RU2523521C2

RU2523521C2 - Complex waste heat recovery unit

Info

Publication number: RU2523521C2
Application number: RU2012137461/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Сергеевич Ежов; Наталья Евгеньевна Семичева; Александр Юрьевич Журавлев; Антон Сергеевич Пивоваров
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2014-07-20
Also published as: RU2012137461A

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: invention relates to heat-and-power engineering and can be used for flue gas heat recovery at boilers, industrial furnaces, gas vents at air heating combined with electric power production. Proposed unit comprises body equipped with gas and air pipes. It accommodates the stack of perforated plates that make gas and air channels there between. Note here that plate perforation is composed of horizontal staggered slots. Said slots house thermoelectric units consisting of oval inserts made of resilient dielectric rustproof material. Zigzag-like rows of thermal emission converters are fitted in said slots. Every said converter is composed by a pair of bared wire lengths made from different metals M1 and M2 with their ends soldered together. Note here that said zigzag-like rows are interconnected in series by conductors to make thermoelectric sections connected with commutators of electric charges and terminals.

EFFECT: higher reliability and efficiency.

5 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для комплексной утилизации тепла сбросных газов, а именно для утилизации тепла дымовых газов котельных агрегатов, промышленных печей, вентиляционных выбросов при нагревании воздуха с одновременным получением электричества.The present invention relates to a power system and can be used for the integrated utilization of heat from waste gases, namely, for the utilization of heat from the flue gases of boiler units, industrial furnaces, ventilation emissions when heating air with the simultaneous generation of electricity.

Известен пластинчатый воздухоподогреватель, содержащий пакет из плоских пластин, покрытых антикоррозионным покрытием, с турбулизующими выступами, образующими между собой каналы для теплообменивающихся потоков газа и воздуха [А.с. СССР №1575062, Мкл. F28D 9/02, 1990].Known plate air heater containing a package of flat plates coated with an anticorrosive coating, with turbulent protrusions forming channels between them for heat-exchanging gas and air flows [A.S. USSR No. 1575062, mkl. F28D 9/02, 1990].

Основными недостатками известного пластинчатого воздухоподогревателя являются невозможность осуществления в нем утилизации тепла дымовых газов для попутной очистки их от твердых примесей (частиц пыли, золы, сажи и т.д.) и получения электроэнергии, что снижает его эффективность.The main disadvantages of the known plate air heater are the impossibility of utilizing heat of flue gases in it to simultaneously clean them of solid impurities (dust particles, ash, soot, etc.) and to generate electricity, which reduces its efficiency.

Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является полифункциональный воздухоподогреватель, включающий корпус, снабженный газовыми и воздушными патрубками, внутри которого помещен пакет из плоских сплошных и перфорированных пластин, размещенных поочередно, образующих между собой газовые и воздушные каналы, отверстия в перфорированных пластинах размещены попарно рядами друг против друга и снабжены шайбами, выполненными из диэлектрического материала, через которые пропущены также попарно, перпендикулярно и под углом относительно плоских пластин проволочные отрезки, выполненные из разных металлов и спаянные на копнах между собой, образуя зигзагообразные сетки (ряды), устроенные таким образом, что продольные половины каждого ряда зигзагообразной сетки находятся в газовом и воздушном каналах, образуя многорядные зигзагообразные сетки, размещенные одна над другой по ярусам, причем каждая многорядная зигзагообразная сетка соединена своими концами проволочными отрезками (соединительными проводами) с коллекторами электрических зарядов, соединенными в свою очередь с клеммами [Патент РФ №2422728, MПК F23L 15/04, 2011].Closer in technical essence to the present invention is a multifunctional air heater, comprising a housing provided with gas and air nozzles, inside which a packet of flat continuous and perforated plates placed alternately forming gas and air channels is placed, holes in the perforated plates are arranged in pairs in rows against each other and equipped with washers made of dielectric material, through which they are also passed in pairs, perpendicularly and At an angle relative to the flat plates, wire segments made of different metals and welded together among the stacks, forming zigzag nets (rows), arranged in such a way that the longitudinal halves of each row of the zigzag mesh are in the gas and air channels, forming multi-row zigzag nets placed one above the other in tiers, with each multi-row zigzag mesh connected at its ends by wire segments (connecting wires) to collectors of electric charges, connected ennymi in turn to the terminals [RF patent №2422728, MEC F23L 15/04, 2011].

