Металеві рекуператори

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.

Рис. 4. Порівняльна ефективність радіаційного (1) і конвективного (2) теплосприйняття для сталевого рекуператора, в залежності від початкової температури газів

Найбільш доцільна температурна зона застосування, трубчастих конвективних рекуператорів визначається початковою температурою газів не вище 1075–1175 К, оскільки при більш високій температурі газів радіаційна тепловіддача починає перевищувати по інтенсивності конвективну (рис. 4). Ці графіки виконані для наступних умов роботи рекуператора: .

Інтенсифікація тепловіддачі в рекуператорі можлива в основному двома способами: збільшенням швидкості газів або повітря й зменшенням діаметра труб або еквівалентного діаметра каналу – при поздовжньому русі теплоносія в пучку труб або в каналі довільного перетину. Тому в останні роки чітко проявляється тенденція до зменшення діаметра труб з 60–75 до 25–30 мм.

Рекуператори за схемою рис. 5 являють собою вертикальний пучок труб, по яких проходять гази, що гріють. Із зовнішньої сторони труби обмиваються нагрітим повітрям, що, в 3–5 поперечних ходів. Дана схема рекуператора має ряд переваг:

а) мінімальну нерівномірність теплосприйняття при якій практично виключається теплогідравлічна розвірка нагрітої системи;

б) можливість самообдування газової поверхні, особливо, ефективної при вертикальному опускному русі газів і підвищенні їхньої швидкості до 6–8 м/с і більше;

в) сприятливі умови відводу тепла при зовнішньому омиванні повітрям шахового або коридорного пучка труб малого діаметра, оскільки при цьому коефіцієнт тепловіддачі з боку повітря значно вище тепловіддачі газів.

При конструктивній розробці трубчастого конвективного металевого рекуператора необхідно забезпечити необхідну компенсацію температурних подовжень, захист від перегріву вхідної трубної дошки й початкових ділянок труб (див. рис. 5)і захист від низькотемпературної корозії. Останнє здобуває особливе значення при наявності в продуктах згоряння з'єднань сірки (SO₂ i SO₃). У цьому випадку варто підвищувати температуру металу у хвостовій секції Т_м до 375–400 К. За комбінованою схемою трубчастого рекуператора (рис. 6) холодне повітря надходить спочатку в першу по ходу газів попередньо включену секцію рекуператора меншого прохідного перетину. Захист від низькотемпературної корозії тут здійснюється за рахунок великої різниці температур T_г-м (газ – метал), тобто більше високої щільності теплового потоку в цій частині поверхні нагрівання. Повітря, нагріте у першої попередньо включеній секції до 350–370 К, повертається у хвостову секцію основного рекуператора, де захист від корозії досягається завдяки зазначеному підвищенню температури повітря. Остаточне нагрівання повітря до необхідної температури відбувається далі в основних секціях рекуператора за схемою противопотоку. При такій схемі одночасно забезпечуються кращі умови охолодження холодним повітрям при великій його швидкості.

Другий спосіб його захисту від низькотемпературної корозії хвостової секції рекуператора можливий при рециркуляції в його системі 20–30% повітря, що подається вентилятором.

Сталеві радіаційні й комбіновані рекуператори

Для того щоб нагрівання дуття довести до 1075–1125 К, рекуперативну установку, або частину її розташовують в області високої температури продуктів згоряння. Тут переважає радіаційна тепловіддача від продуктів згоряння, тому необхідно забезпечити досить інтенсивний відвід тепла повітрям і припустимою температурою металевої стінки.

Рис. 7. Температурні діаграми для одноступінчастої схеми включення високотемпературного рекуператора (а) і двоступінчастої (б)

При температурі 1075–1175 К радіаційна тепловіддача продуктів згоряння втрачає свої переваги в порівнянні з конвективною (див. мал. 5), чим і визначається доцільна кінцева температура продуктів згоряння в радіаційній частині рекуператора Т_п.с 975–1075 К. Разом з тим максимальна початкова температура продуктів згоряння Т_п.с не повинна перевищувати 1275–1375 К, щоб уникнути шлакування поверхонь нагрівання. При більш високій температурі виникають також утруднення при відводі потужних теплових потоків повітрям. Із цього треба, що доцільний перепад температури продуктів згоряння в радіаційній частині рекуператора становить приблизно = 575 К. У цих умовах, виходячи зі співвідношення водяних чисел газів, що гріють, і нагрівання середовища, 1,25–1,35, можливе нагрівання дуттєвого повітря до температури = 675 К.

