2.5.4 Размещение горелок в печи

Горелки в садочных печах (камерных, шахтных и др.) размещают равномерно по длине (высоте) рабочего пространства, чтобы обеспечить равномерность температуры по объему рабочего пространства и равномерность нагрева садки изделий. В печах же непрерывного действия затрачиваемая тепловая энергия значительно меняется по длине рабочего пространства [7, с. 33]. Со стороны загрузочного торца печи (кроме методической), где холодные изделия поглощают наибольшее количество тепла, на первой трети печи необходимо разместить 40-50 % горелок, а на оставшейся длине – остальные. Обычно в первой трети устанавливают 0,5N_уст, во второй – 0,3N_уст и в третьей – 0,2N_уст.

Число горелок n_г, которые необходимо установить в печи, приблизительно можно определить по соотношению

для горелок длиннофакельных

и , шт. (для короткофакельных)

где L_p – длина рабочего пространства печи в м, а знаменатель характеризует расстояние между горелками.

Горелки размещаются в обеих боковых стенках в шахматном порядке, а иногда и в торцовых стенках печи. Часто для повышения равномерности нагрева их располагают в два ряда по высоте печи, а в шахтных печах – через 1,0÷1,5 м по высоте рабочего пространства. При размещении горелок в горизонтальных печах в 2 ряда по высоте рабочего пространства их число должно быть увеличено в 1,5÷2 раза.

2.5.5 Выбор, расчет и размещение рекуператора

Для термических печей целесообразно использовать практически только металлические рекуператоры. Наиболее компактными являются игольчатые рекуператоры, поэтому для небольших термических печей они наиболее пригодны. Их можно устанавливать даже над печью, а использование хотя бы для первых рядов рекуператора труб из жаростойкого чугуна позволяет подогревать воздух до 500-550 ^оС [9, с. 192]. Конструкции игольчатых рекуператоров и их установку в дымоходах печей смотрите в [9, с. 62-67]. Существенными недостатками игольчатых рекуператоров являются: а) недостаточная газоплотность, что приводит к потере воздуха до 30 %, особенно в больших рекуператорах; б) значительная засоряемость сажей поверхности рекуператора с дымовой стороны, что резко ухудшает теплотехнические показатели рекуператора, поэтому необходимы частные чистки от сажи; в) сложная технология отливки игольчатых труб. Еще более существенные недостатки имеет термоблочный рекуператор. На его стенках еще сильнее выделяется сажа, масса рекуператора при одинаковом нагреве воздуха в 4-5 раз больше, чем игольчатого, поэтому в термических печах его применять не следует.

В печах среднего и большего размера целесообразно использовать прямоточные или петлевые трубчатые рекуператоры конвективного теплообмена [9, с. 98-125]. При изготовлении труб из жаростойких сталей они позволяют нагревать воздух до 550–600 ^оС, обладают высокой газоплотностью, поэтому могут использоваться и для подогрева низкокалорийного доменного газа или смеси доменного и коксового газов. Для уменьшения размеров рекуператора целесообразно комбинировать гладкотрубные и игольчатые теплообменники. В этом случае по ходу дыма сначала в борове устанавливают гладкотрубный рекуператор, а затем игольчатый из обыкновенного серого чугуна, так как дым, пройдя сначала гладкотрубный рекуператор, подходит к игольчатому с температурой 600-500 ^оС, поэтому не перегреет его. В то же время гладкотрубный рекуператор предварительно, т.е. до того, как воздух попадет в игольчатый рекуператор, подогреет его до 200-300 ^оС.

Если температура дыма, входящего в рекуператор не ниже 900-950 ºС, то для средних и крупных печей может оказаться целесообразным использование радиационных, прежде всего щелевых или спиральных трубчатых рекуператоров [9, с. 125-171], которые обеспечивают подогрев воздуха до 500-700 ºС (если достаточна температура дыма), экономно расходуют дорогостоящую жаростойкую сталь, имеют длительную эксплуатационную стойкость, не загрязняются [9, с. 230-239]. В ряде случаев, особенно при реконструкции или ремонте печи, целесообразно устанавливать в существующие дымовые вертикальные каналы спиральные радиационные рекуператоры, если эти каналы имеют достаточно большое сечение (не менее 0,5 м ²). Установка такого рекуператора может быть осуществлена с наименьшими затратами.

В заключение рассмотрения вопроса о выборе типа рекуператора отметим, что во многих случаях наиболее рациональным может оказаться решение об установке комбинированного рекуператора, но в этом случае удваивается трудоемкость его расчета. Более обстоятельные рекомендации по выбору рекуператора смотрите в [9, с. 230-239].

