книги из ГПНТБ / Блинов О.М. Основы металлургической теплотехники

Это же количество тепла можно рассчитать и по другой формуле, в которую входит искомая величина поверхности.

Если известен коэффициент теплопередачи, то, умножив его на суммарную поверхность F, можно узнать количество тепла, передан­ ное за 1 ч через всю поверхность при разности температур между дымом и воздухом в 1 град. Умножив полученную величину на дей­ ствительную среднюю разность этих температур, узнаем суммарное количество тепла, переданное за 1 ч через всю поверхность. Это ко­ личество тепла должно равняться ранее определенному по формуле

Использование средней разности температур Atcp связано с тем, что эта разность, как это видно из рис. 57, б и 58, б, изменяется для различных частей поверхности. Определяют ее обычно арифметиче­ ским или логарифмическим усреднением начальной и конечной раз­ ностей температур дыма и воздуха, которые, как правило, задаются для каждой схемы движения газов. Величину коэффициента тепло­ передачи К либо выбирают по опыту работы имеющихся аналогичных рекуператоров, либо рассчитывают по специальной методике, осно­ вываясь на законах передачи тепла конвекцией, излучением и тепло­ проводностью.

Если рассчитывают металлический рекуператор, то необходимо рассчитать температуру стенки в наиболее опасной — высокотемпе­ ратурной зоне.

Рассчитав величину суммарной поверхности F, переходят к ком­ поновке рекуператора (исходя из имеющихся в наличии конструк­ тивных элементов — металлических или керамических труб) и опре­ делению его внешних габаритов.

Основные требования, предъявляемые к конструкции рекуператоров

При разработке конструкции рекуператора того или иного типа необходимо руководствоваться следующими основными и наиболее общими требованиями, предъяв­ ляемыми к рекуператорам каждого типа:

1)обеспечение максимальной степени утилизации тепла и, следовательно, наиболее высокой температуры подогрева воздуха;

2)возможно большая компактность рекуператора,

т.е. малые его габариты;

3)наименьшее гидравлическое сопротивление, созда­ ваемое рекуператором. Рекуператор можно представить как своего рода местное гидравлическое сопротивление на пути движения дымовых газов к трубе;

4)высокая герметичность конструкции, предотвра­ щающая попадание дымовых газов в нагреваемый воз­ дух и наоборот;

5)большая стойкость материала рекуператоров при воздействии на него высокой температуры дыма.

В зависимости от материала, из которого сделана на­ садка (под насадкой понимают совокупность трубок, стенки которых и представляют собой поверхность теп­ лообмена), все рекуператоры делят на две группы: 1) ме­ таллические; 2) керамические.

Металлические рекуператоры

Область применения. Металлические рекуператоры используют при подогреве воздуха до температуры от 300 до 600—700° С. При этом максимально допустимая тем­ пература уходящих газов перед входом в рекуператор не должна превышать 900—1000° С (исключая специальные радиационные рекуператоры, допускающие температуру дыма на входе 1400—1500° С).

Материалы для изготовления металлических рекупе­ раторов. Рекуператоры, предназначенные для подогре­ ва воздуха до 250—300° С, изготовляют из обыкновенных углеродистых сталей и серых чугунов, применение кото­ рых позволяет нагревать стенки до температур, не пре­ вышающих 450—500° С для углеродистых сталей и 500— 550° С для серых чугунов. При нагревании стенок выше указанных температур материал начинает быстро окис­ ляться, конструкция теряет свою жесткость и рекупера­ тор выходит из строя. Чтобы температура стенок не пре­ вышала 500—550° С, необходимо поддерживать темпера­ туру дымовых газов на входе в рекуператор не выше 700—750° С.

Для подогрева воздуха до более высоких температур (500—600° С), а также для увеличения стойкости реку­ ператоров при воздействии на них окислительной высо­ котемпературной газовой среды применяют легирован­ ные стали и чугуны. Легирующими элементами в основ­ ном являются Cr, Si, Al, Ti, Mn, Ni. Применение легированных чугунов и сталей позволяет повысить тем­ пературу подогрева воздуха, однако в значительной сте­ пени удорожает стоимость рекуператора. Поэтому часто применяют комбинированную конструкцию, когда часть рекуператора, работающая в наиболее тяжелых темпе-

V—У

Рис. 62. Трубчатый металлический рекуператор:

/ — плита для закрепления труб; 2 — трубы; 3 — песочный затвор; 4 — компенсатор

ратурных условиях (со стороны входа дымовых газов в рекуператор), выполнена из легированных чугунов или сталей, а остальная, работающая при пониженных тем­ пературах, — из обыкновенных углеродистых сталей или серых чугунов.

