Инженерный анализ несущей способности и ресурса трубчатых элементов конструкций при нестационарном термомеханическом нагружении, страница 7

По схемедвижения нагреваемого воздуха (или газа) рекуператор четырехходовой.Используются трубы диаметром 1/2—1", которые вваривают в вертикальныестальные трубные доски; к этим же доскам приваривают воздушные коробки.Рекуператор установлен в проеме вертикального дымохода,укрепленном швеллерными рамами. Передние воздушные коробки (состороны входа и выхода воздуха) приваривают к раме, а задние свободнолежат на раме, что при температурных расширениях труб дает имвозможность перемещаться относительно рамы в горизонтальной плоскости.Для создания газоплотности между подвижными (незакрепленными)коробками и рамой прокладывают асбестовый шнур. В таких рекуператорахприменяют трубы не длиннее 0,8-0,9 м во избежание прогиба.Рисунок 1.16 - Четырехходовой рекуператор из гладких стальных трубРекуператоры подобного типа предназначены для подогрева воздуха илигаза до 250-280° С при температуре дымовых газов более 500-600° С иотношении скорости воздуха к скорости дымовых газов не менее 2,5-3,0.Превышение указанных температур или снижение величины отношенияскорости воздуха к скорости дымовых газов может привести к перегреву47труб до температуры более 300-400° С и прогибу их.Достоинством данного рекуператора является простота егоизготовления, большими недостатками - ограниченность его размеров инизкие пределы температуры подогрева воздуха (или газа).Рекуператоры конструкции, подобной изображенной на рисунке 1.17,выполняются и с вертикальным положением труб (с двумя, тремя большимколичеством ходов), но в этом случае также действительны соображения огабаритах рекуператора.

При большом количестве труб и повышенныхтемпературах нагрева их увеличивающаяся разница в удлинениях отдельныхтруб ведет к отрыву некоторых труб от днищ, что и наблюдалосьнеоднократно при эксплуатации таких рекуператоров в производственныхусловиях.Наиболее совершенными с точки зрения теплообмена (обтекание трубдымовыми газами под углом 90°), аэродинамики (все элементы имеютодинаковые аэродинамические сопротивления) и компенсации тепловыхудлинений являются так называемые рекуператоры двойной циркуляции,один из вариантов которых (одна секция), разработанный Гипромезом,показан на рисунке 1.18.Каждый нагревательный элемент секции состоит из трубы диаметром81/89 мм, вставленной концентрично в другую трубу диаметром 100/108 мм.Рисунок 1.17 - Трубчатый рекуператор двойной циркуляцией48Наружные трубы с глухими нижними концами присоединены к нижнимкамерам воздушных коробок, а внутренние трубы (с открытыми нижнимиконцами) - к верхним камерам этих коробок.

Нижние концы внутренних трубнесколько не доходят до закрытых концов наружных труб.Рисунок 1.18 - Установка рекуператора двойной циркуляции в боровеОдним из положительных качеств рекуператоров двойной циркуляцииявляется несколько большая теплоустойчивость труб при прочих равныхусловиях по сравнению с обычным трубчатым рекуператором. Этообъясняется тем, что при нагреве воздуха в обычном трубчатом рекуператоретепло от стенок труб к воздуху передается практически только конвективнымпутем, так как воздух лучепрозрачен.

В данном же рекуператоре, кромепередачи тепла конвекцией воздуху, тепло от наружной трубы передаетсятакже лучеиспусканием внутренней трубе и поэтому температура стенкинаружной трубы несколько понижается по сравнению с тем случаем, когдавнутренней трубы не было бы.Рекуператор предназначен для размещения только в горизонтальныхдымоходах.На рисунке 1.19 дан пример установки рекуператора из секций,изображенных на рисунке 1.18. в борове.49Большим недостатком рекуператоров двойной циркуляции являетсяповышенная по сравнению с трубчатыми рекуператорами других типовсложность изготовления и монтажа, а также необходимость болеетщательного наблюдения за их работой.В рассмотренных выше типах трубчатых конвективных рекуператоров,предназначенных в основном для печей малого и среднего размера, воздухидет внутри труб, а дымовые газы обтекают трубы снаружи.

Однако в рядеслучаев (засоренные дымовые газы, необходимость облегчения очисткидымовых каналов) требуется, чтобы дымовые газы проходили внутрипрямых труб рекуператора, а поток нагревающегося воздуха обтекал бытрубы снаружи. Конструкция подобного трубчатого рекуператора,предназначенного для печей среднего размера, приведена на рисунке 1.20.Трубы рекуператора укрепляют в верхней и нижней дырчатых досках спомощью развальцовки.Рисунок 1.19 - Четырехходовой трубчатый рекуператор для печей среднегоразмера:1 – верхняя дырчатая доска; 2 – нижняя дырчатая доска; 3 – трубырекуператора; 4 – компенсатор; 5 – песочные затворы50Рисунок 1.20 - Узел сопряжения верхней дырчатой доски рекуператора сопорной рамой:1 – верхняя дырчатая доска; 2 – опорная рама; 3 – асбестовый шнур; 4 –трубы рекуператора; 5 – защитный слой жаростойкого бетонаРисунок 1.21 - Узел сопряжения нижней дырчатой доски рекуператора скомпенсатором:1 – нижняя дырчатая доска; 2 – компенсатор; 3 – асбестовые прокладки; 4– трубы рекуператораДля предохранения труб от перегорания в самой горячей зонерекуператора у верхней дырчатой доски сделан дополнительный подводхолодного воздуха.

