книги из ГПНТБ / Волгина, Ю. М. Теплотехническое оборудование стекольных заводов учебник

о коэффициенте теплопередачи для металлических реку­ ператоров приведены в табл. 1. Коэффициент теплопере­ дачи для керамических рекуператоров составляет 2—7 Вт/(м2-°С) при скорости дымовых газов и воздуха

0,5—2 м/с.

Средний температурный напор в рекуператорах Д/Ср зависит от начальной и конечной температуры тепло­ носителей и от направления их движения по отношению

ны выхода дымовых газов из рекуператора: при прямотоке Д^Ков=

= ^кон— С эн ’ ПРИ противотоке A?koh= ^ oh— *нач'- д ^6 и — разности температур теплоносителей в том конце рекуператора, где

При расчете металлических рекуператоров необходи­ мо проверять температуру стенки ввиду опасности ее перегрева (при противотоке — у места входа дымовых газов, при прямотоке — у места входа и выхода дымо­ вых газов).

* См., например, «Справочник теплотехника», т. 1, ч. 1, гл. 7. М., Госэнергоиздат, 1957.

40

Температуру поверхности стенок металлического ре­ куператора со стороны, соприкасающейся с дымовыми газами, определяют по формуле

При расчете керамических рекуператоров проверяют температурный перепад в стенках элементов для предот­ вращения опасности образования трещин, которые могут появиться, например, в шамотных рекуператорах при перепадах температур внутри стенки более 250° С.

Термическую надежность шамотных рекуператоров определяют из условия

где бет— толщина стенки на проверяемом участке в м.

Увеличение толщины стенок, устройство ребер умень­ шают термическую надежность.

Задаваясь типом трубчатых элементов (одноходовые или двухходовые) для керамических рекуператоров или типом труб (длина и шаг игл) для металлических иголь­ чатых, определяют конструктивные размеры этих аппа­ ратов.

§ 7. Регенераторы

Регенераторы представляют собой камеры, заполнен­ ные решетчатой насадкой из огнеупорного кирпича, ко­ торая выполняет роль аккумулятора тепла. Работа регенераторов основана на периодической аккумуляции тепла отходящих газов с последующей отдачей его на­ греваемому воздуху или газообразному низкокалорий­ ному топливу.

В каждый отдельный период через насадки проходит только одна среда — или нагревающая, или нагреваемая. Поэтому в регенераторах можно подогревать горючий газ. На рис. 8 приведена схема действия регенераторо<в. Отходящие газы, покидая ванную печь 1, проходят на­ садочные камеры регенераторов 2 и 3 и отдают значи­ тельную часть своего тепла. Далее газы по каналам

41

4—7 отводятся в дымовой боров 8 и затем в дымовую трубу. Горючий газ и воздух поступают в печь по кана­ лам 9—11, проходят регенераторы 12 и 13 с нагретой насадкой и подогреваются в них. Через определенный промежуток времени насадки регенераторов 2 и 3 ока-

◄

Рис. 8. Схема работы ре­ генераторов

д — то ж е , двухходовой

зываются сильно разогретыми, а насадки регенераторов 12 и 13 — охлажденными. Вследствие этого температура отходящих газов сильно повышается, а температура по­ догрева газа и воздуха значительно снижается. Тогда переключают клапаны 14 и 15, и направление движения газов меняется. Горючий газ и воздух поступают для подогрева в регенераторы 2 и 3, а отходящие газы из печи отводятся через охладившиеся регенераторы 12

п13.

Врегенераторах воздух и низкокалорийный газ подо-

42

гревают до 900—1000° С. При использовании высокока­ лорийного топлива воздух может быть подогрет до

1000-1150° С.

