книги из ГПНТБ / Кривандин В.А Керамические рекуператоры

Воздух, прососавшийся в дымовые газы, не только снижает их температуру, но разбавляет их и уменьшает процентное со­ держание СО2 и Н2О, снижая тем самым излучательную спо­ собность. Одновременно прососавшийся воздух увеличивает ко­

усреднения для всей поверхности нагрева. Следует также иметь в виду, что увеличение коэффициента теплоотдачи конвекцией на дымовой стороне будет наблюдаться только в том случае, когда движение дымовых газов будет происходить при скоростях, обес­ печивающих турбулентный характер потока. При меньших ско­ ростях в ламинарном потоке это увеличение коэффицента теп­ лоотдачи конвекцией может не наблюдаться, что приведет к бо­

122

Коэффициент теплоотдачи на воздушной стороне будет наиболь­ шим на входе воздуха и наименьшим на выходе; поэтому так­ же следует пользоваться его средней величиной, которая будет тем больше, чем больше воздуха подается в рекуператор.

Таким образом, подавая в рекуператор для компенсации утечек заведомо большее количество воздуха, чем необходимо для горения, мы тем самым способствуем увеличению коэффи­

тор избыточное количество воздуха для компенсации утечек, воз­ можно поддерживать суммарный коэффициент теплопередачи в рекуператоре, близкий по величине к тому, который имел бы ме­ сто в абсолютно плотном рекуператоре ^ = 0). Определение суммарного коэффициента теплопередачи рекуператора с учетом утечек воздуха представляет собой довольно трудоемкую опера­ цию; поэтому, рассчитывая керамический рекуператор, целесо­ образно после определения конечных температур теплоносителей найти К. для абсолютно плотного рекуператора и по его величи­ не определить необходимую поверхность нагрева.

воздушной стороны.

Как при подаче воздуха под давлением, так и при разреже­ нии на воздушной стороне керамического рекуператора важно определить перепад давлений между воздушной и дымовой стороной в любой точке насадки. При работе рекуператора с разрежением на воздушной стороне большое значение имеет положение точки с нулевым перепадом давлений, что будет оп­ ределять направление прососов в той или другой части насадки. Для решения этих вопросов необходимо анализировать харак­ тер распределения давления (или разрежения) как на воздуш­ ной, так и на дымовой стороне рекуператора.

Для того чтобы определить перепад давления в любой (по высоте) точке, например, карбошамотного трубчатого рекупе­ ратора, необходимо знать величину давлений в этой точке на воздушной и дымовой сторонах. Давление на обеих сторонах зависит не только от сопротивления насадки, но и от величины избыточного давления (или разрежения), необходимого для транспортировки воздуха от насадки к печи, и дымовых газов из печи к насадке. Поэтому оказалось удобным [53] проследить изменение по высоте рекуператора перепадов между давлени­ ем в любой точке насадки и давлением в нижней части рекупе­ ратора. Зная величины указанных перепадов давлений, можно определить и перепад давлений между воздушной и дымовой

123

сторонами рекуператора. Действительно, давление в любой точ­ ке рекуператора на воздушной стороне может быть выражено следующим образом:

Рв = Рв.вх-ДРв>

где рв —давление (или разрежение) в любой точке на воздуш­ ной стороне рекуператора, мм вод. ст.;

Рв.вх—давление (или разрежение) воздуха на входе в реку­ ператор, мм вод. ст.;

рв — разность между давлением воздуха на входе в реку­ ператор и давлением в рассматриваемой точке, мм вод. ст.

Аналогично можно написать для дымовой стороны:

Рд Рд- вых Д Рд’

где Дрд — разность между разрежением в любой точке на ды­ мовой стороне и давлением при выходе дымовых га­ зов из насадки, мм вод. ст.

Вычитая из одного равенства другое, получим выражение для определения перепада давлений между воздушной и дымовой сторонами рекуператора:

Д Рд. д = Рв - Рд = Рд. вх - Рд. вых - Д Рд + Д Рд<

где рв.вх—рд.вых— разность давлений в самой нижней части насадки.

Выражение для перепада давлений можно написать в следую­ щем виде:

лений между воздухом и дымовыми газами в любой точке по высоте рекуператора при перепаде давлений Дрв.д на входе воздуха, который определяется из величины необходимого из­ быточного давления и величины сопротивления рекуператора. Величину Дрд легко определить расчетным путем, так как ды­ мовые газы движутся сверху вниз по прямой вертикальной тру­ бе, преодолевая сопротивление трения и геометрический напор. Сложнее определить Дрв, так как надо знать характер измене­ ния величины давления на воздушной стороне по поверхности нагрева (или высоте) рекуператора (см. гл. V).