Конструкция металлических рекуператоров. В настоя­ щее время наиболее широко распространены металличе­ ские рекуператоры следующих видов:

а) трубчатые гладкостенные; б) трубчатые игольчатые; в) радиационные.

Конструкций трубчатых гладкостенных рекуператоров много, но общая принципиальная особенность их состоих в том, что все они представляют собой набор (пучок) гладкостенных металлических труб, концы которых за­ креплены в специальных плитах. Дымовые газы идут внутри труб, а воздух омывает эти трубы снаружи, полу­ чая от них тепло. Часто бывает и наоборот: по трубам идет воздух, а дымовые газы омывают трубы снаружи. На рис. 62 показана одна из наиболее распространенных конструкций трубчатого гладкостенного металлического рекуператора. Воздух проходит несколько раз через ре­ куператор, омывая трубы с внешней стороны, и, нагре­ ваясь, выходит через коллектор горячего воздуха, а затем идет в печь. Дымовые газы, проходят внутри труб свер­ ху вниз, охлаждаются и уходят в дымовую трубу. Как видно, в данной конструкции использована перекрестно­ противоточная четырехходовая схема движения газовых сред.

Одной из особенностей работы металлических труб­ чатых рекуператоров является их «рост», т. е. удлинение труб при нагревании. Особенно это удлинение заметно в процессе разогрева рекуператора; при этом чем длин­ нее трубы, тем заметнее «рост». Поэтому в таких кон­ струкциях применяют различные устройства для компен­ сации термического удлинения труб. Например (рис. 62), рекуператор «подвешивают», жестко закрепляя его толь­ ко в верхней части, а в нижней части монтируют ком­ пенсатор, который позволяет трубам удлиняться и сокра­ щаться без нарушения герметичности рекуператора в це­ лом. В верхней части предусмотрен еще один коллектор холодного воздуха. В случае повышения температуры дымовых газов сверх допустимых пределов и появления опасности выхода из строя верхних частей труб, через

этот коллектор подают холодный воздух, который охлаждает верхнюю часть рекуператора и снова по­ падает в коллектор горячего воздуха. В рекуператорах подобной конструкции воздух можно нагревать до 300— 400° С при температуре дымовых газов на входе в ре­ куператор до 800° С.

На печах небольших размеров часто применяют трубчатые металлические рекуператоры не с прямыми

Горячии Холодный

трубами, а согнутыми в виде петли (рис. 63). Такие ре­ куператоры с петлеобразными трубами обычно уста­ навливают в боровах печей. В этих рекуператорах уже не надо специально предусматривать термокомпенсатор, так как висячее расположение петлеобразных труб не препятствует их удлинению.

Для повышения срока службы холодный воздух по­ дается со стороны подхода дымовых газов к рекупера­ тору, облегчая при этом условия его службы. В таких ре­ куператорах можно нагревать воздух до 400° С при мак­ симально допустимой температуре дымовых газов 800— 850° С. Рекуператорам из гладких металлических труб присуща абсолютная герметичность (газоплотность), по­ этому их можно использовать для подогрева не только

воздуха, но и горючего газа. Для нагревательных печей небольшой производительности часто применяют реку­ ператор типа «термоблок». Он представляет собой сталь­ ные трубки, залитые снаружи чугуном, так что образует­ ся как бы чугунный блок. По залитым трубкам проходит воздух. Для прохода дымовых газов в блоке оставляют каналы.

Заливка труб в чугун предупреждает их окисление. Кроме того, вследствие большой массы чугуна термоблок аккумулирует в себе большое количество тепла. Это обес­ печивает равномерную температуру подогрева воздуха.

Трубчатые игольчатые рекуператоры

Для увеличения удельной поверхности теплообмена часто вместо труб с гладкими стенками применяют иголь­ чатые трубы. Игольчатые трубы отливают из чугуна типа Силал (чугун с добавкой алюминия), причем иглы могут быть расположены как на внешней, так и на внутренней поверхностях труб. Применение игл приводит, во-пер­ вых, к увеличению поверхности трубы, во-вторых, к турбулизации потока газа и, следовательно, к интенсифика­ ции процесса теплообмена.

Выпускают трубы рекуператоров двух типов— 17,5 и 28. Цифры означают расстояние между иглами (в мил­ лиметрах) на наружной поверхности трубы. На внут­ ренней поверхности расстояние между иглами у труб обоих типов одинаково и равно 14 мм.

На рис. 64 показана труба игольчатого типа длиной 880 мм. Внутри труб прямоугольного сечения обычно пропускается воздух, а снаружи дымовые газы. С точки зрения теплотехники, чем больше игл на поверхности, тем больше поверхность теплообмена. Однако иглы, нахо­ дящиеся на внешней (дымовой) поверхности трубы, вследствие запыленности дымовых газов быстро засо­

(воздушной) стороне труб.

