книги из ГПНТБ / Кривандин В.А Керамические рекуператоры

лялось определение величины теплового потока через стенку трубы рекуператора, воспринимаемого от излучающего основа-

Рис. 55. Изменение количества тепла, получаемого элементами реку­ перативной трубы, по высоте трубы (высота каждого кольца

0,055 я):

а — опытные кривые; б —расчетные кривые; / — температура дымовых газов

1280°; // — то же, 960°

мера температур внутренней и наружной поверхности трубы бы­ ло установлено десять пар хромель-алюмелевых и медь-констан- тановых микротермопар (диаметр 0,2 мм), на основании показа­ ний которых подсчитывали величину тепловых потоков.

112

На рис. 55 (пунктирные кривые) приведены эти данные, по­ лученные для двух тепловых режимов. На основании величин температур внутренней поверхности рекуперативной трубы и температур дымовых газов в камере горения, полученных экспе­ риментальным путем, были рассчитаны тепловые лучистые пото­ ки от основания трубы к элементам ее внутренней поверхности для двух режимов. При этом использовались угловые коэффици­ енты, найденные при помощи изложенных выше методов. Коивые тепловых потоков, полученные расчетным путем, приведены также на рис. 55 (сплошные кривые).

Результаты исследования показали удовлетворительное сов­ падение расчетных и опытных данных, что позволило применить полученные угловые коэффициенты для расчетов рассматрива­ емых видов теплообмена .в промышленных рекуперативных ус­ тановках.

При расчете были приняты следующие упрощения, практи­ чески не искажающие физической сущности явлений.

1. Всю рекуперативную трубу делили по высоте на ряд эле­ ментарных колец малой высоты, причем в пределах одного эле­ ментарного кольца температуру поверхности стенки трубы и температуру дымовых газов принимали постоянными.

2.Температуру верхнего основания рекуперативной трубы принимали равной температуре дымовых газов при входе в ре­ куперативную насадку.

3.Степень черноты стенки трубы рекуператора принимали

постоянной и равной 0,85 (ест =0,85).

В основу расчета были положены данные, присущие работе рекуператора при установке его на нагревательных колодцах, т. е. изменение температуры дымовых газов и воздуха на высо­ те рекуператора (высоту принимали равной 2,6 м) было приня­ то по закону прямой линии, соответственно от 1250 до 700° и от 20 до 850°. Температура поверхности стенки трубы со стороны дыма изменялась в пределах от 360 до 1050°.

Результаты расчетов, соответствующих степени черноты за­ полняющих цилиндр (рекуперативную трубу) газов, равной 0,1 (£1=0,1), приведены на рис. 56. Рассматривая кривые, приведен­ ные на рис. 56, можно сделать вывод, что верхние, прилежащие к надтрубному пространству элементы рекуперативной трубы нагружены в тепловом отношении значительно больше, чем ни­ жележащие части, что может являться причиной перегрева кера­ мики рекуперативных труб и, как следствие, ошлакования их верхней части. Сравнение кривых 3 и 4 показывает, что тепло­ обмен излучением между надтрубным пространством и элемен­ тами внутренней поверхности трубы играет существенную роль в общем теплообмене на дымовой стороне верхней части рекупе­ ратора и что пренебрегать излучением из надтрубного простран­ ства недопустимо. К подобному же выводу можно прийти, если

рассмотреть тепловой баланс элементов рекуперативной трубы

(рис. 57).

Из рис. 57 видно, что в общем теплообмене в рекуператоре большую роль играет взаимный обмен теплом между элементами

Рис. 56. Изменение теплоотдачи по высоте рекуператив­ ной трубы:

/—теплообмен между верхним основанием и элементарными кольцами; 2— теплообмен между элементарными кольцами; 3 — суммарная кривая теплообмена между верхним основанием и элементарными кольцами и теплообмена элементарных колец между собой; 4 — кривая полного теплообмена на дымовой

стороне рекуператора

поверхности рекуперативной трубы со стороны дыма, удельный вес которого составляет порядка 60%. Однако если рассмотреть совместно кривые 2 и 4, то можно установить, что как в приход­ ной, так и в расходной части удельное значение этого вида теп­ лообмена приблизительно одинаково. Поэтому при расчете ре­ куператоров этот вид теплообмена можно не учитывать.

114

Таким образом, при расчете рекуператоров необходимо учи­ тывать теплообмен между надтрубным пространством и рекупе­ ративными трубами, для чего в суммарный коэффициент тепло­ отдачи на дымовой стороне должен быть введен коэффициент теплоотдачи излучением от надтрубного пространства к элемен­ там поверхности рекуперативной трубы.

