Секция теплоуловителя

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(72) Авторы Кунтыш Владимир Борисович Сухоцкий Альберт Борисович Филатов Святослав Олегович Скроцкий Алексей Игоревич(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(57) Секция теплоуловителя прямоугольного фронтального сечения, содержащая трубные решетки, закрепленные вертикально в них шахматно или коридорно с поперечным 1 и продольным 2 шагами круглые трубы и боковые ограждающие листы, отличающаяся тем, что применены тонкостенные полиуретановые трубы с волнообразной стенкой, армированные упругой непрерывной стальной проволокой с шагоммежду витками спирали, при этом трубы перед закреплением в решетках предварительно растянуты в направлении продольной оси на 10-20 их первоначальной отрезной длины.(56) 1. Левитан Б.М. Вентиляция на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности. - М. Лесная промышленность, 1972. - С. 98-100. 2. Антуфьев В.М. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева. - М. - Л. Энергия, 1966. - С. 134-149. 3. Мовсесян В.Л., Мурзич А.Ф., Иванов А.Н. Профильно-пластинчатые теплообменники. - СПб. Изд-во РИД, 2002. - С. 270-280. 4. Патент РБ на полезную модель 8132, 2012. 107162015.06.30 5. Антуфьев В.М., Гусев Е.К., Ивахненко В.В., Кузнецов Е.Ф., Ламм Ю.А. Теплообменные аппараты из профильных листов. - Л. Энергия, 1972. - С. 92-93 (прототип). 6. Трофимов С.П. Цеховые системы аспирации и пневмотранспорта измельченных древесных отходов. - Минск БГТУ, 2010. - С. 22-33. 7. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Копп И.3., Мякочин А.С. Эффективные поверхности теплообмена. - М. Энергоатомиздат. - С. 62-65, 177-191. 8. Бельский А.П., Лотвинов М.Д. Вентиляция бумагоделательных машин. - М. Лесная промышленность, 1990. - С. 161-169. 9. Бузник В.М. Интенсификация теплообмена в судовых установках. - Л. Судостроение, 1969. - С. 68-85. Полезная модель относится к поверхностным рекуперативным трубным газогазовым теплообменным аппаратам с атмосферным давлением теплоносителей и предназначена преимущественно для применения в теплорекуперационных агрегатах (ТРА) бумаго- и картоноделательных машин с целью утилизации теплоты паровоздушной смеси (ПВС),удаляемой из сушильной части в окружающую среду. По функциональному назначению эти аппараты в данном конкретном случае называются теплоуловителями и относятся к секционным теплообменникам вследствие набора требуемой площади теплопередачи (теплообмена) из отдельных секций, количество которых устанавливается расчетом. Известна конструкция теплоуловителя 1, применяемая в системах технологической вентиляции сушильной части бумагоделательных машин и цехов их эксплуатации. Теплопередающая поверхность состоит из гладких алюминиевых листов толщиной 0,7-0,8 мм с размерами 21 м. Листы складываются между собой так, чтобы образовались чередующиеся вертикальные и горизонтальные каналы шириной 16-20 мм, не сообщающиеся между собой. При теплоаэродинамических расчетах за линейный определяющий размер принимается эквивалентный диаметр канала э 2. По вертикальным каналам снизу вверх движется ПВС, а по горизонтальным - нагреваемый воздух, схема движения потоков - однократный перекрестный ток. Коэффициент компактности теплоуловителя до 80 м 2/м 3. Недостатками пластинчатых теплоуловителей являются сложная технология их изготовления, значительные габариты и масса вследствие низкой тепловой эффективности,обусловленной безотрывным движением рабочих сред (воздушных потоков внутри прямых длинных узких каналов прямоугольного поперечного сечения). Известна конструкция теплоуловителя 2 из профильных алюминиевых листов толщиной 1 мм, в которой частично устранены отмеченные недостатки по причине применения в конструкции каналов с уменьшенным эквивалентным диаметром до э 11-17 мм,что интенсифицировало заметно теплоотдачу наряду с организацией волнообразного движения нагреваемого воздуха. Компактность возросла до 120 м 2/м 3, теплоуловитель оказался меньших габаритов и массы, но возросла загрязняемость в углах двухугольных каналов по стороне движения ПВС. Для сохранения повышенных энергетических характеристик и обеспечения длительной эксплуатационной надежности потребовалась установка на входе ПВС в теплоуловитель очистных фильтров 3, что повысило аэродинамическое сопротивление движению ПВС и, следовательно, затраты энергии на привод вытяжного устройства. Снизилась экономическая эффективность, усложнилась эксплуатация, что препятствует их широкому внедрению в ТРА бумаго- и картоноделательных машин. В предложенном теплоуловителе 4 применена вихревая интенсификация теплоотдачи, что позволило существенно увеличить энергетическую эффективность и снизить металлоемкость. Для этой цели на исходных гладких алюминиевых листах штамповкой нанесены полусферические лунки такой глубины, при которой на противоположной сто 2 107162015.06.30 роне возникли удобообтекаемые выступы под лунками. Лунки