Для удобства монтажа рекуператора из таких труб все трубы (как с наружными, так и только с внутренни­ ми иглами) отливают длиной 880, 1135, 1385, 1640 мм. На концах их предусмотрены фланцы с отверстиями. При по­ мощи болтов отдельные трубы собирают в секции. Число труб в секции достигает 80—-100. Длина секции равна

длине одной трубы. Число ходов воздуха в рекуператоре равно числу секций, которое зависит от температуры по­ догрева воздуха. Чаще всего используют двухходовые (двухсекционные) рекуператоры (рис. 65), обеспечиваю­ щие подогрев воздуха до 300—400° С при температуре дымовых газов на входе в рекуператор 800° С. Скорость движения воздуха по трубам не превышает 10, а дыма — 3—4 м/с.

Основным недостатком трубчатых игольчатых реку­ ператоров является их относительно низкая газоплот­ ность в местах соединений фланцев из-за неровностей на их поверхности, образующихся в процессе отливки. По­ этому особое внимание следует обращать на качество монтажа секций. Вследствие низкой газоплотности в та­ ких рекуператорах нельзя подогревать газообразное топ­ ливо. Недостаточная газоплотность приводит к тому, что происходит утечка воздуха, достигающая в больших ре­ куператорах 20—30% количества воздуха, подаваемого в рекуператор. Кроме того, происходит разбавление воз­ духом дымовых газов, что приводит к непроизводитель­ ным затратам воздуха. Основное преимущество таких рекуператоров — компактность их конструкции.

Радиационные рекуператоры

Вметаллических рекуператорах как с гладкими, так

ис игольчатыми трубами, передачи тепла от дымовых газов к трубам осуществляются в основном конвекцией, а излучение играет подчиненную роль, так как толщина слоя дымового газа незначительна. В последние годы широкое распространение получили так называемые ра­ диационные металлические рекуператоры (рис. 66). Ра­ диационный рекуператор представляет собой две осе­ симметрично расположенные цилиндрические трубы большого диаметра. Трубы сварены из листов жаропроч­ ной стали толщиной 5—6 мм. Диаметр внутреннего (ды­ мового) цилиндра в зависимости от размера рекупера­ тора колеблется в пределах 0,6—1,6 м. Ширина кольце­ вого канала между трубами для прохода воздуха равна 10—60 мм. Особенностью тепловой работы такого реку­

ператора является то, что передача тепла от дыма про­ исходит в основном излучением (радиацией). Поэтому применение радиационных рекуператоров целесообразно при температуре дымовых газов не ниже 700° С, так как

при более низких температурах роль излучения в пере­ даче тепла незначительна. Вследствие существенной толщины слоя высокотемпературных дымовых газов про­ исходит интенсивный перенос тепла к внутреннему ци­ линдру, от которого оно отводится конвекцией. Чтобы не происходил перегрев внутреннего цилиндра сверх допу­ стимой температуры, скорость движения воздуха в коль­ цевом зазоре достигает большой величины (20—30 м/с и больше), что интенсифицирует съем тепла с внутреннего цилиндра. Вследствие интенсивного теплоотбора темпе­ ратура внутренней стенки не превышает температуру подогрева воздуха больше, чем на 100—150 град.

Во избежание коробления рекуператора необходимо, чтобы все его части охлаждались равномерно. Это до­ стигается равномерным подводом холодного воздуха и отводом горячего.

Для компенсации температурных расширений в кон­ струкции рекуператора предусмотрены специальные ком­ пенсаторы.

Д ы м о в ы е

г а зы

Рис. 66. Принципиальная схе­ ма радиационного рекупера­ тора

В радиационных рекуператорах применяют как про­ тивоточную, так и прямоточную схемы движения газов, причем в случае работы рекуператора по прямоточной схеме температура дымовых газов на входе в рекупера­ тор может достигать 1400—1500° С.

Часто используют комбинированную схему, когда воз­ дух, предварительно подогреваясь в трубчатом рекупе­ раторе дымовыми газами, выходящими из радиационно­ го рекуператора, поступает затем в радиационный, где его температура поднимается еще больше. Такой комби­ нированный рекуператор иногда называют радиационно­ конвективным (рис. 67).

Рис. 67. Радиационно-конвективный рекуператор

Керамические рекуператоры

Керамические рекуператоры предназначены для бо­ лее высокого подогрева воздуха и работают при более высоких температурах дымовых газов. Поэтому при вы­ боре материала к нему необходимо предъявлять следую­ щие основные требования: