александрович Марочко (UA); Иван Александрович Марочко; Михаил Александрович Кириенко (UA); Михаил Александрович Кириенко
Original assignee: Научно-Техническое Общество "Бирюза-4"
Priority date: 2006-08-16
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2009-02-10
Also published as: UA84734C2; RU2006145348A

Abstract

FIELD: heating systems.

SUBSTANCE: invention refers to heat-process engineering, and can be used for air heating, in drying processes, and in hot-air heating systems. Air heater consists of an air duct which has inlet and outlet air chambers and wherein there arranged are gas ducts which include a furnace made in the form of a fire tube, at least two turning gas ducts, and at least two convection banks in the form of bank of smoke tubes; at that, fire tube and the first turning gas duct are enveloped with air ducts with intermediate heat-absorbing water walls; additionally, the inlet of the first convection bank consists of a separate bank of short smoke tubes and a separate air supply duct to that bank; at that in air duct there installed is a flue gas duct and a transverse tube sheet, in relation to longitudinal axis of air heater, on which rests the fire tube, the turning chamber and the first bank of smoke tubes; at that, lower edge of transverse tube sheet is installed on the support, and intermediate heat-absorbing water walls are installed at fixed distances without contacting them; besides, the aforesaid water walls are also connected by means of installed retaining clamps to the air duct walls of fire tube and turning chamber. Between the burner tube and fire tube there installed is a flexible membrane, and transverse tube sheet is provided with a thermal expansion compensator wherein installed is an internal rib, an outer division wall and sealing strips. Internal rib is welded to heating surfaces, and outer division wall is installed with a gap relative to internal rib; air ducts between heating surfaces of fire tube and turning chamber from fire tube to convection bank, and intermediate heat-absorbing water walls are extended at least 1.5 times in comparison to air ducts between intermediate heat-absorbing water walls and air duct walls.

EFFECT: improving air heater efficiency.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для подогрева воздуха, который используют в технологических сушильных процессах (установках сушения молока, казеина, сельскохозяйственных продуктов), в системах воздушного отопления и т.п.The invention relates to heat engineering and can be used to heat air, which is used in technological drying processes (installations for drying milk, casein, agricultural products), in air heating systems, etc.

Воздухонагреватели для технологических процессов характеризуются высокими мощностями, значительными количествами воздуха и большими габаритами.Air heaters for technological processes are characterized by high power, significant amounts of air and large dimensions.

Нагревание воздуха до высоких температур (около 200°С) требует соответственно требованиям технологических процессов дополнительных мер для обеспечения экономичности и снижения температуры металла теплонагруженных стенок воздухонагревателя до допустимых величин, а также компенсации тепловых расширений высокотемпературных и низкотемпературных частей.Heating air to high temperatures (about 200 ° C) requires, accordingly, the requirements of technological processes, additional measures to ensure economy and reduce the metal temperature of the heat-loaded walls of the heater to acceptable values, as well as compensate for thermal expansions of high-temperature and low-temperature parts.

Известен воздухонагреватель, который содержит топку, конвекционный пакет в виде плоских панелей, в которых выштампованы отдельные каналы для прохождения газов и воздуха, корпус (кожух). Топка расположена над конвекционным пакетом, воздух на нагревание подается вентилятором с параллельным прохождением через воздушный тракт жаровой трубы и конвекционного пакета ("Обогреватели THERMOBILE", Каталог с информацией об изделиях сезона 2000-2001 г., г.Бреда, Голландия, 2001 г.).Known air heater, which contains a furnace, convection package in the form of flat panels, which are stamped with separate channels for the passage of gases and air, the housing (casing). The furnace is located above the convection bag, the air for heating is supplied by a fan with parallel passage through the air duct of the heat pipe and convection bag ("THERMOBILE Heaters", Product Catalog 2000-2001, Breda, Holland, 2001) .

Недостатками этого аналога являются повышенная неравномерность нагрева воздуха, низкие скорости его движения и невысокая возможность нагрева воздуха до высоких температур, необходимых в технологических сушильных процессах, что также обуславливает недостаточную экономичность.The disadvantages of this analogue are the increased unevenness of the heating of the air, low speeds of its movement and the low possibility of heating the air to high temperatures required in the technological drying processes, which also leads to insufficient efficiency.

