Металеві рекуператори (стр. 1 из 3)

Загальні умови надійної роботи металевих рекуператорів

Металеві рекуператори застосовують для високотемпературного нагрівання повітря (або повітря й газу); припустима гранична температура нагрівання дуття визначається жаростійкістю, а іноді й жароміцністю марок сталі й чавуну. Грубні металеві нагрівачі дуття в більшості випадків працюють при незначних механічних напругах, тому для них має значення жаростійкість металу. По цьому показнику звичайна вуглеводна сталь застосовується при робочій температурі металу

, а простий сірий чавун – при .

Жаростійкість сталі й чавуну можна підвищити введенням у розплав легуючих елементів: хрому, кремнію, алюмінію. Основним легуючим елементом є хром. Жаростійкі хромисті сталі умовно ділять на три групи:

Вміст хрому, %	13	17	25
Допустима температура металу, К	950–1000	1100–1150	1250–1300

Приймаючи припустиму різницю температур метал – дуття, що дорівнює 475 К, можна вважати таким, що здійснив нагрівання дуття в металевому рекуператорі до 1075–1125 К, якщо в його елементах відсутні механічні напруги, зокрема, від тиску нагрівання.

Надійність роботи будь-якого металевого теплообмінника насамперед визначається температурним рівнем його теплоприймаючої стінки Т_м. Рахуючи її для більшої наочності виводів плоскої й зневажаючи тепловим опором металу, можна записати при чистій поверхні нагрівання

де Т_ВЗ - температура повітря, що нагріває, (або іншого теплоносія) у зоні визначення, К;

q– питоме теплове навантаження в тій же зоні, Вт/м²;

- коефіцієнт тепловіддачі від стінки до нагрітого повітря, .

Розглянемо залежність припустимого нагрівання повітря від питомого теплового навантаження q і коефіцієнта тепловіддачі

при незмінній максимальній температурі металу, рівній Т_м = 1275 К (рис. 1). Якщо для нагрівання повітря до 1175 К при q= 5000 Вт/м² досить мати = 50 , то при тому ж коефіцієнті тепловіддачі припустиме нагрівання повітря знижується до 975 К при – 15000 Вт/м² і становить усього 375 К при q = 45 000 Вт/м². Для забезпечення нагрівання повітря (зберігаючи незмінною температуру металу 1275 К) до 1175 К при q = 15 000 і 45000 Вт/м² необхідно підвищити відповідно до 150 і 450 , що досить важко.

Рис. 1. Залежність допустимого нагріву повітря в металічному рекуператорі від його максимальної теплової нагрузки і коефіцієнта тепловіддачі

Таким чином, температура теплосприймаючої стінки є основним показником надійності металевого рекуператора, а коефіцієнти тепловіддачі

і – головними факторами її забезпечення. Це можна показати, якщо сумарний температурний напір розділити на дві частини: – різниця температур продуктів, що гріють, згоряння металу і – різницю температури металу й повітря, що нагрівається, зберігаючи при цьому щільність теплового потоку.

Тоді,

де

– сумарний коефіцієнт тепловіддачі продуктів згоряння шляхом конвекції і радіації, .

В цьому випадку температура металічної стінки є самостійним параметром і відношення

можна змінювати в залежності від якості металу і умов тепловіддачі з газовою і повітряною стороною рекуператора. Поверхня нагріву рекуператора Н визначають з формули

,

де К – коефіцієнт теплопередачі,

; – середня логарифмічна різниця температур гріючих продуктів згорання і повітря.

Максимальна температура металічної стінки визначається не по середнім значенням температури і витрати продуктів згорання і повітря, а для найбільш гарячої сторони рекуператора і з обов’язковим розрахунком нерівномірності тепло сприймання по паралельно включеним елементам.

Нерівномірність теплосприйняття для системи паралельно включених нагрівальних елементів визначається коефіцієнтом

,

де

і - більше й середнє теплове навантаження елементів рекуператора, Вт.

Нерівномірність теплосприйняття в багатьох конструкціях металевих рекуператорів часто досягає значень

. Для зменшення коефіцієнта необхідно знизити теплову й гідравлічну нерівномірність теплосприйняття по паралельно включених нагрівальних елементах. При великій нерівномірності теплосприйняття першого трубного ряду, що перевантажує радіацією газового обсягу й кладки або догоранням газів, необхідно застосовувати попередньо включену захисну петлю.

Чавунні рекуператори

Чавунні рекуператори, переважно голчасті, виконуються з литих труб овального перетину з обтічними по ходу теплоносія голками, розташованими тільки з повітряної або з повітряної й газової сторін труби.

Таблиця 1. Коефіцієнт теплопередачі для умовної розрахункової поверхні чистих труб голчастого рекуператора,

Швидкість продуктів згорання, м/с	Швидкість повітря, м/с
	3	4	5	6
1,0	16,8	17,6	18,1	18,5
1,5	21,7	23,0	23,7	24,1
2,0	26,0	27,4	28,5	29,2
2,5	29,3	31,0	32,1	33,0
3,0	33,0	35,0	36,8	38,0

Більше надійними в експлуатації варто вважати рекуператори із гладкою поверхнею й голками, розташованими тільки з повітряної сторони.

Значення коефіцієнта теплопередачі для умовної розрахункової поверхні чистих труб голчастого рекуператора наведені в табл. 1. В експлуатаційних умовах дійсний коефіцієнт теплопередачі на 20–25% нижче значень, наведених у табл. 1.

Опір голчастих рекуператорів на повітряній стороні становить 300–500 Па, на газовій стороні воно значно менше.

Типове компонування чавунного голчастого рекуператора складається із двох секцій (повітряних ходів), набраних кожна з 12 паралельно включених труб (рис. 2). Численні фланцеві з'єднання складальних чавунних рекуператорів ущільнюють спеціальними прокладками й замазками з азбесту, графіту й рідкого скла. Однак задовільної газової щільності системи досягти при цьому не вдається. Серйозним і непереборним недоліком чавунних голчастих рекуператорів є також більша термічна твердість їхньої конструкції, що в сполученні з нерівномірністю температурних подовжень окремих трубних рядів викликає значні термічні напруги в металі. Ці напруги підсилюються градієнтом температури в голчастих елементах, що досягають 375–425 К.

До чавунних рекуператорів ставляться також так називані термоблоки, які в останні роки застосовуються для печей малої потужності. Термоблок являє собою систему сталевих трубок малого діаметра, залитих чавуном й утворюючим монолітним блоком з каналами для проходу газів. Ці канали розташовані перпендикулярно осям сталевих трубок, по яких нагрівається повітря, що (рис. 3).

Рис. 2. Чавунний двосекційний голчастий рекуператор

Рис. 3. Елемент збірного термоблока конструкції Союзтеплобуду

Слід зазначити, що для виготовлення термоблоків потрібно така ж кількість сталевих труб, як для сталевих трубчастих рекуператорів рівної теплової потужності, а загальна маса одиниці поверхні нагрівання термоблоків в 2–3 рази більше, ніж у чавунних голчастих рекуператорів.

Сталеві трубчасті конвективні рекуператори

Сталь є найбільш перспективним матеріалом для виконання металевих рекуператорів, особливо трубчастих, що пояснюється наступним. Для сучасних нагрівачів дуття необхідно для застосування; підвищеної й високої теплової форсировки, що обумовлює різниця тиску з повітряної й газової сторін рекуператора приблизно 2000–4000 Н/м². У цих умовах газощільність рекуператора в найбільшій мірі забезпечується звареним трубчастим його виконанням.