Основными недостатками известного полифункционального воздухоподогревателя являются сложная конструкция перфорированных перегородок, наличие сплошных перегородок, не являющихся источниками термоэлектричества, непосредственный контакт оголенных спаянных парных концов проволочных отрезков (термоэмиссионных преобразователей) с охлаждаемыми газами и нагреваемым воздухом, как правило, содержащими коррозионно-активные компоненты и влагу, влекущий за собой быстрый коррозионный износ этих термоэмиссионных преобразователей и возникновение короткого замыкания, что снижает его надежность и эффективность.The main disadvantages of the known multifunctional air heater are the complicated design of the perforated partitions, the presence of solid partitions that are not sources of thermoelectricity, direct contact of the bare soldered paired ends of the wire segments (thermionic converters) with cooled gases and heated air, usually containing corrosive components and moisture entailing rapid corrosion wear of these thermionic converters and venie short circuit, which reduces its reliability and efficiency.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности комплексного утилизатора тепла сбросных газов.The technical result of the invention is to increase the reliability and efficiency of a comprehensive heat exchanger of waste gases.

Технический результат достигается комплексным утилизатором тепла сбросных газов, содержащим корпус, снабженный газовыми и воздушными патрубками, внутри которого помещен пакет, состоящий из перфорированных пластин, образующих между собой газовые и воздушные каналы, причем перфорация пластин выполнена в виде горизонтальных щелей, размещенных в шахматном порядке относительно одна другой, в которых помещены термоэлектрические звенья, состоящие из овальных вставок, выполненных из упругого диэлектрического коррозионностойкого материала, внутри которых помещены зигзагообразные ряды, состоящие из термоэмиссионных преобразователей, каждый из которых представляет собой пару оголенных проволочных отрезков, выполненных из разных металлов M1 и М2, спаянных на концах между собой, причем термоэлектрические звенья установлены в горизонтальных щелях таким образом, что продольные половины каждого термоэмиссионного преобразователя зигзагообразного ряда находятся в газовом и воздушном каналах, соответственно, сами зигзагообразные ряды каждого горизонтального ряда щелей на пластинах соединены между собой последовательно соединительными проводами, образуя термоэлектрические секции, каждая из которых также соединена соединительным проводом с коллекторами электрических зарядов, соединенными, в свою очередь, с клеммами.The technical result is achieved by a comprehensive waste gas heat utilizer comprising a housing provided with gas and air nozzles, inside which a package consisting of perforated plates forming gas and air channels between themselves is placed, and the perforation of the plates is made in the form of horizontal slots placed in a checkerboard pattern relative to one another, in which thermoelectric links are placed, consisting of oval inserts made of an elastic dielectric corrosion-resistant material inside which are placed zigzag rows consisting of thermionic transducers, each of which is a pair of bare wire segments made of different metals M1 and M2, welded together at the ends, and the thermoelectric links are installed in horizontal slots so that the longitudinal halves of each the thermionic converter of the zigzag row are in the gas and air channels, respectively, the zigzag rows of each horizontal row of slots on the plate They are interconnected in series by connecting wires, forming thermoelectric sections, each of which is also connected by a connecting wire to collectors of electric charges, connected, in turn, to the terminals.

