книги из ГПНТБ / Кривандин В.А Керамические рекуператоры

С. С. Кутателадзе [41] рекомендует для практических расче­ тов следующую формулу:

Nu = 0,023 • Рг°'4 • Re0,8,

дающую удовлетворительное соответствие опытных и теоретиче­ ских данных при 0,6 < Рг < 100.

Рис. 45. Поправочный множитель А для определения коэффициента теп­ лоотдачи конвекцией воздуха и дымо­ вых газов:

Критерий Прандтля определяется из равенства

Re а

где v — коэффициент кинематической вязкости; а — коэффициент температуропроводности.

Для приближенных расчетов применима формула [40 и 42]:

Зш§’8

ак =---------- ккал/м2'час-град, (18}

Кd

атакже данные, приведенные на рис. 46, которые обобщают фор­ мулы (16) и (18)„ причем горизонтальные участки кривых, соответствуют коэффициенту теплоотдачи для ламинарного пото­ ка.

92

Для расчета переходного режима (Re от 2000 до 10 000) вы­ шеприведенные формулы не применимы, поскольку при дости­ жении значения Re = 2000 теплоотдача резко возрастает, но зако­ номерности турбулентности движения устанавливаются лишь при Re = 10 000.

Величина коэффициента теплоотдачи может быть определена из выражения [43]:

К = NUf-Prf'^

Рис. 46. Зависимость коэффициента теплоотдачи конвекцией в трубах и каналах от скорости дви­ жения газового потока

Все физические константы, входящие в критерий, принимают

93

Принимая за основу расчета конвективного теплообмена данные, полученные для металлических поверхностей, необхо­ димо заметить, что в керамических рекуператорах поверхность элементов рекуперативной насадки значительно более шерохо­ ватая, что ведет к заметной интенсификации теплоотдачи. Коэф­ фициент теплоотдачи возрастает с увеличением шероховатости на 7—8% по сравнению с гладкой поверхностью [42].

Увеличение теплоотдачи при увеличении шероховатости в слу­ чае движения воздуха в трубах отмечается также А. А. Селез­ невым [44], который определил средний по длине трубы коэф­ фициент теплоотдачи.

На воздушной стороне рекуператора часто наблюдается пе­ редача тепла пучком керамических труб. Обстоятельные иссле­ дования теплоотдачи пучка металлических труб проведены В. М. Антуфьевым и Г. С. Белецким [45], которые дали формулы для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией. Иссле­ дований пучков керамических труб 'не проводилось, поэтому из-за отсутствия более точных данных приходится опираться на ре­ зультаты исследований металлических пучков, вводя затем по­ правку на шероховатость.

В керамических рекуператорах встречаются только шахмат­ ные пучки,, для которых в случае охлаждения потока (дымовые газы) коэффициент теплоотдачи равен

гдет)1,-г]2,7).3—поправочные коэффициенты, учитывающие влияние шага по ширине, по глубине и числа рядов пучка;

d — диаметр труб.

Для облегчения расчетов в приложении IV приведена номо­ грамма.

По номограмме и графикам к ней находят

ао = О,18-^- /?е0,61; ти; т;2;

где Т? и Тс?— абсолютные средние температуры газового пото­ ка и стенок труб, °К.

Таким образом, увеличение локального коэффициента тепло­ отдачи на воздушной стороне рекуператора с целью увеличить суммарный коэффициент теплопередачи рекуператора возможно

94

высокой герметичности. Так же как при движении по трубам шероховатость поверхности теплообмена пучков труб увеличив вает теплоотдачу. Это ясно показано в работе П. И. Пучкова [46], который испытывал пучок шероховатых труб.

Результаты исследования шахматных шероховатых пучкон показывают, что с увеличением шероховатости теплоотдача силь­ но возрастает. Это увеличение по отношению к пучку из глад­ ких труб (Re = 40 000) составляет для шероховатости 0,23 мм 14%, а для 0,815 мм— 66,5%. В проведенных исследованиям было установлено, что увеличению теплоотдачи способствует как шероховатость самой поверхности трубы, так и шерохова-. тость окружающих труб. Увеличение теплопередачи при шеро­ ховатой поверхности труб, составляющих пучок,, объясняется турбулизацией пограничного слоя и изменением характера обте-. кания труб.

Теплоотдача на дымовой стороне

Теплоотдача на дымовой стороне складывается из теплоотда­

гдеад—коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке конвекцией, ккал/м2 ■ час ■ град;

—коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стене излучением, ккал!м2 ■ час ■ град.

Движение дымовых газов, так же как и воздуха, может про­

текать по трубам и между ними. Поэтому для определения Яд можно пользоваться данными, приведенными выше для воздуха.

необходимо, кроме степени черноты газов, знать также их тем­ пературу и температуру стенки. В этом случае коэффициент теплоотдачи излучением может быть определен из выражения [2]:

где ес0 и ен 0—степени черноты углекислоты и водяных паров,

определяемые обычным путем, в зависимости от парциального давления и толщины газового слоя [41 „ 43, 47];

(ТГ-Тст)

четвертых степеней абсолютных температур ды­ мовых газов и стенки рекуператора; его значе­ ния приведены в приложении V.

95

Зачастую дымовые газы, попадающие в рекуператор, содер­ жат шлаковую или зольную пыль, что существенно влияет на теплоотдачу излучением, поскольку взвешенные в газе частички раскалены и могут излучать не меньшее количество тепла, чем трехатомные газы. Излучение запыленного потока было изучено А. М. Гурвичем, А. Г. Блох и А. И. Носовицким [481.