При работе рекуператора с разрежением на воздушной сто­ роне возможны два случая. Первый, когда вся рекуперативная насадка работает под разрежением на воздушной стороне, и второй, когда воздух и рекуператору подается под давлением и уже в пределах насадки происходит смена давления на разре­ жение. Таким образом, могут наблюдаться одновременно утеч-

При входе воздуха.

124

ка воздуха в дымовые каналы и подсос дымовых газов на воз­ душную сторону.

Если величину утечки воздуха со значительным приближе­ нием можно определить, то точно найти количество прососав­ шихся в воздух дымовых газов практически невозможно. Одна­ ко, приступая к расчету рекуператоров, эту величину необходи­ мо знать, так как без нее невозможно правильно составить об­ щий тепловой баланс рекуператора и, как следствие, правиль­ но найти конечную температуру дымовых газов, необходимую для расчета. Для решения этой задачи может быть использован следующий, приближенный метод.

Приступая к проектированию рекуператора, всегда прибли­ зительно известна величина утечки воздуха, характерная для рекуператора данной конструкции. Если рекуператор работает с давлением по всей воздушной стороне насадки, то при расче­ те можно ограничиться учетом этой утечки. Если на воздушной стороне наблюдается разрежение и возможен просос дымовых газов, то для определения его величины надо построить графи­ ки зависимости изменения давления по поверхности нагрева как для дымовой, так и для воздушной стороны и графически определить, какая доля всей насадки пропускает воздух, а ка­ кая — дымовые газы. Зная долю насадки, через которую про­ сасываются дымовые газы и количество воздуха, обычно теря­ емого в подобных рекуператорах (работающих с давлением на воздушной стороне), нетрудно определить количество прососа­ вшихся дымовых газов, считая, что оно равно количеству воз­ духа, теряемого через эту часть насадки при избыточном дав­ лении по воздушной стороне. Этот метод, проверенный экспери­ ментально, дал приемлемые результаты.

Просос дымовых газов оказывает определенное влияние на работу рекуператора и печи. Дымовые газы, попавшие в воз­ душные каналы, вносят с собой тепло, часть из которого пере­ дают воздуху.Таким образом, воздух получает тепло как через поверхность нагрева, так и в результате смешения с более го­ рячими дымовыми газами.

Количество тепла, которое получает воздух (при противото­ ке) через поверхность нагрева от дымовых газов, может быть для линейного изменения температуры подсчитано по выраже­ нию:

каналы керамических рекуператоров может ухудшать исполь­ зование их тепла.

125

Если количество прососавшихся в воздух дымовых газов обозначить через АЕД , то при теплоотдаче через поверхность нагрева это количество дымовых газов передает воздуху тепла

Если количество дымовых газов Уд попадет на воздушную сторону, то оно унесет с собой запас тепла, из которого пере­ даст воздуху

Q2 == Уд. Сд(/)*. £-/

В керамических рекуператорах применяется обычно проти­ воточная схема движения сред и поэтому возможны случаи, когда t* > t* .

В этом случае дымовые газы, прососавшись в воздушные каналы, оставят в рекуператоре тепла меньше, чем в том слу­ чае, когда отдача тепла этим количеством дымовых газов про­ исходила через поверхность нагрева. В других случаях, когда, например, *t , прососы дымовых газов или практически не

будут влиять на использование тепла в пределах рекуператора или даже (при ) будут несколько способствовать те­ плоотдаче от дымовых газов.

Так же, как и при утечке воздуха, прососы дымовых газов оказывают некоторое влияние на температуру подогрева воз­ духа и температуру отходящих из рекуператора дымовых газов для противоточного керамического рекуператора при прямо­ линейном характере изменения температуры по поверхности нагрева. Количество тепла, которое получает воздух, определя­ ется равенством

Ев • св (/в - О = Ед • сд (/" - /“) 4- Уд . ся (/” - )/*.

С другой стороны, количество тепла, передаваемое возду­ ху через поверхность нагрева, может быть описано уравнением

а

где

Д Уд ■ Сд

126

Глава V

АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КЕРАМИЧЕСКИХ РЕКУПЕРАТОРОВ

Общая потеря давления в керамических рекуператорах складывается из потерь отдельных участков. Обращаясь к кон­ струкциям рекуператоров, описанных в гл. III, легко убедиться в том, что, последовательно рассчитав потери давления по направ­ лению движения дымовых газов или воздуха, можно получить полную потерю давления в рекуперативной установке.