На фиг.1-3 представлены общий вид и разрезы комплексного утилизатора тепла сбросных газов (КУТСГ), на фиг.4, 5 - термоэлектрическое звено и его стыковка с соединительными проводами и плоской перфорированной пластиной (перегородкой между газовым и воздушным каналом).Figs. 1-3 show a general view and sections of a complex waste heat utilizer (KUTSG), Figs. 4, 5 show a thermoelectric link and its connection with connecting wires and a flat perforated plate (a partition between the gas and air channels).

Предлагаемый КУТСГ содержит корпус 1, снабженный газовыми и воздушными патрубками (на фиг.1-5 не показаны), внутри которого помещен пакет, состоящий из перфорированных пластин 2, образующих между собой газовые и воздушные каналы 3 и 4, причем перфорация пластин 2 выполнена в виде горизонтальных щелей 5, размещенных в шахматном порядке относительно одна другой. В каждой горизонтальной щели 5 помещены термоэлектрические звенья (ТЭЗ) 6, состоящие из овальных вставок 7, выполненных из упругого диэлектрического коррозионностойкого материала (например, резины или пластмассы), внутри которых помещены зигзагообразные ряды 8, состоящие из термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 9, каждый из которых представляет собой пару оголенных проволочных отрезков 10 и 11, выполненных из разных металлов M1 и М2, спаянных на концах между собой, причем ТЭЗ 6 установлены в щелях 5 таким образом, что продольные половины каждого ТЭП 9 зигзагообразного ряда 8 находятся в газовом и воздушном каналах 3 и 4, соответственно, зигзагообразные ряды 8 ТЭЗ 6 каждого горизонтального ряда щелей 5 на пластинах 2 соединены между собой последовательно соединительными проводами 12, образуя термоэлектрические секции (ТЭС) 13, каждая из которых также соединена соединительным проводом 12 с коллекторами электрических зарядов 14 и 15, соединенными, в свою очередь, с клеммами 16 и 17, соответственно.The proposed KUTSG comprises a housing 1 provided with gas and air nozzles (not shown in FIGS. 1-5), inside which a packet is placed consisting of perforated plates 2 forming gas and air channels 3 and 4 between themselves, and the perforation of the plates 2 is made in in the form of horizontal slots 5 placed in a checkerboard pattern relative to one another. In each horizontal slot 5 thermoelectric links (TEZ) 6 are placed, consisting of oval inserts 7 made of elastic dielectric corrosion-resistant material (for example, rubber or plastic), inside which zigzag rows 8 consisting of thermionic converters (TEC) 9 are placed, each of which is a pair of bare wire segments 10 and 11, made of different metals M1 and M2, soldered at the ends between each other, and TEZ 6 are installed in the slots 5 so that the longitudinal halves of each about TEC 9 of zigzag row 8 are in the gas and air channels 3 and 4, respectively, zigzag rows 8 of TEZ 6 of each horizontal row of slots 5 on the plates 2 are interconnected in series by connecting wires 12, forming thermoelectric sections (TES) 13, each of which also connected by a connecting wire 12 to the collectors of electric charges 14 and 15, connected, in turn, to the terminals 16 and 17, respectively.

В основу работы КУТСГ положено увеличение скорости теплообмена при применении поверхностей теплообмена с искусственно созданными источниками турбулентности, что обеспечивает интенсификацию процессов теплопередачи путем турбулизации потока среды, разрушения ламинарного подслоя, увеличения поверхности нагрева и, в свою очередь, приводит к снижению размера теплообменной установки. Выполнение источников турбулентности в виде рядов ТЭЗ 6, внутри которых помещены зигзагообразные ряды 7, состоящие из ТЭП 9, изготовленных из проволочных отрезков 10 и 11, выполненных из металлов M1 и М2, спаянных на концах между собой, обеспечивает при нагреве одних спаянных концов горячими дымовыми газами и охлаждении других холодным воздухом появление в ТЭЗ 6 термоэлектричества [С.Г.Калашников. Электричество. - М.: «Наука», 1970, с.502-506).The basis of the work of KUTSG is an increase in the heat transfer rate when using heat transfer surfaces with artificially created turbulence sources, which ensures the intensification of heat transfer processes by turbulizing the medium flow, destroying the laminar sublayer, increasing the heating surface and, in turn, reducing the size of the heat exchange installation. The implementation of turbulence sources in the form of TEZ 6 rows, inside of which are placed zigzag rows 7, consisting of TEP 9 made of wire segments 10 and 11 made of metals M1 and M2, brazed at the ends between each other, ensures that one of the brazed ends is heated by hot smoke gases and other cold air cooling the appearance of thermoelectricity in TEZ 6 [S.G. Kalashnikov. Electricity. - M .: "Science", 1970, p. 502-506).

