2. Устройство и принцип работы рекуперативных теплообменников.

Рекуператором называют теплообменный аппарат, предназначенный для передачи теплоты от одного газа к другому через разделительную стенку при стационарном тепловом ре­жиме. С точки зрения взаимного движения газов в рекуператоре (в дальнейшем один газ будем называть воздухом, а другой — продуктами горения) возможны три основные схемы: прямоток, когда воздух и продукты горения перемещаются в одном направ­лении; противоток, когда воздух и продукты горения переме­щаются в противоположных направлениях, и перекрестный ток, когда воздух и продукты горения перемещаются по отношению друг к другу под углом 90°.

На рис. 49 показано изменение температуры воздуха, продук­тов горения и разделяющей их стенки по длине l рекуператора.

а — прямоток; б — противоток; 1 — продукта горения; 2 — стенка;

3 — воздух;

t_в^н, t_в^к —температура воздуха в начале и в конце рекуператора;

t ^н_{п. г}, t ^к_п.г. —температура про­дуктов горения в начале и в конце рекуператора;

t_ст — температура стенки рекуператора

Рисунок 49 - Изменение температуры воздуха, продуктов горения и разделяющей их стенки в рекуператоре

При прямотоке воздух никогда не может быть нагрет выше ко­нечной температуры продуктов горения. При противотоке воздух может быть нагрет выше конечной температуры продуктов горе­ния.

При противотоке можно получить более высокий КПД реку­ператора. Стенка рекуператора находится в наиболее тяжелых условиях при противотоке и в наиболее благоприятных при пря­мотоке. В зависимости от условий работы рекуператора и имею­щихся материалов для изготовления рекуператора выбирают ту или иную схему.

Конструкции рекуператоров

Рекуператоры изготовляют из металла или керамических материалов. Керамические рекупера­торы имеют низкий коэффициент теплопередачи [3—5 Вт/(м∙К)], громоздки и негазоплотны. Металлические рекуператоры обеспечивают лучшую теплопередачу по сравнению с керамическими. Коэффициент теплопередачи металлического рекуператора 10— 30 Вт/(м∙К). Металлические рекуператоры изготовляют из чугуна и углеродистой стали при подогреве воздуха до темпера­туры 300 °С и жаропрочных сталей и сплавов — при подогреве до температуры 700 °С.

На рис. 50 показан щелевой радиационный рекуператор одно­стороннего нагрева, установленный на вертикальном дымоходе. Рекуператор работает по схеме прямотока и состоит из двух цилиндров (наружного 3 и внутреннего 2), изготовленных из листо­вой стали. В нижней части рекуператора расположен коллектор 1, в который поступает холодный воздух. Из него воздух перемеща­ется в кольцевую щель 5, где нагревается до необходимой тем­пературы. Горячий воздух затем поступает в верхний коллектор 4 и из него в трубопровод, соединяющий рекуператор с печью.

Рисунок 50 - Схема щелевого радиационного рекуператора

Продукты горения в рекуператоре движутся с небольшой ско­ростью так, что теплота от продуктов горения передается к стенке в основном за счет излучения (радиации). Рекуператоры такого типа применяют при температуре продуктов горения 1000— 1500 °С, т. е. когда газы интенсивно излучают теплоту. Температу­ра подогрева воздуха 600—700 °С.

В подобных рекуператорах в теплопередаче участвуют и вну­тренний и наружный цилиндры, что необходимо учитывать при определении поверхности рекуператора.

На рис. 60 дана схема теплопередачи в щелевом рекуператоре с односторонним обогревом. Количество теплоты, передаваемой от продуктов горения к внутреннему цилиндру, обозначено Q₁. Часть этой теплоты Q₃ передается конвекцией воздуху, проходя­щему через щелевое пространство рекуператора, а остальная часть Q₂ излучается на наружный цилиндр. Температура наруж­ного цилиндра, который имеет хорошую внешнюю тепловую изо­ляцию, обычно достаточно высока, и соприкасающийся с ней воз­дух нагревается, отбирая теплоту конвекцией (Q₄). Тепловые по­тери через изоляционный слой в окружающее пространство Q₅.

Рисунок 60 - Схема теплопередачи в щелевом радиационном рекуператоре

Имеются различные конструкции рекуператоров, изготовлен­ных из гладких стальных труб: в одних воздух движется в тру­бах, а продукты горения омывают наружную поверхность труб, в других — наоборот. На рис. 70 показана схема рекуператора, в трубах которого движутся продукты горения, а между трубами— воздух. Рекуператор имеет по воздушному пути четыре хода и ра­ботает по схеме перекрестного противотока. Трубы 2 расположены вертикально, их концы приварены к трубным листам 4 и 6. На равном расстоянии по высоте рекуператора расположены три листа 5, предназначенные для разделения потока воздуха. Число ходов в рекуператоре должно быть четным, чем обеспечивается равномерное удлинение труб в пучке при нагреве. Передается воздух из одного хода в другой по воздушным коробкам 3. Трубы в пучке могут иметь коридорное или шахматное расположение.

Данная конструкция рекуператора при необходимости поз­воляет производить очистку внутренней поверхности труб от пыли и других отложений, вносимых в рекуператор продуктами горения. Для уменьшения потерь теплоты рекуператором в окру­жающее пространство его наружная поверхность покрыта слоем 1 из теплоизоляционного материала.

Срок службы рекуператоров такого типа в значительной сте­пени зависит от того, как компенсируется температурное удлине­ние отдельных труб. Если отдельные трубы удлиняются на разную величину, то в трубных листах создаются напряжения, превыша­ющие прочность сварных швов, и герметичность рекуператора нарушается. В некоторых конструкциях эта проблема решается установкой на каждой трубе индивидуального компенсатора в виде сальника или поршневого кольца.

Рисунок 70 - Схема рекуператора из гладких стальных труб