RU2772521C1

RU2772521C1 - Jet sectional heat exchanger for cooling a rotating drum cooler

Info

Publication number: RU2772521C1
Application number: RU2021133724A
Authority: RU
Inventors: Владимир Владимирович Курносов; Иван Николаевич Грознов
Original assignee: Владимир Владимирович Курносов; Иван Николаевич Грознов
Filing date: 2021-11-19
Publication date: 2022-05-23

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: invention relates to power engineering, in particular to devices for cooling rotary drum coolers, which, as a rule, work together with rotary kilns. A jet sectional heat exchanger for cooling the surface of a rotating drum cooler contains a sectional casing, in which each section contains a fixed annular casing, made with the possibility of external location of the relative outer surface of the refrigerator, and a cylindrical shell with perforated holes, while an airtight annular visor is attached to the fixed annular casing, to which, with a gap and with the possibility of installation with a gap between the casing and the cooler, a cylindrical shell with perforated holes is attached, and each section at the air inlet from the previous section is equipped with a perforated annular manifold, which is an aerodynamic gate, made with the possibility of creating an air curtain and directing the reflected from the outer surface of the air cooler of the previous section into the gap between the casing and the perforated shell of the next section.

EFFECT: increasing the efficiency of utilization of the heat of the fired material and reducing energy consumption.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к устройствам для охлаждения вращающихся барабанных холодильников, работающих, как правило, вместе с обжиговыми вращающимися печами. Целью изобретения является повышение эффективности утилизации теплоты обжигаемого материала и снижение расхода энергоносителя. SUBSTANCE: invention relates to power engineering, in particular to devices for cooling rotary drum coolers, which, as a rule, work together with rotary kilns. The aim of the invention is to increase the efficiency of heat recovery of the fired material and reduce energy consumption.

Создание турбулентных потоков вблизи поверхности, через которую осуществляется теплоперенос, является наиболее перспективным и эффективным способом повышения интенсивности теплообмена в различных теплообменных устройствах, в том числе и в барабанных вращающихся холодильниках, применяемых, как правило, для охлаждения и теплоотбора от материалов, прошедших термическую обработку в барабанных печах [1, 2]. Обычно изменение направления потока охлаждающего воздуха, движущегося вдоль поверхности холодильника, достигается с помощью специальных лопаток, направленных под углом к поверхности. Отраженный от лопаток воздух направляется на охлаждаемую поверхность и разбивает общий характер ламинарного потока. The creation of turbulent flows near the surface through which heat transfer is carried out is the most promising and effective way to increase the intensity of heat transfer in various heat exchange devices, including drum rotary coolers, which are usually used for cooling and heat removal from materials that have undergone heat treatment in drum furnaces [1, 2]. Usually, changing the direction of the flow of cooling air moving along the surface of the refrigerator is achieved using special blades directed at an angle to the surface. The reflected air from the blades is directed onto the cooled surface and breaks the general character of the laminar flow.

Известно устройство для охлаждения вращающейся цилиндрической печи [3], содержащее цилиндрический кожух вокруг корпуса печи с диаметрально противоположными входным и выходным отверстиями, обеспечивающими движение охлаждающего воздуха внутри кожуха по окружности вдоль поверхности печи. Внутри кожуха между кожухом и поверхностью печи расположена перфорированная обечайка с укрепленными возле отверстий перфорации специальными отражающими лопатками, разбивающими поток воздуха и направляющими часть его перпендикулярно к поверхности печи. В устройстве [4] эти лопатки имеют специальную выгнутую форму и соединены с механическим приводом, регулирующим угол наклона лопаток, и, таким образом, интенсивность теплообмена. Эти устройства металлоемки, сложны в изготовлении и не обеспечивают движения охлаждаемого материала внутри печи и охлаждающего воздуха снаружи в противотоке, что и обусловливает их низкую эффективность.A device for cooling a rotating cylindrical furnace [3] is known, containing a cylindrical casing around the furnace body with diametrically opposite inlet and outlet openings that ensure the movement of cooling air inside the casing in a circle along the surface of the furnace. Inside the casing, between the casing and the furnace surface, there is a perforated shell with special reflective blades fixed near the perforation holes, which break the air flow and direct part of it perpendicular to the furnace surface. In the device [4], these blades have a special curved shape and are connected to a mechanical drive that regulates the angle of inclination of the blades, and thus the intensity of heat transfer. These devices are metal-intensive, difficult to manufacture and do not provide countercurrent movement of the material to be cooled inside the furnace and the cooling air outside, which causes their low efficiency.

Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности и достигаемому результату является устройство для утилизации тепла корпуса вращающегося холодильника [5], содержащего неподвижные кольцевые оболочки, установленные с зазором относительно корпуса и огибающие его. Оболочки имеют форму замкнутых цилиндрических обечаек и равномерно распределены вдоль корпуса, при этом упомянутые обечайки имеют равномерно расположенные по окружности отверстия, которые соединены с всасывающей трубой компрессора для подачи воздуха в горелку печи. Недостатком данного устройства является низкая энергоэффективность процесса теплосъёма в связи со способом организации движения воздуха параллельно наружной поверхности корпуса холодильника, при этом каждая оболочка охлаждает только небольшой участок печи, ограниченный шириной самой оболочки, что не позволяет достичь коэффициента теплоотдачи более 40 Вт/м²К. Применение большого числа оболочек приводит к многократному увеличению объема прокачиваемого воздуха, что снижает его температуру и, следовательно, эффективность утилизации тепла, в частности при использовании нагретого воздуха в горелках для повышения температуры пламени.Closest to the claimed object in terms of technical essence and the achieved result is a device for heat recovery of the body of a rotating refrigerator [5], containing fixed annular shells installed with a gap relative to the body and enveloping it. The shells are in the form of closed cylindrical shells and are evenly distributed along the body, while said shells have holes evenly spaced around the circumference, which are connected to the suction pipe of the compressor to supply air to the furnace burner. The disadvantage of this device is the low energy efficiency of the heat removal process due to the method of organizing air movement parallel to the outer surface of the refrigerator case, while each shell cools only a small section of the furnace, limited by the width of the shell itself, which does not allow to achieve a heat transfer coefficient of more than 40 W / m²K. The use of a large number of shells leads to a multiple increase in the volume of pumped air, which reduces its temperature and, consequently, the efficiency of heat recovery, in particular when heated air is used in burners to increase the flame temperature.

Задачей изобретения является создание энергоэффективного струйного многосекционного рекуператора для утилизации теплоты сыпучих материалов, нагретых во вращающейся печи, обеспечивающего локальный турбулентный поток воздуха перпендикулярно к охлаждаемой поверхности и противоточное движение охлаждаемого материала внутри печи по отношению к перемещению воздуха из секции в секцию рекуператора извне печи.The objective of the invention is to create an energy-efficient jet multi-section heat exchanger for utilizing the heat of bulk materials heated in a rotary kiln, providing a local turbulent air flow perpendicular to the cooled surface and countercurrent movement of the cooled material inside the kiln relative to the movement of air from section to section of the recuperator from outside the kiln.