В качестве прототипа выбран воздухонагреватель, который содержит воздушный короб с входной и выходной воздушными камерами, в котором размещены газоходы, в которые включены топка в виде жаровой трубы с патрубком для горелки, по меньшей мере два поворотных газохода, по меньшей мере два конвекционных пакета, каждый в виде пучка дымогарных труб, причем жаровая труба и первый поворотный газоход окружены воздушными каналами с промежуточными теплопоглощающими экранами, при этом вход первого конвекционного пакета дополнительно содержит отделенный пучок из коротких дымогарных труб и отдельный канал для подачи воздуха к этому пучку, кроме того, в воздушном коробе установлены дымоход и по отношению к продольной оси воздухонагревателя поперечная трубная доска, на которую опираются жаровая труба, поворотная камера и первый пучок дымогарных труб (Патент Украины №74301, бюл. №11/2005).As a prototype, an air heater was selected that contains an air box with inlet and outlet air chambers, in which there are gas ducts, which include a fire tube in the form of a flame tube with a nozzle for the burner, at least two rotary ducts, at least two convection bags, each in the form of a bundle of smoke tubes, and the flame tube and the first rotary gas duct are surrounded by air channels with intermediate heat-absorbing screens, while the input of the first convection package further comprises a department This bundle of short smoke tubes and a separate channel for supplying air to this bundle, in addition, a chimney is installed in the air box and, in relation to the longitudinal axis of the heater, is a transverse tube board on which the heat pipe, the pivoting chamber and the first bundle of smoke tubes rest (Patent Ukraine No. 74301, bull. No. 11/2005).

Такая конструкция позволяет эффективно осуществлять нагрев воздуха по смешанной схеме движения воздуха и продуктов сгорания до температуры воздуха, близкой к 200°С. Такая схема обеспечивает при подогреве до повышенной температуры глубокое охлаждение дымовых газов, эффективное охлаждение высоконапряженных поверхностей нагрева до допустимого уровня температур для материала и предотвращает конденсацию водного пара в продуктах сгорания.This design allows you to effectively heat the air according to a mixed pattern of movement of air and combustion products to an air temperature close to 200 ° C. Such a scheme provides, when heated to an elevated temperature, deep cooling of the flue gases, efficient cooling of highly stressed heating surfaces to an acceptable temperature level for the material and prevents condensation of water vapor in the combustion products.

Вместе с тем, соединение в сплошную конструкцию частей теплогенератора: жаровой трубы, экранов и внешнего воздушного короба, каждая из которых характеризуется существенно разными температурами, приводит к разным тепловым удлинениям, и, как следствие, к значительным термическим напряжениям и сокращению срока службы теплогенератора.At the same time, joining the parts of the heat generator in a continuous design: a flame tube, screens and an external air box, each of which is characterized by significantly different temperatures, leads to different thermal elongations, and, as a result, significant thermal stresses and a reduction in the life of the heat generator.

Выполнение внутренних воздушных каналов между поверхностями нагрева и экранами, а также внешних каналов между экранами и воздушными коробами равной ширины приводит к неравномерному нагреву воздуха в каналах и к повышению температуры радиационных поверхностей нагрева. Это обуславливает недостаточную надежность воздухонагревателя, уменьшает его долговечность, которая приводит к уменьшению экономической эффективности, что является недостатком прототипа.The implementation of the internal air channels between the heating surfaces and the screens, as well as the external channels between the screens and air ducts of equal width, leads to uneven heating of the air in the channels and to an increase in the temperature of the radiation heating surfaces. This leads to insufficient reliability of the heater, reduces its durability, which leads to a decrease in economic efficiency, which is a disadvantage of the prototype.

В основу изобретения поставлена задача повысить экономическую эффективность воздухонагревателя, создать воздухонагреватель с высокой температурой нагрева воздуха, в котором путем введения новых элементов и организации системы свободных взаимных тепловых удлинений повышается равномерный нагрев воздуха в воздушных каналах. Это приводит к повышению надежности и долговечности воздухонагревателя и, в целом, к повышению его экономичности.The basis of the invention is the task to increase the economic efficiency of the air heater, to create an air heater with a high temperature for heating the air, in which by introducing new elements and organizing a system of free mutual thermal extensions, the uniform heating of the air in the air channels is increased. This leads to increased reliability and durability of the air heater and, in General, to increase its efficiency.