Расчет рекуператора проводится с целью определения теплопередающей поверхности и затем его размеров. Как и для любого теплотехнического расчета, при расчете рекуператора должны быть приняты исходные данные: температура подогрева воздуха t_в.к в ºС, начальная температура воздуха t_в.н в ºС, объем нагреваемого воздуха В·V_в в м³/с, температура дыма, входящего в рекуператор t_д.н в ºС, объем дыма, проходящего через рекуператор, В·V_д в м³/с. Для расчета потребуются также различные теплофизические величины, приводимые в приложениях и в [8, с. 334, 335, 336].

t_в.н и t_в.к берутся из теплового баланса печи. t_в.н обычно принимается равной 20 ºС. t_д.н принимается с учетом потерь тепла в дымовом тракте

, ºС, (2.39)

где t_с – температура печи и температура печных газов (т.е. t_д.н ), уходящих из печи, ºС;

Δt – снижение температуры дыма по пути из рабочего пространства до рекуператора. Чем короче этот путь, тем меньше потери. Для учебных расчетов можно принять Δt = 10l;

l – расстояние от дымового канала печи до рекуператора в метрах.

Теплообменная поверхность рекуператора F определяется по формуле:

, м², (2.40)

где Q_в – физическое тепло подогретого воздуха, кВт;

К – коэффициент теплопередачи в рекуператоре, Вт/м² ·К;

ΔТ – среднеарифметическая разность температур в ºС, определяемая по формуле (2.41) при противоточном движении воздуха.

, ºС, (2.41)

где и – являются исходными данными для расчета рекуператора и ранее уже обсуждались.

А вот – температура дыма, выходящего из рекуператора – требует пояснения. Так как в рекуператоре тепло от дыма передается воздуху, то точно определить можно из теплового баланса рекуператора, например, по формуле (116) в [8, с. 121]. Ориентировочно же . Множитель 1,2 учитывает более высокую теплоемкость и больший объем дыма, чем у воздуха, проходящего через рекуператор.

Коэффициент теплопередачи в разных типах рекуператоров определяется по-разному. Наиболее просто – в игольчатых рекуператорах, так как они состоят только из труб трех типов, поэтому по результатам теплотехнических замеров были построены номограммы (рисунок 2.7, 2.8), позволяющие графически определить величину К. Для определения К предварительно нужно выбрать тип труб, из которых будет собран рекуператор (таблица 2.11), а также принять скорость движения воздуха и дыма в трубах рекуператора.

Рекомендуемые скорости: воздуха W_в= 6-10 м/с, дыма W_д= 1,0- 2,0 м/с для двусторонне-игольчатых труб и W_д= 2-4 м/с для односторонне-игольчатых труб [9].

Рисунок 2.7 – Общий коэффициент теплопередачи для игольчатых труб типа 28

Рисунок 2.8 – Общий коэффициент теплопередачи для игольчатых труб без наружных игл.

Таблица 2.11 – Характеристика труб игольчатых рекуператоров

Характеристика	Игольчатые трубы
	типа 17,5 (28)				без наружных игл (с уменьшенным фланцем)
Длина труб, мм	880	1135	1385	1640	880	1135	1358	1640
Сечение для прохода воздуха, м2	0,008	0,008	0,008	0,008	0,008	0,008	0,008	0,008
Сечение для прохода дымовых газов (между двумя сомкнутыми трубами), м2	0,060	0,080	0,100	0,120	0,042	0,055	0,067	0,080
Условная (расчетная) поверхность нагрева (без игл), м2	0,25	0,33	0,425	0,50	0,25	0,33	0,425	0,50
Масса трубы, кг	45(41)	55(52)	66(65)	80(76)	31	39	47	55

В гладкотрубных конвективных рекуператорах и радиационных рекуператорах теплопередающие элементы не типизированы, поэтому для них не разработаны номограммы, как для игольчатых рекуператоров. В связи с этим коэффициент теплопередачи К определяется расчетным путем по формуле

, Вт/м²·К, (2.42)

где α_д – коэффициент теплоотдачи от дыма к трубе;

α_в – от трубы к воздуху.

Если α_д и α_в вычислены правильно, то для конвективных рекуператоров К≈20 Вт/м²·К. Формулы для вычисления α_д и α_в приведены в [8, с. 123], а также примеры вычислений этих коэффициентов в [9, с.131]. Конструкции игольчатых, гладкотрубных и радиационных рекуператоров, а также примеры их расчета приведены в [9]. В качестве примера на рисунке 2.9 приведен двухходовой игольчатый рекуператор, который часто используется в термических печах.

Вычислив по формуле (2.39) площадь теплопередающей поверхности, определяют размеры гладких теплопередающих труб и их блоков. Блоки из труб формируют так, чтобы суммарное сечение каналов для прохода воздуха и дыма обеспечивали движение этих газов с принятыми для расчета скоростями, а именно:

, м², (2.43)

где ω_д – расход дыма, а ω_в – расход воздуха в м³/с.

В гладкотрубных рекуператорах скорость W_в= 6-10 м/с, а W_д= 2-4 м/с.

Количество труб в блоке определяется по соотношению

, (2.44)

где f_тр – площадь поперечного сечения одной трубы в просвете, м².

Если внутри труб дым, то .

