Теплообмен в рекуператорах

Рекуператор представляет собой теплообменный ап­парат, который работает в условиях стационарного теплового состо­яния. В рекуператоре тепло постоянно передается от остывающих дымо­вых газов к нагревающемуся воздуху (газу) через раздели­тельную стенку.

Полное количество тепла, переданного в рекуператоре, оп­ределяют по уравнению:

Вт,

где – суммарный коэффициент теплопередачи от дыма к воздуху (газу), характеризующий общий уровень теплопередачи в рекуператоре, ; – средняя (по всей поверхности нагрева) разность температур между дымовыми газами и воздухом (газом), К; – поверхность нагрева, через которую происходит пе­редача тепла от дымовых газов к воздуху (газу), .

Теплопередача в рекуператорах включает три основные сту­пени передачи тепла:

1) от дымовых газов к стенке рекупера­тора;

2) через разделительную стенку;

3) от стенки к нагреваемому воздуху или газу.

Тепло от дымовых газов к стенке передается как конвекцией, так и излучением. Локальный коэффициент теплоотдачи на дымо­вой стороне:

,

где – коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стен­ке конвекцией, ; – коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стен­ке излучением, .

Передача тепла через разделительную стенку зависит от теплового сопротивления стенки состояния ее повер­хности. Тепловое сопротивление стенки:

,

где s – толщина стенки, м; – теплопроводность материала стенки .

Тепло от стенки к воздуху передается только конвекцией, при нагреве газа как конвекцией, так и излучением. При нагреве воздуха теплоотдача определяется локальным коэффи­циентом теплоотдачи конвекцией . При нагреве газа коэффициент теплоотдачи:

,

где – коэффициент теплоотдачи от стен­ки к газообразному топливу конвекцией, ; – коэффициент теплоотдачи от стенки к газообразному топливу излучением, .

Таким образом, суммарный коэффициент теплопередачи:

.

В металлических рекуператорах обычно пренебрегают величи­ной теплового сопротивления стенки. В этом случае, суммарный коэффициент теплопередачи:

, .

В рекуператорах движение газообразной среды может быть противоточное, прямоточное и перекрестное. Графики (рис. 6.3) иллюстрируют изменение температуры поверхности нагрева при противоточной и прямоточной схемах движения.

Рис. 6.3. Схема движения газовых сред в рекуператорах

Из графиков видно, что при противоточном движе­нии температура подогрева воздуха может быть выше ко­нечной температуры дымовых газов , чего не может быть при прямоточной схеме. Одновременно с этим при противотоке температура стенки рекуператора может быть значи­тельно выше, чем при прямотоке. Учитывая это, противоточную схему используют в керамических и металли­ческих рекуператорах (при относительно невысоких температу­рах отходящих дымовых газов). Прямоточную схему применяют в металлических рекуператорах (при высокой темпе­ратуре дымовых газов, когда возникает опасность выхода рекуператора из строя).

При обоих схемах движения температура дымовых газов и воздуха изменяется по поверхности нагрева, что обусловливает изменение разности температур дымовых газов и воздуха. Поэтому в при определении полного количество тепла, переданного в рекуператоре, используют среднюю раз­ность температур по всей поверхности нагрева

.

При перекрестной схеме движения

,

где f – поправочный множитель; – средняя разность температур при противотоке.

Поправочный множитель, определяется по номограммам [1, c. 196] в зависимости от

,

.

При увеличении числа хо­дов в перекрестной схеме движения разность температур приближается к разности температур при проти­вотоке. Если число противоточных ходов боль­ше двух, то среднюю раз­ность температур можно оп­ределять как для противоточного рекуператора.