Опыты проводились с зольной пылью, причем изучалась зави­ симость как излучательной, так и поглощательной способности запыленного потока от концентрации и характера пыли. При шовышении температуры от 700 до 1000° наблюдалось повышение степени черноты. При переходе к температурам 1100—1200° на­ блюдалось весьма заметное снижение степени черноты запылен­ ного потока. Было установлено, что снижение степени черноты по­ тока, запыленного зольной пылью, при температурах выше 1000° происходит в результате оплавления твердых частиц и умень­ шения вследствие этого концентрации пыли. В результате исследования было установлено, что при увеличении концентра­ ции пыли увеличивается степень черноты потока,, тогда как уве­ личение среднего диаметра частиц вызывает ее уменьшение. Поглощательная способность с увеличением температуры моно­ тонно возрастает, причем по мере утонения пыли влияние тем­ пературы на коэффициент поглощения становится все более за­ метным. Расчетные выражения были получены исходя из пред­ положения, что поверхность частиц черная и они представляют собой шарики.

Коэффициент теплоотдачи излучением для запыленного газо­ вого потока будет зависеть как от содержания трехатомных газов, так и от концентрации и характера пыли и может быть подсчитан по выражению:

Для запыленного потока величину ег + п подсчитывают по фор­ муле

ц — концентрация зольных частиц в продуктах сгорания, г/м3.

96

Определив по выражению (24) величину kS можно по гра­ фику, изображенному на рис. 47,, найти величинуег +п . Коэф­

фициент теплоотдачи излучением для запыленного потока вычи­ сляют по формуле

в которой а„ — определяют по номограмме (рис. 48).

Дымовые газы, тепло которых утилизируется в керамических рекуператорах, содержат обычно сажу, частички окалины и шла­ ка и в редких случаях золу. Исследований, посвященных изуче­ нию излучательной способности потоков, запыленных окалиной и шлаками,, до настоящего времени не проведено. Поэтому дан­ ные, полученные в проведенных А. М. Гурвичем, А. Г. Блох и А. И. Носовицким исследованиях, позволяют рассчитать (хотя бы приближенно) излучательную способность подобных запыленных потоков.

На дымовой стороне трубчатых керамических рекуператоров, кроме конвективного теплообмена и теплоотдачи излучением от продуктов сгорания, может иметь место также теплоотдача излучением из объема, расположенного перед входом в трубы рекуператора и заполненного дымовыми газами.

Теплопередача через разделительную стенку

Как видно из уравнения (14), теплопередача через раздели­ тельную стенку оказывает значительное влияние на величину суммарного коэффициента теплопередачи. Очевидно, что для увеличения К надо стремиться уменьшить тепловое сопротивле­ ние стенки. Уменьшение толщины стенки возможно только до определенного предела, зависящего от механической проч­ ности материала, В настоящее время стенки не делают тоньше 13 льи. Следовательно, уменьшение теплового сопротивления воз­ можно по существу за счет увеличения теплопроводности мате­ риала. Однако увеличение только теплопроводности материала

Заметное влияние на теплопередачу в рекуператоре оказы­ вает состояние поверхности разделительной стенки. Шлаковая и зольная пыль, сажа,, находящиеся в дымовых газах и обладаю­ щие весьма низкой теплопроводностью, частично оседая на по­ верхности керамики, резко увеличивают ее тепловое сопротив­ ление и ухудшают теплообмен.

На рис. 49 [40] показано изменение суммарного коэффициента теплопередачи К при загрязнении стенок пылью, теплопровод­ ность которой X = 0,03 ккал/м ■ час • град. Например, при коэф-

Рассматривая общие вопросы теплообмена в керамических рекуператорах, необходимо помнить, что имеющееся изменение температуры теплоносителей вдоль поверхности нагрева приво-

Рис. 49. Влияние загрязнения стенок на величину суммарного коэффициента теп­ лопередачи

дит к тому, что как локальные, так и суммарный коэффициент теплопередачи не остается неизменным, а меняется по поверх­ ности нагрева. Примененная методика расчетов рекуператоров предполагает постоянство К, которое обеспечивается практиче­ ски путем применения в расчетах величины суммарного коэф­ фициента теплопередачи в виде среднего для поверхности нагрева.

Средняя разность температур

Передача тепла от дымовых газов к воздуху в очень большой мере зависит от разности температур остывающего и нагреваю­ щегося теплоносителей,, изменение которой по поверхности нагре­ ва приводит к необходимости пользоваться какой-то средней (для всей поверхности нагрева) разностью температур.

Характер изменения температур теплоносителей (и их раз­ ности) по поверхности нагрева в первую очередь зависит от спо­ соба работы рекуператора. Различают три схемы движения сред: прямоток, противоток и перекрестный ток. Возможны также комбинации этих схем движения. Наименее эффективной является прямоточная схема.движения, при которой, однако, до-

100

стирается наименьшая температура материала рекуператора.

(рис. 50), при которой возможен наибольший подогрев воздуха, достигающий (в пределе) начальной температуры дымовых га­ зов.

Как при прямотоке,, так и при противотоке средняя разность

2’3,gT^

где Д/„—разность температур дымовых газов и воздуха в на­ чале рекуператора;

Д tK— то же , в конце рекуператора.

Эта формула справедлива как для прямолинейного, так и для криволинейного характера изменения температур теплоносите­ лей. Надо, однако , помнить, что при больших значениях отноше­

возможность часто ограничиваться определением средней ариф­ метической разности температур.

101