В зависимости от направления движения газов и ме­

главным образом при высоком уровне грунтовых вод. Они требуют меньшей строительной высоты, так как от­ сутствуют нижние, а иногда и верхние распределитель­ ные каналы. Ввиду большого сопротивления горизон­ тальные регенераторы изготовляют обычно одноходовы­

(рис. 9, а и б), в которых насадка имеет меньшее аэро­ динамическое сопротивление, менее подвержена загряз­ нению шихтной пылью и легче может быть заменена. На рис. 10 показан вертикальный регенератор, в кото­

нагревают ее и удаляются по общему каналу, располо­ женному под насадками. Насадки регенераторов по дли­ не печи разогреваются неодинаково. Объясняется это тем, что огнеупорные кирпичи насадки, расположенные под горелками варочной части печи, оплавляются и раз­ рушаются под действием высоких температур. В связи с этим приходится периодически заменять насадки реге­

регенераторов улучшается при разделении их на отдель­ ные секции (см. рис. 9, б) соответственно расположению и количеству горелок с самостоятельным отводом грею­ щих газов и подводом воздуха и газообразного топлива. Такие секционные регенераторы применяют в основном в крупных ванных печах, так как они позволяют регу­ лировать количество воздуха и газа, подаваемых отдель­ но на каждую горелку. Для регулирования температур и давления в дымовоздушных и дымогазовых каналах каждой секции устанавливают поворотные шиберы. При разрушении какой-либо секции регенераторов отключа­ ется только соответствующая горелка, меняется насадка, что мало отражается на режиме работы печи.

43

Для нормальной работы стекловаренных печей необ­ ходимо, чтобы в рабочую камеру постоянно поступал по­ догретый воздух п горючий газ. С этой целью на печи устанавливают две пары регенераторов, насадка кото­ рых поочередно то нагревается отходящими газами, то передает аккумулированное насадкой тепло воздуху и газу. Продолжительность подачи воздуха или горючего

Рис. 10. Вертикальный регенератор

1 — ниш а; 2 — приямок; 3 — поднасадочны й канал ; 4 — н асадка

газа (или период отвода дымовых газов) составляет для ванных и горшковых печей 30 мин. В течение 30 мин через насадки регенераторов проходят отходящие газы, отдавая кирпичной кладке свое тепло. Через 30 мин в эти нагретые насадки вместо отходящих газов посту­ пают холодный воздух и горючий газ. Аккумулированное насадочной решеткой тепло передается воздуху и горю­ чему газу, и они нагреваются до необходимой темпера­ туры. Постепенно, по мере отдачи тепла, насадочная решетка остывает, температура воздуха и газа понижа­

44

вновь пропускаются отходящие газы, насадочная решет­

регенераторов характеризуется нестационарным тепло­ вым режимом и колебаниями во времени температур по­ догрева воздуха в каждом цикле — от максимума до минимума. Греющие газы поступают в регенераторы с температурой 1350—1550° С и покидают их с темпера­

Для уменьшения потерь тепла в окружающую среду стены камер регенераторов выкладывают в три слоя: внутренний — в один огнеупорный (обычно шамотный) кирпич, средний — в один изоляционный (шамотный лег­ ковес или диатомовый) и наружный — в один пли полто­ ра красного кирпича. Для повышения газоплотности стены регенераторов снаружи покрывают специальными обмазками. Огнеупорная кладка стен и особенно сводов камер регенераторов выполняется из крупноразмерных кирпичей толщиной до 375 мм. Насадку регенераторов выкладывают в основном из шамотного кирпича, а на участках, где температура отходящих газов выше 1300—1400° С, — из динасового, высокоглиноземистого или термостойкого магнезитового или форстеритового кирпича. Последние стойки в отношении воздействия стекольной шихты. Толщина насадочного кирпича опре­ деляется его прочностью под нагрузкой и степенью уча­ стия в теплообмене. При небольшой толщине кирпича поверхность нагрева возрастает и уменьшается требуе­ мая продолжительность нагрева и охлаждения. Кроме того, при малой толщине кирпича увеличиваются коле­ бания температуры греющих и нагревающихся газов и уменьшается коэффициент теплопередачи. При слиш­ ком большой толщине кирпича его середина может не принимать участия в теплообмене, что бесполезно увели­ чивает объем насадки. Обычно для кладки насадки ре­ генераторов используют огнеупорные кирпичи прямо­ угольной формы толщиной 65—75 мм, выкладываемые на ребро. Кирпичи такой толщины могут выдерживать большую нагрузку в нижней части насадки и макси­ мально участвовать в теплообмене. Расстояние между кирпичами (ширина ячейки) в вертикальных регенера­ торах 60—130 мм, площадь свободного сечения, а следо-

45

вателыю, и свободный объем насадки составляют 50— 70%, чаще — 55—60%.