образуют вихри, которые препятствуют осаждению загрязнений, но за выступами с подветренной стороны возникают очаги загрязнений. Возникла дополнительная операция по нанесению лунок, технология сборки теплоуловителя не упростилась, осталась такой же, что и в гладкопластинчатом аппарате. Общеизвестна конструкция теплоуловивителя 5 трубчатого типа, принятого нами за прототип, применяемая в многоступенчатых ТРА бумаге- и картоноделательных машин. Теплоуловитель состоит из алюминиевых труб наружного диаметра 38-40 мм с толщиной стенки 1,0-1,5 мм. Трубы расположены в трубных решетках коридорно с поперечным шагом 160 мм и продольным 260 мм. Также возможна и шахматная компоновка труб с шагами 150 мм и 244 мм. Коэффициент компактности возрос от 33 до 54,2 м 2/м 3. Нагреваемый воздух движется горизонтально в межтрубном пространстве перпендикулярно продольной оси труб, а ПВС движется вертикально внутри труб снизу вверх. Достоинства теплоуловителя низкая загрязняемость внутренней поверхности труб вследствие большого внутреннего диаметра и постоянного смыва волокон бумажной массы стекающим конденсатом водяного пара ПВС, уменьшенное аэродинамическое сопротивление по воздушной стороне. Однако и в этой конструкции не удалось устранить принципиальные недостатки громоздкость, значительную массу, пониженную энергетическую эффективность, что связано с низкой интенсивностью теплоотдачи по обеим сторонам рабочих сред. Общим недостатком всех проанализированных конструкций теплоуловителей является необходимость применения теплопередающей поверхности из нержавеющей стали в случае удаления ПВС от сушильной части машин, вырабатывающих вискозную целлюлозу, когда бумажная масса имеет показатель кислотности 4 (кислая среда). Масса и стоимость теплоуловителей возрастают. Задача полезной модели - повышение энергетической эффективности теплоотдачи и теплопередачи, снижение массы и объема секции, повышение эксплуатационной надежности и коррозионной стойкости. Поставленная задача достигается в секции теплоуловителя прямоугольного фронтального сечения, содержащей трубные решетки, закрепленные вертикально в них шахматно или коридорно с поперечным 1 и продольным 2 шагами круглые трубы и боковые ограждающие листы, отличающейся тем, что применены тонкостенные полиуретановые трубы с волнообразной стенкой, армированные упругой непрерывной стальной проволокой с шагоммежду витками спирали, при этом трубы перед закреплением в решетках предварительно растянуты в направлении продольной оси на 10-20 их первоначальной отрезной длины. Принципиальным отличием предлагаемой секции по сравнению с прототипом является применение в ней в качестве поверхности теплопередачи тонкостенных полиуретановых труб с волнообразной стенкой, которая армирована упругой стальной проволокой малого диаметра 0,7-1,0 мм, навитой по спирали внутри толщины стенки с некоторым шагоммежду витками спирали. Такие трубы с внутренней стороны имеют плавноочерченные удобообтекаемые выступы высотой , которые играют роль шероховатости на стенке и выполняют турбулизирующее воздействие на движущийся поток ПВС, а с наружной стороны трубы (на внешнем диаметре ) образуются впадины с небольшим углом наклона к направлению перпендикулярного потока воздуха, разрушающие пограничный слой. Предлагаемые к применению трубы 6 изготавливаются в промышленных объемах и характеризуются следующими положительными свойствами рациональными аэродинамическими параметрами, легкостью, коррозионной стойкостью к химически агрессивным средам, широким температурным диапазонам режимов эксплуатации от -40 до 125 С,3 107162015.06.30 трудновоспламеняемостью, устойчивостью к вибрациям, высокой прочностью на растяжение и на разрыв. При осуществлении полезной модели могут быть получены следующие техникоэкономические результаты. Для оптимальной высотыи шагаспиральных плавноочерченных выступов интенсификация теплоотдачи 7 при движении ПВС внутри труб в среднем составляет 1,8-2,0 раза в интервале изменения скорости смеси 9-11 м/с в промышленных теплоуловителях при относительно небольшом росте аэродинамического сопротивления в 2,6-2,45 раза в сравнении с гладкими трубами. Энергетическая (тепловая) эффективность теплоотдачи ПВС увеличится в 1,6-1,7 раза при одинаковой затрате мощностина прокачку ПВС через трубы. При поперечном обтекании труб снаружи воздухом коэффициент теплоотдачи и аэродинамическое сопротивление от воздействия канавок на поверхности возрастут одинаково на 15-20 , что соответствует увеличению энергетической эффективности пучка труб по внешней стороне в 1,1 раза. Для оценки изменения коэффициента теплопередачи секции с предлагаемой конструкцией трубы выполнены нижеследующие расчеты. Примем по данным примера 8 коэффициент теплоотдачи ПВС при движении ее внутри гладкой алюминиевой трубы 140 Вт/(м 2 К), а коэффициент теплоотдачи воздуха при поперечном обтекании труб(межтрубное пространство) 280 Вт/(м 2 К), толщина стенки трубы 1,5 мм, коэффициент теплопроводности алюминия 210 Вт/(мК). Данные относятся к прототипу, т.