Необходимое количество труб в блоке зависит от того, какой типоразмер трубы принят для данного рекуператора. В рекуператорах используют трубы с внутренним диаметром от 15 до 100 мм и толщиной стенки 2÷5 мм. Чаще всего применяют трубы с внутренним диаметром 30-60 мм и толщиной стенок 3-3,5 мм (рекуператоры из тонких труб получаются более компактными). Необходимую длину труб в рекуператоре определяют по формуле

, м, (2.45)

где F – необходимая поверхность теплообмена, м²;

d_cp =d_в.н +δ

d_вн – внутренний диаметр трубы, δ – толщина стенки трубы, м.

Если дым пропускают внутри труб, то рекуператор делают на всю длину труб. Если же внутри труб пропускают воздух, то обычно трубы разрезают на несколько равных частей (2 ÷ 6) и соединяют воздушными коробками укороченные блоки трубок так, чтобы воздух прошел по трубам путь, равный длине неразрезанной трубы l_тр. В этом случае воздух в рекуператоре делает соответствующее число ходов с изменением направления движения на 180 º при каждом следующем ходе [9, с. 45].

В блоке трубы необходимо расположить так, чтобы дым (или воздух, если принята схема пропускания дыма внутри труб), омывающий их снаружи, имел в наиболее узких просветах между трубами скорость, примерно равную принятой для расчета рекуператора (т.е. – 2-4 м/с для дыма и 6-10 м/с для воздуха). Сказанное поясняется схемой, показывающей расположение труб в блоке и размеры, необходимые для их компоновки (рисунок 2.10). Чем меньше Z₁ и Z₂, тем компактнее рекуператор. Однако по условиям изготовления рекуператора и необходимости его чистки Z₁ и Z₂ не могут быть меньше, чем 1,5 наружного диаметра труб d_нар.

Рисунок 2.9 – Двухходовой игольчатый рекуператор

1 – трубы; 2 – плоские стенки рекуператора; 3 – соединительные коробки; Z₁ и Z₂ – шаг труб в блоке соответственно в поперечном и продольном направлении к дымовому потоку, направление которого указано стрелками; В – ширина каналов; l_бл – длина рабочей части труб в блоке

Рисунок 2.10 – Схема расположения труб в блоке рекуператора (он обычно содержит несколько блоков)

Суммарная площадь просветов между трубами f_д, через которые проходит дым, определяется из выражения

, м², (2.46)

где т – число рядов труб с шагом Z₁;

l_бл – длина труб в блоке, м.

Из выражения (2.46) определяется т – число рядов труб в продольном к потоку направлении, т.к. f_д определено уже ранее по выражению (2.43). Обычно «т» получается дробным, поэтому принятую величину Z₁ или f_д нужно скорректировать так, чтобы «т» стала целым числом. Очевидно, что число рядов труб, перпендикулярных потоку дыма, определяется делением п_тр на т. полученное число округляется до большего целого.

Трубы блоков своими концами вставляются в отверстия стальных плит – «трубных досок» и привариваются к ним. К плитам привариваются также разделительные воздушные коробки, обеспечивающие определенный ток воздуха в рекуператоре, например, 2-х ходовой на рисунке 45 в [9].

В пояснительной записке обязательно в 2-х проекциях нужно привести эскиз сконструированного рекуператора и указать цифрами элементы его конструкции. Если рекуператор будет вычерчиваться на листе, то в записке должны быть ссылки на этот чертеж.

Значительно проще конструируется игольчатый рекуператор, т.к. он компонуется из труб типизированных размеров, которые приводятся в таблице 2.11 и на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 – Игольчатая чугунная рекуператорная труба

длиной 800 мм

По площади сечения для прохода воздуха общей и одной трубы, определяется число труб п₁ – в направлении хода воздуха, а по сечениям для прохода дыма – число труб п₂ в сечении, перпендикулярном направлению хода дыма. Число труб в блоке определяется произведением п₁ · п₂, а число блоков п_бл определяется из выражения

, (2.47)

где F – необходимая теплопередающая поверхность рекуператора, м²;

F_усл – условная поверхность одной трубы, м².

При определении числа труб в одном блоке и числа блоков обычно получаются дробные числа, которые нужно скорректировать до целых чисел путем изменения в допустимых пределах скоростей движения воздуха и дыма и, если необходимо, выбором другого размера трубы. Однако при этом нужно пересчитывать и F, так как она зависит от коэффициента теплопередачи К, который в свою очередь зависит от скорости воздуха и дыма. Сконструированный игольчатый рекуператор нужно привести в записке или выполнить чертеж. Пример смотрите на рисунке 2.9.

При выполнении эскиза рекуператора в записке и при выполнении его чертежа обязательно нужно изобразить и дымоход, в котором он устанавливается, а на чертеже печи должно быть обозначено место размещения рекуператора (над печью, с торца или бока печи). При размещении рекуператора необходимо обеспечить минимальное расстояние от места выхода дыма из рабочего пространства печи до рекуператора, чтобы меньше терялось тепла в дымоходах.