Существует несколько типов кладки насадки регене­ раторов (рис. 11). Насадку регенераторов можно выкла­ дывать так, что кирпичи образуют сплошные каналы (рис. 11, а). Но в вертикальных регенераторах каналы обычно располагаются чередующимися рядами—несме-

Рис. 11. Типы насадок вертикальных регенераторов

щенными (рис. 11, б) или смещенными в шахматном порядке (рис. 11, в). В последнее время получила рас­ пространение насадка с чередующимися рядами (рис. 11, г), в которой кирпичи в каждом продольном ряду расположены вразбежку и торцовые поверхности кирпича открыты, в связи с чем активная поверхность насадки возрастает. В насадке с чередующимися ряда­ ми газы, пройдя один ряд кирпичей, меняют скорость и направление. В насадке же со сплошными каналами эти параметры остаются неизменными. Активная поверх­ ность насадки со сплошными каналами несколько мень­ ше, чем насадки с чередующимися рядами, ввиду нали­ чия в последней открытых горизонтальных поверхностей.

Расположение регенераторов зависит от типа стекло­ варенной печи. В ванных печах с поперечным направле­ нием пламени регенераторы располагают вдоль продоль­ ных сторон под горелками, а в ванных печах с подково­ образным пламенем — с торца печи, параллельно или перпендикулярно ее оси. Каналы под насадками регене­ раторов перекрывают отдельными арками толщиной 230—300 мм и шириной 115 или 230 мм. Ширина проме­ жутка между арками обычно 115 мм. При ширине кана­ лов более 1,5 м замковые кирпичи арок (или два кирпи-

46

ча арок) делают более длинными, чтобы они упирались друг в друга и препятствовали искривлению арок. При ширине более 2 м поднасадочный канал делится стенкой на два, перекрываемые отдельными арками. Каналы со­ общаются между собой через отверстия в промежуточ­ ной стенке. Скорости в каналах под насадками (приве­ денные к 0°С) принимают равными 1—1,5 м/с.

§ 8. Основы теплотехнического расчета регенераторов

При расчете регенераторов определяют коэффициент теплообмена, площадь поверхности нагрева и размеры насадки.

Количество тепла, воспринятое насадкой от греющих (дымовых) газов в период нагрева тн ч за один цикл ра­ боты, определяют по уравнению

в кДж/(м2-°С); A t — средняя разность температур в °С.

Площадь поверхности теплообмена насадки F в м2 определяют из формулы (10):

Qr

( И )

k A i т„

Количество тепла, отдаваемое нагретой насадкой на­ греваемому воздуху за период охлаждения за один цикл работы регенератора QBв кДж, составляет:

где В — расход газообразного топлива в м3/ч или жидкого топлива в кг/ч; Ув —-удельный расход воздуха соответственно в м3/м3 или в

м3/кг; г ®он и t®aq — конечная и начальная объемная или удельная

энтальпия в кДж/м3 или кДж/кг; т 0хл — продолжительность периода охлаждения насадки (нагрева воздуха) в ч; Q0.c— потери тепла че­ рез кладку камеры регенератора в окружающую среду в кДж/период.

В теплотехническом расчете регенераторов допуска­ ется, что оставшееся в насадке тепло в конце каждого цикла (иначе глубина охлаждения насадки воздухом) постоянно и циклических колебаний не имеет; это отно­ сится также и к начальной энтальпии насадки после ра­ зогрева ее газами; следовательно, С?г=<3в. Обычно пе­ риод нагрева насадки в каждом цикле равен периоду охлаждения: Тц = Тохл = т = 0,5 ч.