Таким чином, металевий рекуператор для нагрівання повітря до 1075–1125 К повинен складатися із двох частин: високотемпературної, у якій переважає радіаційна тепловіддача, і низькотемпературної – конвективної. Ці дві частини рекуператора можна розташовувати по газовому тракті безпосередньо одну за іншою або з розривом по температурі газів, створюваним яким або іншим проміжним тепловикористовуючою ланкою агрегату.

На рис. 7. показана температурна діаграма для одноступінчастої схеми включення високотемпературного рекуператора, у якому радіаційна й конвективні частини безпосередньо з'єднуються ода з одною. У цих умовах при початковій температурі газів 1375 К кінцева температура становить 725–775 К. Така температура недостатньо висока для економічно виправданого наступного енергетичного використання тепла, але висока для викиду продуктів згоряння в атмосферу. Слід також зазначити, що при одноступінчастій схемі включення рекуператора в зоні підвищеної температури продуктів згоряння виявляється і конвективна його частина, що ставить під сумнів можливість застосування для неї простої вуглеводної сталі.

Рис. 8. Можливі варіанти комбінованого відводу тепла в радіаційному рекуператорі: а – кільцевий циліндричний, б – трубчатий одноходовий з радіаційною вставкою, в-трубчастий з подвійною циркуляцією повітря

На рис. 7 б показана двоступінчаста схема включення високотемпературного рекуператора (1–2) із проміжним тепловою ланкою (3), що прохолоджує продукти згоряння на завдяки чому температура продуктів, що йдуть в атмосферу, згоряння знижена до 475–525 К.

Для радіаційного металевого рекуператора основним завданням, вирішенням якого визначається його експлуатаційна надійність, а також теплова й економічна ефективність, є інтенсифікація тепловіддачі від стінки до нагріває повітря. При початковій температурі продуктів згоряння Т_п.с. = 1275–1375 К питоме теплове навантаження складає при Т_вз = 1075 К q =15 000–20000 Вт/м². У цих умовах для забезпечення температури металу Т_м > 1275 К необхідний коефіцієнт тепловіддачі до повітря = 75–100 Вт/(), що в 2,5–3,0 вище, ніж у конвективних рекуператорах. Забезпечити таку інтенсивність відводу тепла підвищенням швидкості повітря важко. У зв'язку із цим, великого значення набуває метод інтенсифікації тепловіддачі від стінки до нагріває середовище (повітря, газ).

Інтенсифікація тепловіддачі здійснюється пропущенням нагріваючого середовища (повітря) по вузькому кільцевому каналі, утвореному двома концентричними циліндричними поверхнями, одна з яких безпосередньо обігрівається продуктами згоряння, а інша одержує від її тепло радіацією. Обидві ці поверхні прохолоджуються повітрям, що рухається з підвищеною швидкістю по вузькому кільцевому каналі з еквівалентним діаметром ( - ширина кільцевої щілини). Таким чином, відвід тепла інтенсифікується розвитком приблизно вдвічі охолоджуваної поверхні, застосуванням гранично малих еквівалентних діаметрів повітряного каналу й деяким підвищенням швидкості повітря, що нагріває.

Існує кілька варіантів такого комбінованого відводу тепла, що розрізняються внутрішнім або зовнішнім обігрівом кільцевого повітряного каналу й пов'язаним із цією зміною співвідношень і ( – діаметр циліндричної поверхні, що обігрівається газами, – діаметр додаткової радіаційної поверхні, що бере участь у тепловіддачі повітря.

Найбільше поширення одержав кільцевий циліндричний радіаційний рекуператор (рис. 8). Він виконується з листової сталі відповідної марки вальцюванням і зварюванням двох концентрично розташованих циліндрів із внутрішніми діаметрами і . При малій товщині стінки й великому діаметрі цих циліндрів (1000–2000 мм) радіусом їхньої кривизни можна зневажити й вважати, що . Ширина кільцевого зазору, по якому повітря рухається найчастіше по спіралі, становить 15–20 мм, тому можна вважати = 1.