В шамотном рекуператоре системы Чапман-Штейн полная потеря давления дымовых газов складывается из потерь на преодоление поворотов на 90 и 180°, потерь от трения о стенки каналов, по которым проходят дымовые газы, и преодоления геометрического напора, поскольку дымовые газы движутся сверху вниз. Потери давления по воздушному тракту в этом ре­ куператоре подсчитать очень легко, поскольку воздух движется снизу вверх по прямым вертикальным каналам и при этом пре­ одолевает сопротивление от трения, тратит напор на вход и вы­ ход из каналов. Известное затруднение вызывает расчет потерь давления по воздушному тракту в карбошамотных трубчатых рекуператорах, поскольку воздух омывает трубы, расположен­ ные в шахматном порядке, и, двигаясь снизу вверх, переходит из одного хода в другой, преодолевая при переходе сопротив­ ление разделительных перегородок, в которых оставлены отвер­ стия для прохода воздуха.

Определение потерь давления при движении дымовых газов в подобном рекуператоре не вызывает затруднений, так как они движутся по вертикальным трубам сверху вниз.

Для определения аэродинамического сопротивления керами­ ческих рекуператоров используют методы, применяемые обычно для расчета сопротивлений движению газов в керамических ка­ налах, вводя в некоторых случаях коэффициенты сопротивле­ ния, присущие отдельным конструкциям керамических рекупе­ раторов.

Потери давления на трение, как известно, определяются по формуле

128

где p. — коэффициент трения;

—средняя скорость воздуха или дымовых газов при 0°,

м!сек\

g — ускорение силы тяжести, м!сек\

уо — удельный вес воздуха или дымовых газов при 0°, кг1м'-, 3 = ’/273 — коэффициент объемного расширения;

L—длина канала, м; d — диаметр канала, м.

Для некруглых каналов в качестве d принимают гидравличес-

4F

кий диаметр drlt№ = —- , т. е. частное от деления четырех пло-

и

1цадей канала на его периметр. При определении потерь давления на преодоление трения самым важным является определение ко­ эффициентов трения |i, который зависит как от скорости и харак­ тера движения, так и от состояния поверхности стенок канала. Так, для ламинарного потока (при Re < 2000)

для турбулентного потока

причем для кирпичной стенки А =0,175; п = 0,12.

Определяя число Re, необходимо коэффициент кинематичес­ кой вязкости v принимать соответствующим температуре стен­ ки канала. При проведении практических расчетов для кирпич­ ных стенок можно принимать и = 0,05->0,055; для металличес­ ких ц = 0,03->0,04.

Геометрический напор определяется высотой газового объе­ ма и разностью удельных весов окружающего воздуха и нагре­

ся с остальной суммой сопротивлений, а может и вычитаться из нее. Если нагретый газ движется сверху вниз, то геометрический напор газа препятствует его движению и, следовательно, дол­ жен суммироваться с остальными потерями давления. При дви­ жении нагретого газа снизу вверх геометрический напор способ-

ствует движению газа и поэтому должен вычитаться из общей суммы потерь давления.

Местные сопротивления являются наиболее существенной частью общего сопротивления движению газов в керамических

таллических труб [45], по которым потери давления при прохож­ дении шахматного пучка труб могут быть определены по фор­ муле

где т —количество рядов труб по глубине пучка;

k—удельное сопротивление одного ряда труб, мм вод. ст., определяемое по номограмме, представленной на рис. 62.

130

Коэффициенты <р зависят от расположения и диаметра труб в пучке и от температуры стенки труб. Так как существует всего две конструкции керамических трубчатых рекуператоров с по­ стоянным диаметром и шагом труб, то для этих конструкций можно пользоваться постоянными значениями коэффициента с. Для карбошамотного ре­ куператора в условиях работы на нагреватель­ ных колодцах с — 0,82; для карборундного труб­ чатого рекуператора с =

=0,74.

Вкарбошамотном ре­ куператоре на пути дви­ жения воздуха, кроме со­ противления шахматного пучка, наблюдаются со­ противления нескольких поворотов на 180° при различном количестве от­

крытых отверстий для про­ хода воздуха в раздели­ тельных перегородках.

Сопротивления поворо­ тов, в которых происхо­

перегородках было прове­ дено на воздушной модели [531, причем скорость относилась к

свободному сечению шахматного пучка. Число рядов открытых отверстий изменяласп от 1 до 8. Для всех случаев было изучено изменение гидравлического сопротивления поворота от скорости или, что то же самое, изменение коэффициента сопротивления от величин критерия Re.

Результаты исследования показали, что величина коэффици­ ента сопротивления остается постоянной, начиная от 7?е=4700„ тогда как с изменением числа рядов открытых отверстий величи­ на коэффициента сопротивления меняется значительно.