Комплексный утилизатор тепла сбросных газов (КУТСГ), представленный на фиг.1-5, работает следующим образом. Горячие сбросные газы из входного газового патрубка поступают в газовые каналы 3, а из входного воздушного патрубка противотоком в воздушные каналы 4 КУТСГ подается холодный воздух, который при прохождении через каналы 4 в результате процесса теплообмена, заключающегося в передаче тепла теплопроводностью через смежные перфорированные пластины 2 газовых и воздушных каналов 3 и 4, соответственно, конвекции в газовой и воздушной средах, нагревается до требуемой температуры и удаляется через выходной воздушный патрубок, а горячие сбросные газы охлаждаются и также удаляются через выходной газовый патрубок (на фиг.1-5 газовые и воздушные патрубки не показаны). При этом большое количество источников турбулентности в виде рядов ТЭЗ 6, расположенных в шахматном порядке, обеспечивает турбулизацию газовых и воздушных потоков в газовых и воздушных каналах 3 и 4 и, таким образом, повышает скорость теплопередачи между дымовыми газами и воздухом. Одновременно с процессом теплопередачи КУТСГ выполняет функцию электрогенератора в результате нагрева спаенных концов проволочных отрезков 10 и 11 ТЭП 9 в зигзагообразных рядах 8 ТЭЗ 6, расположенных в газовых каналах 3, горячими дымовыми газами и охлаждения других спаянных концов ТЭП 9, расположенных в воздушных каналах 4, холодным воздухом, что обеспечивает появление в зигзагообразных рядах 8 ТЭЗ 6 каждой ТЭС 13 термоэлектричества, которое поступает в коллекторы 14 и 15, а оттуда через клеммы 16 и 17 подается потребителю. При этом проволочные отрезки 10, 11 ТЭП 9 зигзагообразных рядов 8 изолированы от непосредственного контакта с дымовыми газами и воздухом слоем диэлектрического коррозионностойкого материала овальных вставок 7, что предохраняет металлы M1 и М2 пар 10 и 11 ТЭП 9 от коррозии и появления между ними короткого замыкания. Кроме того, в конструкции КУТСГ все пластины 2, образующие перегородки между газовыми и воздушными каналами 3 и 4, снабжены источниками термоэлектричества - ТЭЗ 6, что при одной и той же величине поверхности теплообмена по сравнению с известным изобретением обеспечивает двукратное увеличение получаемого количества термоэлектричества.The integrated heat utilizer of waste gases (KUTSG), presented in figure 1-5, works as follows. Hot exhaust gases from the inlet gas pipe enter the gas channels 3, and cold air is supplied from the inlet pipe to the air channels 4 of the KUTSG, which, when passing through the channels 4 as a result of the heat exchange process, which involves the transfer of heat by heat conduction through adjacent gas perforated plates 2 and air channels 3 and 4, respectively, convection in gas and air environments, is heated to the required temperature and is removed through the air outlet, and hot waste PSs are cooled and also removed through the gas outlet (gas and air nozzles are not shown in FIGS. 1-5). At the same time, a large number of turbulence sources in the form of TEZ 6 rows arranged in a checkerboard pattern provides for the turbulence of gas and air flows in gas and air channels 3 and 4 and, thus, increases the heat transfer rate between flue gases and air. Simultaneously with the heat transfer process, KUTSG performs the function of an electric generator as a result of heating the soldered ends of wire segments 10 and 11 of TEC 9 in zigzag rows 8 of TEC 6, located in gas channels 3, with hot flue gases and cooling of other soldered ends of TEC 9 located in air channels 4, cold air, which ensures the appearance in the zigzag rows 8 of the TEZ 6 of each TPP 13 of thermoelectricity, which enters the collectors 14 and 15, and from there through the terminals 16 and 17 it is supplied to the consumer. In this case, the wire segments 10, 11 of the TEC 9 of the zigzag rows 8 are isolated from direct contact with flue gases and air by a layer of dielectric corrosion-resistant material of oval inserts 7, which protects the metals M1 and M2 of pairs 10 and 11 of the TEC 9 from corrosion and the occurrence of a short circuit between them. In addition, in the design of KUTSG, all the plates 2 forming the partitions between the gas and air channels 3 and 4 are equipped with thermoelectricity sources - TEZ 6, which at the same heat exchange surface in comparison with the known invention provides a twofold increase in the obtained amount of thermoelectricity.