Трубчастий одноходовий радіаційний рекуператор (рис. 8.) складається із труб невеликого діаметра, що обігрівають із, зовнішньої сторони (50–75 мм), якими екранується вертикальний газохід. Глуху радіаційну вставку можна виконати з будь-якого жаростійкого матеріалу, зокрема з кераміки.

У трубчастому рекуператорі з подвійною циркуляцією повітря (рис. 8) вплив радіаційної тепловіддачі в комбінованому відводі тепла підсилюється ще більше. Завдяки інтенсивному охолодженню трубчастої вставки необхідна величина знижується вже в 1,5–1,6 рази. У зв'язку із цим опір повітря зменшується більш ніж в 3 рази в порівнянні з рівнопотужним рекуператором із труб того ж діаметра, що використовує для відводу тепла тільки конвективну тепловіддачу. Для розрахунку трубчастих рекуператорів з подвійною циркуляцією повітря можна скористатися методом, запропонованим Ю.И. Розенгартом.

Серед комбінованих рекуператорів особливе місце займає двоступінчастий прямопротивоточний радіаційно-конвективний сталевий трубчастий рекуператор двостороннього опромінення (мал. 9). У цьому рекуператорі кожен щабель набирається із чотирьох панелей, що складаються із трубок 38 х 2 мм і приварених до верхніх і нижніх колекторів. Нижні колектори двох протилежних панелей верхнього щабля з'єднані між собою ошипованими трубами. Покриття цих труб торкретною масою утворить суцільну перегородку, що забезпечує поперечне омивання продуктами згоряння поверхонь нагрівання. Колектори, що перебувають у зоні високих температур, покриваються жароміцним бетоном. Продукти згоряння рухаються зверху вниз, двічі обмиваючи на своєму шляху в поперечному напрямку труби верхніх і нижніх панелей. Рух теплоносіїв у верхньому щаблі – прямоточний. Повітря надходить у верхній колектор верхнього щабля, з нижнього колектора верхнього щабля по обвідному трубопроводі подається в нижній колектор нижнього щабля й, з верхнього колектора нижнього щабля нагріте повітря направляється споживачеві.

Таблиця 2. Розрахункова характеристика двоступінчастого прямопротивоточного радіаційно-конвективного сталевого трубчастого рекуператора двостороннього опромінення

Величини	Ступені рекуператора
	прямоточний	противоточний
Температура продуктів горіння, К на вході на виході Температура повітря, К на вході на виході Теплосприйняття повітря, квт Висота щабля, м Середній коефіцієнт тепловіддачі від продуктів горіння до поверхні нагрівання, Вт/() Коефіцієнт тепловіддачі до повітря, Вт/() Коефіцієнт теплопередачі, Вт/() Середня температура поверхні трубок, К Середня щільність теплового потоку по зовнішньої поверхні труб щабля, квт/м2 Щільність теплового потоку на одиниці об'єму, займаного рекуператором, квт/м3 Поверхня нагрівання рекуператора, м2 Середня щільність теплового потоку в рекуператорі по зовнішній поверхні труб, квт/м2 Перетин рекуператора по осях крайніх трубок, м2 у світлі, м2	1575 1465 675 875 2780 1,22 108 95,5 50,8 1175–1200 40 196 28,4 7,5 16,0	1465 1325 875 1075 2780 2,15 125 103 56,5 1200–1320 21 - - - -

У цьому рекуператорі тепло від продуктів згоряння до повітря передається трьома способами: випромінюванням продуктів згоряння із внутрішньої сторони пучка труб; конвекцією й випромінюванням продуктів згоряння при проходженні ними через пучки труб і прямим випромінюванням продуктів згоряння й кладки із зовнішньої сторони пучка труб.

Розрахункова характеристика рекуператора цього типу наведена в табл. 2.

Рекуператор цього типу можна встановлювати як верхній щабель у розсічку між піччю й ПОГ або використати для підігріву холодного повітря.

Аналіз теплообміну в рекуператорі показав, що безрозмірна різниця температур у прямоточній частині рекуператора з боку повітря

з боку продуктів згоряння

безрозмірна різниця температур в противоточній частині рекуператора зі сторони повітря

з боку продуктів згоряння

Залежність між поверхнею нагріву рекуператора і його характеристик можна одержати на основі рішень рівнянь. Для прямоточної частини рекуператора

для противоточної частини рекуператора