Рис. 57. Тепловой баланс элементов рекуперативной трубы:

1 — тепло, получаемое каждым элементарным кольцом за счет теплового излучения от надтрубного пространства; 2—то же, за счет теплообмена излучением с другими кольцами; 3 — то же, за счет теплоотдачи от продуктов сгорания; 4—тепло, отдаваемое лучистым путем каждым элементарным кольцом другим коль­ цам; 5 — тепло, отдаваемое каждым элементарным кольцом

нагреваемому воздуху

Выражение общего коэффициента теплопередачи в рекупе­ раторе принимает следующий вид:

где ан пр коэффициент теплоотдачи излучением от надтрубно­ го пространства в трубы рекуператора (ккал/м2■час■град), ко­ торый практически должен быть учтен для верхнего воздушно­ го хода рекуператора. Он может быть подсчитан путем деления количества переданного тепла на разность температур между верхним основанием рекуперативной трубы и элементов ее внут­ ренней поверхности.

Количество тепла, переданного из надтрубного пространства к элементарному кольцу, может быть определено из выражения

« - .„(| - V... [(~Sr)‘ - (тН]

где То — температура основания рекуперативной трубы или тем­ пература надтрубного пространства, °К;

Тк—температура поверхности элементарного кольца, °К;

Рис. 58. Изменение коэффициента теплопередачи излучением от надтрубного пространства по высо­ те рекуператора (высота каждого элементарного кольца равна 0,055 л)

в0.„ — угловой коэффициент от основания к элементарному кольцу п;

с0 — коэффициент излучения абсолютно черного тела; ест и ег — степень черноты стенки трубы и дымовых газов, за­

полняющих рекуперативную трубу.

116

Нужно заметить, что коэффициент аНПр имеет весьма суще­ ственную величину, резко падающую по высоте рекуперативной трубы (рис. 58).

При расчете промышленного рекуператора, установленного на нагревательных колодцах, в которых предусмотрено шесть воз­ душных ходов по высоте, целесообразно определить ан.пР не для элементарных колец высотой 0,055 м, а для того или иного хода рекуператора целиком. Это потребует использования уг­ ловых коэффициентов от верхнего основания на каждый ход, ко­ торые получены по выражению (32) -и приведены ниже.

Ходы (трубы), считая сверху

Рис. 59. Изменение температуры поверхности рекупера­ тивной трубы с дымовой стороны по высоте трубы:

/ — шамотные трубы; 2 — карборундовые трубы

Действительная температура керамики в рекуператоре на­ гревательных колодцев при установившемся состоянии с учетом излучения из надтрубного пространства значительно выше, чем рассчитанные без учета этого излучения (рис. 59). Температура в верхней части рекуперативной керамики достигает значительной величины, при которой, как показывают работы, выполненные ВНИИО [52], возможно прилипание шлаковых частиц к поверх­ ности огнеупора верхних труб. Ошлакованию подвержено так­ же верхнее перекрытие рекуператора, выполняемое из шамота.

Перегреву верхней части рекуператора способствует также неравномерное распределение воздуха в верхних ходах. При ус­ тановке карбошамотного рекуператора на нагревательных ко­ лодцах в двух верхних воздушных ходах воздух движется па­ раллельными потоками. Распределение воздуха между этими хо-

117

дами зависит от количества открытых отверстий в разделитель­ ных перегородках рекуператора, получаемых путем пропуска фа­ сонного кирпича. Обычно при выполнении насадки рекуператора нагревательных колодцев для прохода воздуха в самый верх ний воздушный ход оставляют три ряда свободных отверстий, для прохода во второй сверху ход оставляют шесть рядов от­ крытых отверстий. При этом, как показали исследования, прове­ денные автором на воздушной модели, не происходит равномер­ ного распределения воздуха по этим двум ходам. Так, в верхний ход поступает только 41% всего воздуха. Недостаточное коли­ чество воздуха, поступающего в верхний воздушный ход, приво­ дит к понижению скорости и, как следствие, к понижению коэф­ фициента теплоотдачи конвекцией, в результате чего повышает­ ся температура керамики. Некоторое смягчение этого явления может происходить в результате действия геометрического на­ пора горячего воздуха, увеличивающего попадание воздуха в верхний ход. Таким образом, верхний воздушный ход рекупера­ тора, наиболее нагруженный в тепловом отношении, находится вместе с тем в наиболее неблагоприятных условиях по усвое­ нию тепла воздухом. Для устранения этого недостатка необхо­ димо открыть дополнительные отверстия для прохода воздуха.

Не изменяя количества рядов отверстий для прохода возду­ ха во второй ход, необходимо увеличить число открытых отверс­ тий для прохода в верхний хо^.. Так, при четырех рядах откры­ тых отверстий по верхнему ходу проходит 45,2%, при пяти ря­ дах— 47,5%, при шести рядах — 48,5% и при семи рядах — 50%

всего воздуха.

Исследование показало, что дальнейшее увеличение числа ря­ дов открытых отверстий не приводит к увеличению доли возду­ ха, попадающего в верхний воздушный ход.

Увеличение числа рядов открытых отверстий приводит также к существенному понижению гидравлического сопротивления ре­ куперативной насадки.

Учитывая тепловую перегрузку, следует признать целесооб­ разным транспортировку воздуха в верхней части рекуператора по одному ходу, а не по двум параллельным ходам, чтобы полу­ чить больший коэффициент теплоотдачи на воздушной стороне и уменьшить опасность перегрева.