Поставленная задача решается тем, что в воздухонагревателе-прототипе, который содержит воздушный короб с входной и выходной воздушными камерами, в котором размещены газоходы, в которые включены топка в виде жаровой трубы, которая соединена с патрубком горелки, по меньшей мере, два поворотных газохода, по меньшей мере, два конвекционных пакета, каждый из которых в виде пучка дымогарных труб, причем жаровая труба и первый поворотный газоход окружены воздушными каналами с промежуточными теплопоглощающими экранами, при этом вход первого конвекционного пакета дополнительно содержит отделенный пучок из коротких дымогарных труб и отдельный канал для подачи воздуха к этому пучку, кроме того, в воздушном коробе установлены дымоход и по отношению к продольной оси воздухонагревателя поперечная трубная доска, на которую опираются жаровая труба, поворотная камера и первый пучок дымогарных труб, в соответствии с изобретением нижняя кромка поперечной трубной доски установлена на опоре, промежуточные теплопоглощающие экраны установлены на фиксированных расстояниях, по меньшей мере, 20 мм от поверхностей нагрева без соприкосновения с ними, и упомянутые экраны соединены дополнительно установленными фиксирующими скобами со стенками воздушных коробов жаровой трубы и поворотной камеры, кроме того, между патрубком горелки и жаровой трубой установлена гибкая мембрана.The problem is solved in that in the prototype air heater, which contains an air box with inlet and outlet air chambers, in which there are gas ducts, which include a furnace in the form of a flame tube, which is connected to the burner nozzle, at least two rotary ducts, at least two convection bags, each of which is in the form of a bundle of smoke tubes, the flame tube and the first rotary gas duct surrounded by air channels with intermediate heat-absorbing screens, while the input of the first The projection package additionally contains a separated bundle of short smoke tubes and a separate channel for supplying air to this bundle; in addition, a chimney is installed in the air box and, in relation to the longitudinal axis of the heater, is a transverse tube board on which the flame tube, the pivoting chamber and the first bundle are supported smoke tubes, in accordance with the invention, the lower edge of the transverse tube plate is mounted on a support, intermediate heat-absorbing screens are installed at fixed distances, at least 20 mm from the heating surfaces without contact with them, and said screens connected additionally mounted fixing brackets with the walls of the air ducts of the flame tube and the rotary chamber, moreover, between the burner nozzle and the flame tube mounted flexible membrane.

Кроме того, поставленная задача достигается тем, что в заявленном воздухонагревателе поперечная трубная доска выполнена с компенсатором тепловых удлинений, в котором установлены внутреннее ребро, внешняя перегородка и уплотняющие накладки, при этом внутреннее ребро приварено к поверхностям нагрева, а внешняя перегородка установлена с зазором по отношению к внутреннему ребру.In addition, the task is achieved by the fact that in the inventive air heater, the transverse tube plate is made with a compensator for thermal elongations, in which an inner fin, an outer partition and sealing plates are installed, while the inner fin is welded to the heating surfaces, and the outer partition is installed with a gap with respect to to the inner rib.

Также поставленная задача достигается тем, что в заявленном воздухонагревателе воздушные каналы между поверхностями нагрева и промежуточными теплопоглощающими экранами выполнены увеличенными, по меньшей мере, в 1,5 раза по сравнению с воздушными каналами между промежуточными теплопоглощающими экранами и стенками воздушного короба.The task is also achieved by the fact that in the inventive air heater, the air channels between the heating surfaces and the intermediate heat-absorbing screens are enlarged at least 1.5 times compared with the air channels between the intermediate heat-absorbing screens and the walls of the air box.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведен продольный разрез воздухонагревателя; на фиг.2 приведены сечения по А и по Б на фиг.1; на фиг.3 приведен компенсатор удлинений трубной доски.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a longitudinal section of an air heater; figure 2 shows the cross section along A and along B in figure 1; figure 3 shows the compensator for the extensions of the tube plate.