47

При сделанных допущениях средний коэффициент теплообмена насадки k за период нагрева или охлажде­ ния в кДж/(м2-°С), учитывающий теплоотдачу от газов к насадке, аккумуляцию тепла в кирпичах насадки и теп­ лоотдачу от насадки к нагреваемому воздуху или газу, может быть подсчитан по формуле, предложенной И. Д. Семикиным и Э. М. Гольдфарбом:

от греющих газов к насадке и коэффициент теплоотдачи конвекцией от насадки к воздуху или газу в Вт/(м2-°С); т — продолжительность нагрева или охлаждения насадки в ч; бн, сп, рн, Ян — толщина кир­ пича насадки в м и его теплофизические свойства при средней тем­ пературе: удельная теплоемкость в Дж/(кг-°С), плотность в кг/м3 и коэффициент теплопроводности в Вт/(м-°С).

Различные насадки имеют разную удельную пло­ щадь поверхности нагрева f, которая выражается в м2/м3.

После определения значений k и F общий объем на­ садки в м3 находят из отношения

Исходя из значений Vu, подбирают линейные разме­ ры регенераторов. Ширина регенераторов должна быть кратной размеру кирпича насадки, но не менее 0,5 м и не более 4 м. Длина определяется протяженностью фронта расположения топливных горелок вдоль печи и достигает 20 м, а высота вертикальной насадки в совре­ менных ванных печах достигает 5—8 м.

Практикой проектирования и - эксплуатации ванных стекловаренных печей установлено, что на каждый квад­ ратный метр зеркала стекломассы в варочной части пе­ чи должно приходиться 15—20 м2 площади поверхности нагрева насадки регенератора при использовании высо­ кокалорийного природного газа или жидкого топлива и 25—32 м2 при использовании генераторного газа. При работе ванных печей с повышенным температурным ре­ жимом указанные нормативы несколько увеличивают.

Для горшковых печей с нижним пламенем высота насадки регенератора составляет 1,6—2,8 м, а на печах с верхним пламенем—2—3 м; длина соответственно

1,6—4 и 4—6 м и ширина—0,6—1,5 и 1,5—3 м.

На каждый квадратный метр площади пода горш­ ковых печей при 24-часовом цикле работы и отоплении

48

высококалорийным природным газом или жидким топ­ ливом площадь поверхности нагрева насадки регенерато­ ра составляет 10—15 м2, а при отоплении генераторным газом — 15—20 м2.

Для одно- и двухгоршковых печей при 36—48-часо­ вом цикле работы и отоплении высококалорийным при­ родным газом или жидким топливом на 1 м2 площади пода приходится 15—20 м2 площади поверхности нагрева насадки.

§ 9. Котлы-утилизаторы и водоподогреватели

При высокой температуре отходящих газов, покида­ ющих регенераторы и рекуператоры, за стекловаренны­ ми печами устанавливают котлы-утилизаторы или водо­ подогреватели. Для обычных стекловаренных печей тем­ пература отходящих газов у переводных клапанов или за рекуператорами достигает 400—550° С и их энталь­ пия составляет 20—30% потенциального тепла израсхо­ дованного топлива. В печах прямого нагрева температу­ ра отходящих газов 1100—1250° С, а энтальпия 45—65% в зависимости от температуры подогрева воздуха.

Установка котлов-утилизаторов рентабельна только в том случае, когда газы, поступающие в котлы, имеют температуру более 400° С. В котле они охлаждаются до

150—180° С.

В котле-утилизаторе или водоподогревателе может быть использовано не менее 50% энтальпии отходящих газов и получено до 1,2 кг пара на 1 кг сваренной стекло­ массы. Для печей прямого нагрева эти показатели со­ ставляют соответственно 85% и 2,5 кг пара на 1 кг стек­ ломассы.

При температуре отходящих газов 250—300° С по­ следние можно использовать для получения горячей во­ ды. В этом случае применяют котлы, имеющие хорошо развитую конвективную поверхность нагрева: газотруб­ ные и водотрубные с естественной, а чаще с многократ­ ной принудительной циркуляцией. При температуре от­ ходящих газов выше 600—700° С пригодны только во­ дотрубные котлы с естественной или принудительной циркуляцией. Котел должен иметь радиационную ка­ меру.