Поставленная задача решается тем, что струйный секционный рекуператор для охлаждения поверхности вращающегося барабанного холодильника содержит корпус, где каждая секция состоит из неподвижного кольцевого кожуха и цилиндрической обечайки с перфорированными отверстиями и всасывающими трубами с пониженным давлением внутри для сбора горячего воздуха и дальнейшей его утилизации, например, для повышения температура пламени горелки. В отличие от прототипа заявленное изобретение содержит цилиндрическую обечайку с перфорированными отверстиями, прикрепленную к неподвижному воздухонепроницаемому кольцевому козырьку, и посредством которой поток охлаждающего воздуха разбивается на множество струй, направленных перпендикулярно к охлаждаемой поверхности, от которой струи отражаются и создают турбулентное перемешивание воздуха, причем каждая секция на входе воздуха из предыдущей секции оснащена перфорированным кольцевым коллектором, представляющим собой аэродинамический шибер, создающим воздушную завесу, управляющую потоком воздуха.The problem is solved by the fact that the jet sectional heat exchanger for cooling the surface of a rotating drum cooler contains a housing, where each section consists of a fixed annular casing and a cylindrical shell with perforated holes and suction pipes with reduced pressure inside to collect hot air and further utilize it, for example, to increase the temperature of the burner flame. Unlike the prototype, the claimed invention contains a cylindrical shell with perforated holes attached to a fixed airtight annular visor, and by means of which the cooling air flow is divided into a plurality of jets directed perpendicular to the cooled surface, from which the jets are reflected and create turbulent air mixing, with each section at the air inlet from the previous section, it is equipped with a perforated annular manifold, which is an aerodynamic damper that creates an air curtain that controls the air flow.

Сборка секций рекуператора производится в последовательности, обеспечивающей перемещение охлаждающего воздуха из секции в секцию в направлении от холодного конца холодильника к горячему концу в противотоке с охлаждаемым материалом, что обеспечивает более высокую температуру снимаемого воздуха и, следовательно, более низкую температуру охлаждаемого материала, что повышает энергетическую эффективность рекуператора. Отдельные секции могут быть изготовлены в виде радиальных сегментов, собираемых в целое кольцо, охватывающее корпус холодильника.The heat exchanger sections are assembled in a sequence that ensures the movement of cooling air from section to section in the direction from the cold end of the cooler to the hot end in counterflow with the cooled material, which ensures a higher temperature of the removed air and, consequently, a lower temperature of the cooled material, which increases the energy efficiency. recuperator efficiency. Separate sections can be made in the form of radial segments assembled into a whole ring around the refrigerator body.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Воздушный поток из предыдущей секции, отраженный от охлаждаемой поверхности, попадает сначала в полость между кожухом рекуператора и перфорированной обечайкой, откуда он благодаря перепаду давлений между секциями вырывается сквозь отверстия перфорации перпендикулярно к охлаждаемой поверхности. Струи воздуха, разбиваясь о поверхность, обретают турбулентный характер движения с высоко эффективным теплосъемом с охлаждаемой поверхности. Дальнейшему движению воздуха вдоль поверхности холодильника препятствует воздушная завеса, создаваемая кольцевым коллектором, и воздух вынужденно засасывается в следующую аналогично устроенную секцию рекуператора и процесс повторяется. Выбирая последовательность расположения секций рекуператора, можно организовать движение воздуха в противотоке к движению охлаждаемого материала, достигнуть величины коэффициента теплоотдачи до 300 Вт/м²К и получить высокопотенциальный теплоноситель с температурой более 450°С. The air flow from the previous section, reflected from the cooled surface, first enters the cavity between the heat exchanger casing and the perforated shell, from where, due to the pressure difference between the sections, it escapes through the perforation holes perpendicular to the cooled surface. Air jets, breaking on the surface, acquire a turbulent nature of movement with highly efficient heat removal from the cooled surface. Further movement of air along the surface of the cooler is prevented by an air curtain created by the annular collector, and the air is forcedly sucked into the next similarly arranged section of the recuperator and the process is repeated. By choosing the sequence of location of the heat exchanger sections, it is possible to organize the movement of air in countercurrent to the movement of the cooled material, achieve a heat transfer coefficient of up to 300 W/m ² K and obtain a high-potential coolant with a temperature of more than 450°C.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой схематично показано заявляемое устройство для рекуперации теплоты нагретого материала, перемещающегося внутри вращающегося металлического холодильника.The essence of the invention is illustrated in Fig. 1, which schematically shows the inventive device for recovering the heat of heated material moving inside a rotating metal refrigerator.