От непосредственного воздействия горячих дымовыхгазов и излучения предрекуператорного пространства верхнюю дырчатуюдоску предохраняют слоем огнеупорного бетона.Верхняя дырчатая доска рекуператора опирается через асбестовыепрокладки на специальную швеллерную раму (рисунок 1.21), к которойприварен также наружный кожух рекуператора.Нижняя дырчатая доска рекуператора висит свободно, причем между51ней и наружным кожухом установлен компенсатор из стального листа(рисунок 1.22) толщиной 1,5 мм, обеспечивающий также и газоплотность внижней полости рекуператора.

Компенсатор с нижней дырчатой доской и снаружным кожухом рекуператора соединяется через асбестовые прокладки.В горизонтальном сечении рекуператор прямоугольный, расположениетруб шахматное.Рекуператор описанной конструкции нельзя рекомендовать дляприменения в тех случаях, когда длина труб будет превышать 2,5-3,0 м, арасчетная максимальная температура их стенок больше 400-450° С, иначепри свободной подвеске труб только вверху и отсутствии опоры внизувозможно большое растяжение труб в наиболее горячей части, а это можетпривести к уменьшению толщины их стенок и быстрым прогарам.Переходя к рассмотрению трубчатых рекуператоров большого размера,следует обратить внимание на то, что роль таких факторов, влияющих настроительную прочность и долговечность работы рекуператора, как тепловоерасширение элементов рекуператора, неравномерность распределенияскоростей и температур дымовых газов и воздуха (газа) по элементамрекуператора и др., особенно возрастает с увеличением длинырекуператорных элементов и их количества.

Так, например, если врекуператоре с подогревом воздуха до 600-700° С длина труб в холодномсостоянии 0,8 – 1,0 м, то они удлиняются всего на 8-10 мм, а в большихрекуператорах с длиной труб 5-6 м это удлинение составит уже 40-50 мм.Помимо общего теплового удлинения, в большом рекуператоре наблюдаетсявесьма существенная разница в удлинении отдельных труб, обусловленнаянеравномерным распределением дымовых газов и воздуха и неравномернымзасорением труб.Недостаточный учет этих явлений в конструкции большогорекуператора может повести к тому, что теплотехнически как будто быправильно рассчитанный рекуператор в производственных условиях быстровыйдет из строя или потребует частых дорогостоящих ремонтов.Широкое распространение получила конструкция большого трубчатогорекуператора (системы Шака), состоящая из пучка вертикальнорасположенных трубок, концы которых вварены в общие сборные коробки,52служащие для подвода и отвода нагреваемой среды.На рисуноке 1.23 представлена конструкция такого рекуператора,предназначенного для крупных металлургических печей.Рекуператор состоит из двух основных секций труб и третьейдополнительной - защитной, представляющей собой маленький трубчатыйпетлевой рекуператор, который служит для предохранения нижней, наиболеегорячей части (второй секции труб) от излучения предрекуператорногопространства.

Эта защитная секция включена (по воздуху) параллельноосновному рекуператору, связана с ним конструктивно и при порче можетбыть сравнительно легко заменена. Дымовые газы после защитной секциивходят в нижнюю часть шахты второй (по воздуху) секции рекуператорныхтруб, поднимаются вверх, омывая снаружи рекуператорные трубы, переходявверху в шахту первой секции труб, опускаются вниз и там отбираются вдымовую трубу. Подлежащий нагреву воздух поступает в нижнюю коробкупервой секции, поднимается вверх, переходит во вторую секцию труб,опускается вниз и отсюда по воздухопроводу горячего воздуха ступает кместу потребления. Таким образом, в первой и второй по воздуху секцияхтруб рекуператор работает по принципу противотока.Так как описываемый рекуператор используют обычно для подогревавоздуха до 500-700° С, то первая секция труб делается обыкновеннойуглеродистой стали, а вторая (более горячая) жаропрочной стали.Для предохранения труб от прогиба при нагреве в рекуператоре даннойконструкции применена рычажная система противовеса, уравновешивающаятрубы и создающая в них небольшое растягивающее усилие.53Рисунок 1.22 - Большой трубчатый рекуператор для подогрева воздуха:1 — трубы рекуператора первой секции; 2 — трубы рекуператора второйсекции; 3—защитная секция рекуператора; 4 — противовесы; 5 —направляющие перегородкиСледует обратить внимание на то, что противовес должен толькопредохранять трубы от прогиба, но никаким образом не компенсировать весьвес трубы, который должен передаваться на нижнюю дырчатую доску.