книги из ГПНТБ / Щукин А.А. Экономия топлива в черной металлургии. Повышение тепловой эффективности огнетехнических агрегатов

Т а б л и ц а 2

Характеристика трубчатых воздухоподогревателей (газы движутся внутри труб, воздух — поперек пучка)

= 1,5. Для улучшения показателей рекомендуют более плотные

шаги. Так, если принять sl 0 T H =1,35 и s2oTH =1,15, то удельная поверхность / увеличится с 26,2 до 50,7 м2 /м3 , порозность по воздуху

уменьшится до е = 0,5 и соответственно со = 0,486 м2 /м2 при массе трубчатки g = 0,57 т/м3 .

Для теплообменника конструктивной характеристикой является отношение поверхности нагрева F, м2 , к площади для прохода тепло­ носителя Q, м2 . Применительно к трубчатому воздухоподогрева­ телю

50

Отсюда длина трубы в долях от диаметра

J.l _

dBH ~ 4 Q "

Площадь сечения для прохода газов при одних и тех же относитель­ ных шагах (Sj/d = const; s2/d = const) не зависит от диаметра.

Между теплообменом и аэродинамическим сопротивлением имеется определенная связь и повышения коэффициента конвектив­ ной теплоотдачи а достигают увеличением потерь давления, что видно из так называемой «аналогии Рейнольдса», которую формули­ руют для числа Прандтля Рг = 1 следующим уравнением:

или

ризующим интенсивность теплообмена. Этот критерий широко исполь­ зуют при расчете теплообменников в США. При конструировании теплообменников выбирают наивыгоднейшее соотношение между коэффициентом теплоотдачи и величиной аэродинамического сопроти­ вления Ар, пропорциональной затрате энергии на перемещение пото­ ков теплоносителей. Расчет конвективных рекуперативных воздухо­ подогревателей осуществляют, пользуясь методикой, изложенной в работах [2, 7], или графиками рис. 14, а я б.

Скорости, рекомендованные выше, относятся к оптимальным усло­ виям работы трубчатых воздухоподогревателей. В конечном счете тех­ нико-экономическими показателями являются величины, отнесенные к единице тепловой производительности (Гкал/ч, илиМвт): показатель габарита V/Q м3 /(Гкал/ч); показатель массы 0/<2т/(Гкал/ч); показатель расхода энергии на перемещение теплоносителей E/Q квт-ч/(Гкал/ч); показатель расходов по эксплуатации Ст/Q руб/(Гкал/ч).В работе [9] приведены некоторые показатели рекуперативных воздухоподогре­ вателей.

Основным недостатком трубчатых воздухоподогревателей являет­ ся слабая передача тепла [коэффициент теплопередачи составляет 12—18 ккал/(м2 -ч-град)], что в свою очередь обусловливает большие

серьезным недостатком является коррозия входных пакетов труб­ чатых воздухоподогревателей.

Для борьбы с коррозией в трубчатых воздухоподогревателях при сжигании сернистых мазутов принимают различные меры по повышению температуры стенки трубы входных пакетов. Этого дости­ гают путем подогрева воздуха, поступающего в воздухоподогрева­

В химическом машиностроении для защиты от коррозии широко применяют искусственный графит. Для повышения непроницае­ мости графита для жидкостей и газов графит пропитывают фенолоальдегидными и другими смолами, которые придают стойкость во многих агрессивных средах при температуре 150—170°С и выше. Особенно интересен опыт пропитки графита кремнийорганическими смолами, полимерами и др. Графит, пропитанный кремнийоргани­ ческими смолами, можно использовать при температуре до 240— 300° С.