Корпус охлаждаемого вращающегося холодильника 1 с внутренним пространством 2 охватывает струйный секционный рекуператор, содержащий неподвижный кольцевой кожух 3 с жестко приваренным к кожуху воздухонепроницаемым кольцевым козырьком 11, к которому прикреплена перфорированная обечайка 4 с регулярно расположенными отверстиями 5. Перфорированная обечайка расположена на некотором расстоянии от вращающегося корпуса 1, обеспечивая его свободное вращение. Каждая секция на входе воздуха из предыдущей секции или извне оснащена перфорированным кольцевым коллектором 6, создающим воздушную завесу, управляющую потоком воздуха (аэродинамический шибер). Воздушная завеса предотвращает перемещение воздуха вдоль поверхности печи, как это указано стрелками 7. Поток 8 из перфорированных отверстий разбивается об охлаждаемую поверхность, обеспечивая высокоэффективный теплосъем, и, ограниченный тепловой завесой 9 из коллектора 6, под действием перепада давления между секциями перемещается в пространство между кожухом 3 и перфорированной обечайкой 4 в следующей секции, охватывающей корпус 1 в зоне с более высокой температурой, чем в предыдущей секции. Секции прочно соединены между собой в узлах крепления 10. Секции могут быть выполнены в виде радиальных секторов, собираемых в целое кольцо.The body of the refrigerated rotary cooler 1 with an internal space 2 encloses a jet sectional heat exchanger containing a fixed annular casing 3 with an airtight annular peak 11 rigidly welded to the casing, to which a perforated shell 4 with regularly spaced holes 5 is attached. The perforated shell is located at some distance from the rotating casing 1, ensuring its free rotation. Each section at the air inlet from the previous section or from the outside is equipped with a perforated annular collector 6, which creates an air curtain that controls the air flow (aerodynamic damper). The air curtain prevents air from moving along the surface of the furnace, as indicated by arrows 7. The flow 8 from the perforated holes breaks on the cooled surface, providing highly efficient heat removal, and, limited by the thermal curtain 9 from the collector 6, under the influence of the pressure difference between the sections moves into the space between the casing 3 and a perforated shell 4 in the next section, covering the body 1 in a zone with a higher temperature than in the previous section. The sections are firmly connected to each other in the attachment points 10. The sections can be made in the form of radial sectors assembled into a whole ring.

Схема подключения рекуператора проиллюстрирована фиг. 2. Корпус вращающегося холодильника 1 находится внутри неподвижного многосекционного рекуператора 3. На фигуре в качестве примера рекуператор четырехсекционный. Рекуператор закреплен на отдельных опорах, холодильник опирается на опорные валки и приводится в движение этими валками или венцовой шестерней (на фигуре не указаны). Воздух засасывается в рекуператор с холодного конца холодильника и движется из секции в секцию к горячему концу холодильника в направлении стрелки a в коллектор нагретых газов 12, в котором поддерживается давление ниже атмосферного компрессором 13. При этом горячий воздух движется в направлении стрелки b. Из компрессора 13 воздух под давлением попадает на делитель потока 14. Большая часть горячего воздуха по воздуховоду 16 направляется на утилизацию в направлении стрелки c, в частности, непосредственно в печь или горелку с целью экономии энергоносителя. Незначительная часть горячего воздуха 10 – 20% направляется в распределительный воздуховод 15, где движется в направлении стрелок d и e к аэродинамическим шиберам, управляющим потоками воздуха внутри рекуператора.The heat exchanger connection diagram is illustrated in Fig. 2. The housing of the rotating cooler 1 is located inside the fixed multi-section heat exchanger 3. In the figure, as an example, the heat exchanger is four-section. The heat exchanger is mounted on separate supports, the cooler rests on support rolls and is driven by these rolls or by a ring gear (not shown in the figure). The air is sucked into the heat exchanger from the cold end of the refrigerator and moves from section to section to the hot end of the refrigerator in the direction of arrow a into the heated gas collector 12, in which the pressure is maintained below atmospheric pressure by the atmospheric compressor 13. At the same time, hot air moves in the direction of arrow b. From the compressor 13, pressurized air enters the flow divider 14. Most of the hot air through the air duct 16 is sent for disposal in the direction of the arrow c, in particular directly to the furnace or burner in order to save energy. A small part of the hot air 10 - 20% is sent to the distribution duct 15, where it moves in the direction of the arrows d and e to the aerodynamic dampers that control the air flows inside the heat exchanger.