Воздухонагреватель содержит воздушный короб 1, входную воздушную камеру 2, выходную воздушную камеру 3, топку - жаровую трубу 4, патрубок для горелки 5, поворотную камеру 6 из жаровой трубы 4 для продуктов сгорания между жаровой трубой 4 и первым конвекционным пакетом 7, поворотную камеру 8 для продуктов сгорания между первым 7 и вторым 9 конвекционными пакетами, воздушный канал 10, разделенный промежуточными теплопоглощающими экранами 11 на внутреннюю часть воздушного канала 12 и внешнюю часть воздушного канала 13, отделенный пучок 14 из коротких дымогарных труб на входе первого конвекционного пакета 7, отдельный канал для подачи воздуха 15, поперечную трубную доску 16, которая опирается на опору 17. Также воздухонагреватель содержит фиксирующие скобы 18, гибкую мембрану 19, компенсатор удлинений трубной доски (I) 20, который состоит из внутреннего ребра 21, приваренного к нагретым поверхностям внешней перегородки 22, установленной с зазором для свободного расширения 23 внутреннего ребра 21 по отношению к внешней перегородке 22 и уплотняющих накладок 23. Жарова труба 4 соединяется с патрубком горелки 5 гибкой мембраной 19. Внутренняя часть воздушного канала 12 между поверхностями нагрева жаровой трубы 4 и поворотной камеры 6 и промежуточными теплопоглощающими экранами 11 выполнена увеличенной, по меньшей мере, в 1,5 раза по сравнению с внешней частью воздушного канала 13 между промежуточными теплопоглощающими экранами 11 и стенками воздушного короба 1.The air heater comprises an air box 1, an inlet air chamber 2, an outlet air chamber 3, a furnace - a fire tube 4, a nozzle for a burner 5, a rotary chamber 6 from the flame tube 4 for combustion products between the flame tube 4 and the first convection bag 7, a rotary chamber 8 for combustion products between the first 7 and second 9 convection bags, the air channel 10, divided by intermediate heat-absorbing screens 11 into the inner part of the air channel 12 and the outer part of the air channel 13, separated by a beam 14 of short smoke Mogar tubes at the inlet of the first convection package 7, a separate channel for supplying air 15, a transverse tube plate 16, which is supported by a support 17. The heater also includes fixing brackets 18, a flexible membrane 19, a compensator for the elongation of the tube plate (I) 20, which consists of inner rib 21 welded to heated surfaces of the outer partition 22 mounted with a gap for free expansion 23 of the inner rib 21 with respect to the outer partition 22 and the sealing plates 23. The heat pipe 4 is connected to the pipe Christmas trees 5 with a flexible membrane 19. The inner part of the air channel 12 between the heating surfaces of the flame tube 4 and the rotary chamber 6 and the intermediate heat-absorbing screens 11 is made enlarged by at least 1.5 times compared with the outer part of the air channel 13 between the intermediate heat-absorbing screens 11 and the walls of the air box 1.

Вентилятор (не показан) для подачи воздуха на нагревание присоединен к входной воздушной камере 2.A fan (not shown) for supplying air for heating is connected to the inlet air chamber 2.

Воздухонагреватель работает следующим образом.The air heater operates as follows.

Включают вентилятор, устанавливают необходимые затраты воздуха, который подают в воздушную входную камеру 2, включают горелку. Газы, образовавшиеся в процессе сжигания топлива в топке - жаровой трубе 4, проходят в поворотную камеру 6 между жаровой трубой 4 и первым конвекционным пакетом 7, дальше в трубы отделенного пучка 14, трубы первого конвекционного пакета 7, в поворотную камеру 8 между первым 7 и вторым 9 конвекционными пакетами, затем в трубы второго конвекционного пакета 9 и в выходной дымоход 25, откуда они попадают в дымовую трубу (не показана).Turn on the fan, set the required air flow rate, which is supplied to the air inlet chamber 2, turn on the burner. Gases generated during the combustion of fuel in the furnace - flame tube 4 pass into the rotary chamber 6 between the flame tube 4 and the first convection pack 7, then into the tubes of the separated bundle 14, pipes of the first convection pack 7, into the rotary chamber 8 between the first 7 and second convection packs 9, then into the pipes of the second convection pack 9 and into the outlet chimney 25, from where they enter the chimney (not shown).

Наиболее нагретые части воздухонагревателя - жаровая труба 4, поворотная камера 6 из жаровой трубы 4 и первый конвекционный пакет 7 - опираются через поперечную трубную доску 16 на специальную опору 17, на которой они зафиксированы от продольных смещений. Компенсатор тепловых удлинений трубной доски 20, выполненный по контуру поперечной трубной доски 16, обеспечивает свободное расширение нагретых поверхностей по отношению к внешним более холодным частям. Это обуславливает возможность такого расширения в поперечном направлении как по горизонтали, так и по вертикали. Свободное расширение боковой поверхности жаровой трубы 4 и поворотной камеры 6 из жаровой трубы 4 обеспечено тем, что внешние стенки коробов жаровой трубы 4 и поворотной камеры 6 из жаровой трубы 4 и промежуточные теплопоглощающие экраны 11 соединены в жесткие конструкции и установлены на фиксированных расстояниях от поверхностей нагрева без соприкосновенья с ними. Продольное расширение жаровой трубы 4, которая опирается на патрубок горелки 5, обеспечено благодаря наличию гибкой мембраны 19.The most heated parts of the air heater — the flame tube 4, the rotary chamber 6 from the flame tube 4, and the first convection bag 7 — are supported through the transverse tube plate 16 on a special support 17 on which they are fixed from longitudinal displacements. The compensator for thermal elongation of the tube plate 20, made along the contour of the transverse tube plate 16, provides free expansion of heated surfaces in relation to the external cooler parts. This makes it possible to expand in the transverse direction both horizontally and vertically. Free expansion of the side surface of the flame tube 4 and the rotary chamber 6 from the flame tube 4 is ensured by the fact that the outer walls of the ducts of the flame tube 4 and the rotary chamber 6 of the flame tube 4 and the intermediate heat-absorbing screens 11 are connected in rigid structures and are installed at fixed distances from the heating surfaces without touching them. The longitudinal expansion of the flame tube 4, which rests on the nozzle of the burner 5, is provided due to the presence of a flexible membrane 19.

Воздух, который проходит через внутреннюю часть воздушного канала 12, получает на нагрев 2/3 от количества тепла, поступающего через стенку жаровой трубы 4 или стенку воздушного канала 13. Это обеспечивается благодаря тому, что внутренняя часть воздушного канала 12 имеет, по крайней мере, в 1,5 раза большее сечение, чем внешняя часть воздушного канала 13.The air that passes through the inner part of the air channel 12 receives 2/3 of the amount of heat entering the heat pipe 4 or the wall of the air channel 13 for heating. This is due to the fact that the inner part of the air channel 12 has at least 1.5 times larger cross-section than the outer part of the air channel 13.

Изобретение обеспечивает повышение надежности конструкции за счет того, что жаровая труба 4, поворотная камера 6 из жаровой трубы и первый конвекционный пакет 7 опираются по отношению к продольной оси воздухонагревателя на поперечную трубную доску 16, которая зафиксирована от продольных смещений на опоре с возможностью расширения в поперечном направлении, а внешние стенки коробов жаровой трубы 4 и поворотной камеры 5 из жаровой трубы 4 и промежуточные теплопоглощающие экраны 11 соединены в жесткую конструкцию, которая установлена на фиксированных расстояниях от поверхностей нагрева без соприкосновения с ними, поперечная трубная доска 16 выполнена с компенсатором тепловых удлинений 20 поперечной трубной доски 16, состоящей из внутреннего ребра 21, приваренного к нагретым поверхностям внешней перегородки 22, установленной с зазором для свободного расширения 23 по отношению к внутреннему ребру 21, а также из уплотняющих накладок 24.The invention improves the reliability of the design due to the fact that the flame tube 4, the rotary chamber 6 of the flame tube and the first convection package 7 are supported with respect to the longitudinal axis of the heater on the transverse tube plate 16, which is fixed from longitudinal displacements on the support with the possibility of expansion in the transverse direction, and the outer walls of the ducts of the flame tube 4 and the rotary chamber 5 of the flame tube 4 and the intermediate heat-absorbing screens 11 are connected in a rigid structure, which is mounted on a fixed At certain distances from the heating surfaces without contact with them, the transverse tube plate 16 is made with a compensator for thermal elongations 20 of the transverse tube plate 16, which consists of an internal rib 21 welded to the heated surfaces of the external partition 22 installed with a gap for free expansion 23 with respect to the internal rib 21, as well as from the sealing pads 24.