е. базовой конструкции секции теплоуловителя. Коэффициент теплопередачи составит 1 В предлагаемой полезной модели имеем 11,94076 Вт/(м 2 К), 21,1758094 Вт/(м 2 К),1,5 мм,0,35 Вт/(мК). Тогда коэффициент теплопередачи 1 Видно, что коэффициент теплопередачи в полезной модели увеличился в 35,6/26,71,33 раза и это несмотря на весьма ощутимое ухудшение теплопроводности армированной полиуретановой стенки в 210/0,35600 раз. Совершенно очевидно, что энергетическая эффективность теплопередачи полезной модели превышает эту характеристику для прототипа. Площадь поверхноститеплопередачи полезной модели уменьшится как минимум в 1,33 раза. От воздействия аэродинамического давления поперечного потока воздуха вследствие отрыва вихрей в окрестности миделева сечения трубы возникают вибрации трубного пучка, что сопровождается дополнительной интенсификацией теплоотдачи 9 с обеих сторон. Поэтому полученное значение снижениеявляется нижним пределом, в действительности оно больше. Меньшая площадьтеплопередачи сопровождается улучшением габаритно-массовых параметров секции теплоуловителя, т.е. уменьшением массы и занимаемого объема. Дополнительное снижение массы возникает от меньшей плотности 1350 кг/м 3 полиуретановой трубы в сравнении с алюминиевой базовой трубой 2670 кг/м 3. Плотность меньше приблизительно в два раза. Вибрация труб препятствует осаждению загрязнения на стенке, но решающее влияние оказывает плавноочерченные выступы с вихреобразованием, вызывающие самоочищение 7 стенки от волокон с выносом последних в ядро ЛВС и далее поступающие с водой в отстойный бак. В итоге возрастает эксплуатационная надежность, увеличиваются временные сроки между выводами из эксплуатации теплоуловителя на очистку, снижаются эксплуатацион 4 107162015.06.30 ные затраты. Стойкость полиуретана к кислым средам расширяет диапазон применимости теплоуловителя по технологическим режимам производства бумаги и картона. Особенность тонкостенных полиуретановых труб даже при наличии армирования стальной проволокой заключается в небольшой поперечной жесткости, что приводит к их повышенной гибкости. Для обеспечения неизменности проходного сечения каждого поперечного ряда труб по воздуху необходимо обеспечить постоянное значение шага 1. Это достигается предварительным растяжением (удлинением) трубы в направлении продольной оси на 10-20 от ее отрезной длины перед закреплением концов в трубных решетках. Применение этой операции выполняет важную теплоэнергетическую задачу, так как позволяет достичь требуемых оптимальных параметрови , вычисленных предварительным расчетом с учетом достижения максимальной энергетической эффективности полезной модели. Таким образом, в заявленной секции теплоуловителя полностью решена сформулированная задача. Полезная модель поясняется фиг. 1-4. На фиг. 1 изображен продольный разрез полиуретановой армированной трубы на фиг. 2 - вид спереди на секцию теплоуловителя на фиг. 3 представлен вид сверху на секцию теплоуловителя на фиг. 4 - фрагмент шахматной разбивки труб. Круглая труба наружного диаметрасо спиральными выступами высотойи шагомимеет полиуретановую стенку 1 толщиной , которая армирована стальной упругой спиральной проволокой 2. Проволока заключена внутри толщины стенки и не имеет прямого контакта с рабочей средой. Секция теплоуловителя содержит круглые полиуретановые трубы 3, верхнюю 4 и нижнюю 6 трубные решетки, в которых закреплены концы труб, и боковые ограждающие листы 5 для направления нагреваемого потока воздуха в межтрубное пространство пучка перпендикулярно продольной оси труб. Трубы в решетках пучка расположены коридорно с поперечными продольны 2 шагами или шахматно с шагами 1 и 2 (фиг. 4), но по вершинам равностороннего треугольника с шагом 12, а 20,866 1, где 2 - диагональный шаг. Трубы располагаются вертикально. Секция теплоуловителя работает следующим образом. Внутрь труб 3 снизу вверх принудительно подается ПВС из сушильной части буммашины, которая охлаждается, передавая тепловой поток нагреваемому воздуху, движущемуся принудительным потоком со скоростью 8-11 м/с в межтрубном пространстве секции, обтекая трубы снаружи. Тепло конвекцией от наружной поверхности труб передается воздуху, который движется через межтрубное пространство, ограниченное трубными решетками 4, 6 и ограждающими листами 5. Воздух нагревается и направляется на вентиляцию машинного зала или вентиляцию сушильной части машины. Охлажденная ПВС выбрасывается в окружающую среду. Полезная модель может быть использована проектно-конструкторскими институтами химического машиностроения при разработке системы технологической вентиляции оборудования целлюлозно-бумажных комбинатов, а также системы кондиционирования и вентиляции промышленных цехов, сооружений и зданий общественно-массового назначения. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6