Литература.Literature.

Dilip S Patel, Ravindrasinh R Parmar, Vipul M Prajapati “CFD Analysis of Shell and Tube Heat Exchangers –A review”. International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET) e-ISSN: 2395 -0056 Volume: 02 Issue: 09 | Dec-2015: р.2231Dilip S Patel, Ravindrasinh R Parmar, Vipul M Prajapati “CFD Analysis of Shell and Tube Heat Exchangers –A review”. International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET) e-ISSN: 2395 -0056 Volume: 02 Issue: 09 | Dec-2015: p.2231

K.G/Kulkarni, S.Y.Bhosale, “Experimental Investigation of Heat Transfer Enhancement by Using Clockwise and Counter -clockwise Corrugated Twisted Tape Inserts”. International Journal of Innovations in Engineering Research and Technology (IJIERT), v. 2, issue 5, May 2015.K.G/Kulkarni, S.Y.Bhosale, “Experimental Investigation of Heat Transfer Enhancement by Using Clockwise and Counter -clockwise Corrugated Twisted Tape Inserts.” International Journal of Innovations in Engineering Research and Technology (IJIERT), v. 2, issue 5, May 2015.

В.Д.Петраш, Э.А.Гераскина, Л.К.Емельянов и М.М.Кочкин. Устройство для охлаждения вращающейся печи. Авторское свидетельство СССР №1394018, 1988 г.V.D.Petrash, E.A.Geraskina, L.K.Emelyanov and M.M.Kochkin. A device for cooling a rotary kiln. Author's certificate of the USSR No. 1394018, 1988

В.Д.Петраш и М.М.Полунин. Устройство для охлаждения вращающейся печи. Авторское свидетедльство СССР №1733888 1992 г.V.D.Petrash and M.M.Polunin. A device for cooling a rotary kiln. USSR author's certificate No. 1733888 1992

Ю.А.Цумарев, Е.А.Латыпова, Я.М.Сургунт и А.С.Грищенко. Устройство для утилизации тепла корпуса вращающейся печи. Патент BY 7024 U кл. F 27 D9/00 2011 г.Yu.A.Tsumarev, E.A.Latypova, Ya.M.Surgunt and A.S.Grishchenko. A device for heat recovery of the body of a rotary kiln. Patent BY 7024 U class. F 27 D9/00 2011

Claims

1. A jet sectional heat exchanger for cooling the surface of a rotating drum cooler, containing a sectional housing in which each section contains a fixed annular casing, made with the possibility of external location of the relative outer surface of the refrigerator, and a cylindrical shell with perforated holes, characterized in that to the fixed annular casing an air-tight annular visor is attached to which, with a gap and with the possibility of installation with a gap between the casing and the cooler, a cylindrical shell with perforated holes is attached, each section at the air inlet from the previous section is equipped with a perforated annular manifold, which is an aerodynamic gate made with the possibility of creating air curtains and directing the air of the previous section reflected from the outer surface of the cooler into the gap between the casing and the perforated shell of the next section.

2. A jet sectional heat exchanger according to claim 1, characterized in that the sections of the heat exchanger are assembled in a sequence that ensures the movement of cooling air from section to section in the direction from the cold end of the cooler to the hot end in countercurrent with the material cooled in the rotating drum cooler.

3. Jet sectional heat exchanger according to claim 1, characterized in that the individual sections are made in the form of radial segments, made with the possibility of assembly into a whole ring, covering the refrigerator body.