Очистку поверхности ТЭЗ 6 ТЭС 13 КУТСГ от налипших частиц механических примесей проводят периодически путем их обдувания сжатым воздухом. Интервал между обдувками устанавливают на основании опытных данных.The cleaning of the surface of TEZ 6 TPP 13 KUTSG from adhering particles of mechanical impurities is carried out periodically by blowing them with compressed air. The interval between blowings is set on the basis of experimental data.

Величина разности электрического потенциала на клеммах 16 и 17 КУТСГ зависит от характеристик пар металлов M1 и М2, из которых изготовлены проволочные отрезки 10 и 11 ТЭП 9, числа их в ТЭЗ 6 и числа ТЭС 13. Полученный электрический ток можно использовать для внутрицеховых нужд, например, для освещения.The magnitude of the difference in electric potential at terminals 16 and 17 of KUTSG depends on the characteristics of the metal pairs M1 and M2 from which the wire segments 10 and 11 of TEC 9 are made, their number in the TEZ 6 and the number of TPP 13. The resulting electric current can be used for workshop needs, for example , for lighting.

Таким образом, предлагаемый комплексный утилизатор тепла сбросных газов позволяет проводить одновременно нагрев влажного воздуха сбросными газами, имеющими в своем составе агрессивные примеси, и значительно увеличить количество получаемого термоэлектричества, что повышает его надежность и эффективность.Thus, the proposed integrated waste gas heat utilizer allows simultaneous heating of moist air with exhaust gases containing aggressive impurities and significantly increase the amount of thermoelectricity obtained, which increases its reliability and efficiency.

Claims

A comprehensive waste gas heat utilizer comprising a housing provided with gas and air nozzles, inside of which is a packet consisting of perforated plates forming gas and air channels between each other, zigzag rows consisting of thermionic converters, each of which is a pair of bare wire segments made of different metals M1 and M2, brazed together at the ends, the longitudinal halves of each zircon-shaped thermionic transducer are in the gas and air channels, zigzag rows are interconnected by collectors of electric charges and terminals, characterized in that all plates are made of perforated horizontal slots placed in a checkerboard pattern relative to one another, in which thermoelectric links consisting of oval inserts made of elastic corrosion-resistant dielectric material, zigzag rows consisting of thermionic transducers are placed inside oval inserts, and thermoelectric The electric links are installed in horizontal slots in such a way that the longitudinal halves of each zigzag thermionic converter are located in the gas and air channels, respectively, the zigzag rows of each horizontal row of slots on the plates are interconnected in series by connecting wires, forming thermoelectric sections, each of which is also connected connecting wire with electric charge collectors and terminals.