52

Классификация высокотемпературных воздухоподогревателей

Регенерация тепла отходящих газов от огнетехнических агрега­ тов является важнейшим средством экономии топлива и повышения

(0,5—1 г.). И тем не менее рекуператоры медленно внедряются в про­ мышленность. Там, где подогрев воздуха служит средством достиже­ ния высоких температур, необходимых для процесса, применяют высокотемпературный подогрев воздуха, несмотря на трудные усло­ вия эксплуатации рекуператоров вследствие их малой стойкости. Применение стальных рекуператоров для высокотемпературного нагрева воздуха представляет сложную задачу и в настоящее время еще далеко не решенную. Сложность заключается: в необходимости применять дефицитные и дорогостоящие жаростойкие и жаропрочные трубы для изготовления той части рекуператора, в которой воздух нагревается до температур от 400 до 700—900° С; в неравномерном нагреве труб и секций рекуператора, что вызывает его разрушение при недостаточной компенсации удлинений; в загрязнении поверх­ ностей нагрева технологическим уносом (шлаками и пылью), что вызывает необходимость трудоемкой очистки поверхностей нагрева; в абразивном износе поверхностей нагрева твердой взвесью, состоя­ щей из шлаковых частиц и технологических уносов. Таким образом, стойкость рекуператоров определяется многими условиями, которые могут быть классифицированы как условия: теплотехнические, аэро­ динамические, строительные, технологические, конструктивные и эксплуатационные. Все эти условия влияют на сроки службы рекупе­ раторов. Классификация трубчатых стальных рекуператоров приве­ дена в табл. 3.

Из известных типов металлических рекуператоров наиболее пер­ спективными являются радиационные рекуператоры, которые менее чувствительны к загрязнениям, но они обладают малой регенератив­ ной способностью вследствие высоких температур уходящих газов. Для повышения степени регенерации после радиационных рекупера­ торов могут устанавливаться конвективные трубчатые рекуператоры й тогда всю установку называют радиационно-конвективным реку­ ператором. Конвективные трубчатые рекуператоры с нагревом воздуха до 300° С довольно широко используют в котельных уста­ новках, но и здесь есть свои трудности.

Дело в том, что трубчатые рекуператоры сильно подвержены загрязнениям и коррозии (сернокислотной и кислородной), они дороги и сложны в эксплуатации. Проще решаются конструкции с независимым (автономным) нагревом при отоплении газообразным топливом, так как в этом случае исключается загрязнение поверх­ ностей нагрева и их абразивный унос. Поэтому в ряде случаев вы­ годно устраивать обогрев рекуператоров от отдельных топок, в кото­ рых сжигают газообразное топливо с устройством рециркуляции

53

54

газов для защиты рекуператора от перегрева с тем, чтобы темпера­ тура газов при входе на поверхность нагрева не превышала 1000— 1100° С. Особенно перспективны высокотемпературные воздухоподо­ греватели с автономным нагревом, во-первых, на медеплавильных заводах, где газы, отходящие от отражательных печей, сильно за­ грязнены или имеют невысокую температуру (шахтные печи) и, во-вторых, на заводах черной металлургии, где в ряде случаев имеется возможность отапливать автономные воздухоподогреватели дешевым доменным газом.

Требования, предъявляемые к воздухоподогревателям, очень раз­ нообразны, так же как различны условия, в которых они работают.

номерность нагрузки. Поэтому неправильно думать, что может быть универсальное решение конструкции воздухоподогревателя. Для разных условий могут быть намечены наиболее подходящие конструкции, пригодные для работы в определенной области.

Рекуперативные стальные высокотемпературные воздухоподогреватели

Высокотемпературные рекуператоры работают при темпера­ туре 1200—900° С и подогревают воздух от 400 до 900° С [2, 9, 12]. Нагрев воздуха до 400° С осуществляют в конвективной части теплообменника. Принципиально более высокий подогрев целесооб­ разно осуществлять в радиационных рекуператорах, где вследствие высокой температуры греющих дымовых газов, в составе которых есть трехатомные газы, интенсивность лучистой теплоотдачи к по­

должны быть надежно скомпенсированы; следует учитывать вид золовых включений в потоке дымовых газов.

Металл рекуператора перегревается от недостаточного охлажде­ ния его, обычно в той части поверхности нагрева, куда поступают наиболее горячие дымовые газы и при больших местных тепловых нагрузках поверхности нагрева. Следует избегать «тепловых ударов» вследствие излучения толстого слоя дымовых газов и кладки в усло­ виях значительных температур.

Перегрев может быть вследствие выключения потока нагреваемой среды при сохранении движения греющих газов.

Достичь равномерного расширения сборных конструкций рекупе­ раторов очень трудно из-за различных условий нагрева металла в разных местах рекуператора и поэтому следует особо тщательно продумывать компенсацию тепловых расширений.

55

Вид летучей золы, взвешенной в потоке газов, оказывает сильное влияние на работу рекуператора. В условиях высоких температур, когда зола находится в расплавленном состоянии, возможно зашлакование поверхности нагрева. Частицы золы в твердом состоянии отлагаются в застойных участках, загрязняя рекуператор. При больших скоростях твердая зола вследствие ее абразивных свойств истирает металл. Зола иногда оказывает и химические действия на металл.

Р и с . 15. Р а д и а ц и о н н ы е р е к у п е р а т о р ы :

а — щелевой; б — т р у б ч а т ы й ; в — трубчатый с д в о й н о й ц и р к у л я ц и е й в о з д у х а в т р у б а х

На рис. 15, а изображен щелевой рекуператор. Дымовые газы движутся по внутренней трубе, а воздух с большими скоростями в концентрическом зазоре, образуемом наружным и внутренним цилиндрами. Наружный цилиндр может быть футерован специальным кирпичом. Воздух движется сплошным потоком или по винтовому

подогрева воздуха от 400 до 950° С, сопротивление по воздуху от 75 до 450 мм вод. ст., сопротивление по газам— малое. Диаметр внутрен­ него цилиндра (d) составляет от 1500 до 1680 мм, наружного (D) от 650 до 2000 мм, высота рекуператора (h) от 1000 до 6500 мм. Радиа­ ционные рекуператоры чаще всего используют в комбинации с кон­ вективными воздухоподогревателями — для догрева воздуха (от 400

56

до 700—950° С) или как самостоятельные теплообменники для нагре­ ва воздуха от 20 до 500—800° С с использованием тепла газов, уходя­ щих из них,в других установках (для нагрева воды и т. д.). На рис. 16 показан щелевой рекуператор с двойным обогревом поверхности нагрева, составленной из двух концентрических цилиндров, внутри которых движется воздух с большой скоростью (да° =12 - f - 18 м/сек).

автономном обогреве следует применять рециркуляцию газов для снижения температуры газов при входе в радиационный рекуператор, так как в другом случае будет перерасход топлива [2]. Коэффициент теплопередачи (k) в рекуператоре описанной конструкции состав­ ляет 40—50 ккал/(м2 ч град).

Другая конструкция радиационного рекуператора показана на рис. 15, б. Она представляет собой трубчатую конструкцию, сварен­ ную из труб жаростойких марок стали. По существу имеется как бы топочная камера, экранированная трубами, по которым пригоняется воздух с большой скоростью (да° = 12 ~ 18 м/сек).Испытания, про­ веденные ВТИ [10] и Теплопроектом [8], показали, что трубчатые рекуператоры отличаются высокой тепловой устойчивостью и их можно считать перспективными, причем лучшей конструкцией яв­ ляется рекуператор цилиндрической формы. Примерами радиацион-

57

но-конвективных воздухоподогревателей могут служить конструк­ ции, показанные на рис. 18, на котором изображены схемы таких теплообменников для сравнительно небольших печей, а на рис. 19 — воздухонагреватель конструкции Гипромеза для высокотемпера­ турного нагрева воздуха в больших количествах. На рис.17 и 18 изображены радиационно-конвективные рекуператоры с автономной топкой, расчет которых приведен в работе [2].

стойкостью, их поверхность нагрева представляет собой трубчатку, сваренную из стальных жаростойких труб малого диаметра (рис. 20). Рассчитывают его по той же методике, что и экранные поверхности парогенераторов [7]. Однако необходимо помнить, что температура каждой трубы изменяется по длине. В основу расчета положена формула (II.5).

Трубчатые радиационные рекуператоры с двойной циркуляцией (рис. 16, в) воздуха отличаются тем, что воздух сначала движется вниз по центральным трубам, вваренным в коллектор холодного воздуха, а затем в каждой трубке, поворачивая на 180°, движется вверх и поступает в коллектор горячего воздуха. Внутренняя поверх­ ность, составленная из тонкостенных труб, выполненных из низко­ легированной, а иногда углеродистой стали, нагревается излучением

58