Перегрев и ошлакование рекуперативных труб крайне неже­ лательны, так как резко снижается эффективность установки ре­ куператоров и срок их службы. Следует заметить, что примене­ ние дополнительного обдува верхнего ряда труб рекуператора не может явиться эффективной мерой борьбы с ошлакованием, так как даже при значительном изменении теплового потока че­ рез стенку трубы происходит относительно малое изменение тем­ пературы поверхности рекуперативной трубы с дымовой сторо­ ны. Поэтому верхнее перекрытие рекуператора и верхний ряд рекуперативных труб следует выполнять из более шлакоустойчи-

118

вых материалов как например, высокоглиноземистых огнеупо­ ров (А12Оз>75°/о)- Однако устранить ошлакование практи­ чески удается только тогда, когда нагревательные колодцы ра­ ботают без коксиковой подушки на подине ячеек. Ошлакование труб рекуператора ведет к перегрузке неошлакованных труб ды­ мовыми газами, что приводит к перегреву и, возможно, растрес­ киванию керамики. При нормальной эксплуатации (без ошлако­ вания, медленном разогреве и отсутствии резких теплосмен) ра­ стрескивание рекуперативных труб маловероятно, поскольку те­ пловые потоки не превышают максимально допустимых.

3. Влияние герметичности керамических рекуператоров на их тепловую работу

Значительное влияние на тепловую работу керамических ре­ куператоров оказывает их герметичность. При положительном давлении на воздушной стороне рекуператора происходит утечка воздуха в дымовые каналы, которая снижает температуру ды­ мовых газов и их излучательную способность при некотором па­ дении коэффициента теплопередачи конвекцией на воздушной стороне в результате уменьшения количества воздуха. Если же часть поверхности нагрева рекуператора работает под разряже­ нием, то наряду с утечкой воздуха будет наблюдаться подсос дымовых газов в воздушные каналы.

Тепловая работа рекуператора при положительном давлении на воздушной стороне

Для решения вопроса о влиянии утечек воздуха на тепловую работу керамического рекуператора необходимо прежде всего определить характер прососов и как величина прососов распреде­ ляется по поверхности нагрева. Можно ли считать, что утечка воздуха происходит равномерно по поверхности нагрева (или вы­ соте) или прососы сосредоточены в какой-то определенной части рекуперативной насадки? Точно решить этот вопрос очень труд­ но, поскольку плотность рекуператора зависит от многих фак­ торов. Однако известно, что в большинстве случаев рекупера­ торы наименее плотны в своей верхней, более нагретой части. Перепад давлений между дымовыми газами и воздухом наибо­ лее велик в нижней, более холодной части рекуператора. По­ этому ориентировочно можно считать, что утечка воздуха про­ исходит равномерно по высоте (или поверхности нагрева) ре­ куператора и для рассмотрения вопроса использовать схему, представленную на рис. 60.

Прежде всего необходимо решить вопрос о том, как изме­ нится температура подогрева воздуха, если неплотность реку­ ператора вызывает подачу в рекуператор дополнительного воз­ духа в N раз больше, чем необходимо для горения. Этот избы­ ток воздуха переходит в дымовые газы.

119

Как отмечалось выше, изменение температуры газов в про­ мышленных керамических рекуператорах по поверхности наг­ рева происходит практически прямолинейно.

Воспользовавшись схемой (рис. 60), можно составить урав­ нение теплового баланса рекуператора с учетом утечек возду­ ха [5]. Так, при к. п. д. рекуператора, равном tip, уравнение теплового баланса выглядит следующим образом:

• с£ • Z£- С* /кд(1/д + VBN)] =.

-VB-cKBtKB-V„(N + l)cS - Z£.

Рис. 60. Изменение темпе­ ратуры и количества возду­ ха по поверхности нагрева рекуператора:

1 — количество воздуха; 2—тем­ пература воздуха

Количество тепла, передаваемое через поверхность нагрева рекуператора

будет расходоваться как на подогрев воздуха, поступающего для горения, что составит

К • сд (/в — /в) ккал/час,

так и на подогрев воздуха, теряющегося через неплотности реку­ ператора, количество которого (рис. 60) равномерно уменьшает­ ся на протяжении поверхности нагрева. На основании уравне­ ний теплового баланса были выведены [5] формулы для опреде­ ления количества тепла, передаваемого воздуху, и величин ко­ нечных температур дымовых газов и воздуха.

Так, количество тепла, переданное прососанному воздуху, составит

Qi = ^°- с” (/в — tB) ккал/час.

Общее количество тепла, переданное воздуху, будет равно:

мовых газов на входе в рекуператор и выходе из него.

.20

Температура дымовых газов, покидающих рекуператор, мо­ жет быть найдена по уравнению:

а температура подогрева воздуха из уравнения:

a(W + 1)

Если воспользоваться выражениями (33) и (34) для расчета ке­ рамического карбошамотного рекуператора, работающего в усло­

разность температур между ними меняется мало и составляет

480—500°.

Прососы резко снижают эффективность рекуперативных ус­ тановок и чем больше количество прососанного воздуха, тем меньше доля полезно использованного в рекуператоре тепла (табл. 18).

121