Эффективность новых технических решений подтверждена результатами приемочных испытаний воздухонагревателей ТГ-0,95-200 и ТГ-1,9-200 мощностью соответственно 0,95 и 1,9 МВт и температурой нагретого воздуха до 200°С, конструкция которых выполнена согласно вышеприведенному изобретению.The effectiveness of new technical solutions is confirmed by the results of acceptance tests of TG-0.95-200 and TG-1.9-200 air heaters with a capacity of 0.95 and 1.9 MW, respectively, and heated air temperature up to 200 ° C, the design of which is made according to the above invention.

Достигнута высокая экономичность (с 91 до 93%) и надежность работы: при температуре нагретого воздуха 200°С температура наиболее нагретых частей равнялась 600°С, а температура внешних воздушных коробов - 20 - 200°С, и при этом осуществлялось свободное взаимное удлинение нагретых частей по отношению к более холодным. Температурные циклические напряжения не превышали допустимую величину 100 МПа, надежная работа теплогенераторов подтверждена эксплуатационными испытаниями на протяжении 1,5 лет в режиме ежедневного пуска и остановки. В сравнении с воздухонагревателем-прототипом, рассчитанным на постоянный режим работы с ограниченным количеством пусков и остановок, заявляемая конструкция обеспечивает надежную работу в режиме ежедневного пуска и остановки.Achieved high profitability (from 91 to 93%) and reliability: at a temperature of heated air of 200 ° С, the temperature of the most heated parts was 600 ° С, and the temperature of external air ducts was 20 - 200 ° С, and at the same time free mutual elongation of heated parts relative to colder. The temperature cyclic stresses did not exceed the permissible value of 100 MPa, the reliable operation of the heat generators was confirmed by operational tests for 1.5 years in the daily start and stop mode. In comparison with the prototype air heater, designed for continuous operation with a limited number of starts and stops, the claimed design provides reliable operation in the daily start and stop mode.

Claims

1. An air heater that contains an air duct having an inlet and outlet air chambers, in which there are gas ducts, which include a fire tube in the form of a flame tube, which is connected to the burner nozzle, at least two rotary ducts, at least two convection bags in the form of a bundle of smoke tubes, and the flame tube and the first rotary gas duct are surrounded by air channels with intermediate heat-absorbing screens, while the input of the first convection package further comprises a separated bundle and h short smoke tubes and a separate channel for supplying air to this beam, in addition, a chimney is installed in the air duct and, in relation to the longitudinal axis of the heater, a transverse tube board on which the flame tube, the pivoting chamber and the first beam of smoke tubes are supported, which differs in that the lower edge of the transverse tube plate is mounted on a support, the intermediate heat-absorbing screens are installed at fixed distances of at least 20 mm from the heating surfaces without contact with them and mentioned screens connected additionally mounted fixing brackets with the walls of the air ducts of the flame tube and the rotary chamber, moreover, between the burner nozzle and the flame tube mounted flexible membrane.

2. The heater according to claim 1, characterized in that the transverse tube plate is made with a compensator for thermal elongations, in which an inner fin, an external partition and sealing plates are installed, while the inner fin is welded to the heating surfaces, and the outer partition is installed with a gap with respect to to the inner rib.

3. The air heater according to claim 1, characterized in that the air channels between the heating surfaces of the heat pipe and the rotary chamber from the heat pipe to the convection bag and the intermediate heat-absorbing screens are enlarged at least 1.5 times compared with the air channels between the intermediate heat-absorbing screens and walls of the air box.