Инженерный анализ несущей способности и ресурса трубчатых элементов конструкций при нестационарном термомеханическом нагружении, страница 8

Иначев трубе возникнут большие растягивающие усилия, а это может весьмавредно отразиться на прочности труб, стенки которых нагреты до высокойтемпературы.Большое значение для прочности рекуператора имеет также вопрособеспечения равномерного нагрева труб в поперечном сечении секции, таккак если трубы жестко вварены в днища (дырчатые доски), расположенныепо концам секции труб, то при разной температуре нагрева трубы будутудлиняться неодинаково, в результате чего возможны коробление днищ и54разрыв отдельных труб. Для предотвращения этого секцию рекуператорныхтруб разбивают на несколько групп (две, три, четыре и более) с устройствомкомпенсирующих противовесов для каждой группы отдельно, данном случаесекция (вторая) разбита на две группы.Компенсационные противовесы и разбивка на группы труб сделанытолько во второй по воздуху секции, так как стенки труб этой секциинагреваются до весьма высоких температур.

В первой секции трубынагреваются до значительно более низких температур и устраивать такиесложные приспособления для компенсации температурного расширения трубнет необходимости.Рисунок 1.23 - Узел вывода трубопровода от второй секции рекуператора:1 — трубы рекуператора; 2 — воздухосборная коробка; 3 — трубопроводгорячего воздуха; 4 — уплотнениеНа рисунке 1.24 показаны конструкция верхней воздушной коробкиодной группы второй секции рекуператора и уплотнение в месте проходатрубопровода горячего воздуха от коробки через кожух рекуператора. Втаблице 1.4 дана основная характеристика трех (подобных описанным выше)больших трубчатых рекуператоров со стальными гладкими трубами,предназначенных для крупных металлургических печей (в основномдоменных печей).55Таблица 1.4 - Основная характеристика больших трубчатых рекуператоровПоказателиРекуператорыIIIIIIКоличество воздуха, м3/ч7000800016000Температура дымовых газов, °С:перед рекуператоромпосле рекуператора9003009003001000340Температура подогрева воздуха(максимальная), °С550540680Поверхность нагрева, м2170228480Количество труб4586162  572Размеры труб, мм:внутренний диаметрдлина24470024470033350016 800190004000098,983,583,5Масса рекуператора (без футеровки итеплоизоляции), кгМасса, отнесенная к единице поверхностинагрева, кг/м2Описанная конструкция рекуператора достаточно надежна припостоянном тепловом режиме работы рекуператора.Однако в условиях переменного теплового режима (периодическиработающие печи, воздухоподогреватели для вагранок) периодическоенагревание и охлаждение труб ведут к изгибу труб на горячем конце пучка,так как в момент разогрева при входе дымовых газов в пучок труб ввидумалого количества газов и низкой температуры стенок труб передние (походу дымовых газов) трубы расширяются больше, чем задние, а приохлаждении рекуператора наоборот.

Поэтому передние трубы изгибаются.Изгиб способствует увеличению осаждения пыли и усложняет удаление еес труб.Учитывая это, начали применять (например, для воздухоподогревателей56вагранок) конструкцию, изображенную на рисунке 1.25, являющуюся болеесовершенной для запыленных газов.

Рекуператор используется для подогревадо 550° С воздуха в количестве 6500 м3/ч. Для удобства замены трубрекуператор сделан многосекционным с короткими трубками и большимколичеством отверстий в обмуровке для очистки дымовой поверхности труб.Дымовые газы содержат пыли 20 г/м3. Первая секция (по дыму) сделаналегкозаменяемой.Рисунок 1.24 - Секционный трубчатый рекуператор с наружнымобтеканием труб дымовыми газами:1 — вход дымовых газов; 2 — выход дымовых газов; 3 — вход холодного воздуха; 4 — выход горячего воздуха; 5—воздушный байпас; б — задвижки; 7—отверстия для чистки дымовой поверхности трубОднако и в этой конструкции хорошо очистить трубы также нельзя,отчего наблюдаются местные перегревы труб и перенапряжение материала.Таким образом, в конструкциях, где дымовые газы обтекают трубырекуператора снаружи, при запыленных дымовых газах нельзя гарантироватьдостаточную продолжительность работы, так как очистка труб неравномернапо их поверхности.

Места, очищение хуже, имеют более низкуютемпературу, чем хорошо очищенные, отчего трубы получают большиемеханические перенапряжения и, как следствие, изгибы.Чтобы с целью уменьшения отложения пыли путь дымовых газов в57рекуператоре сделать нее коротким и с меньшим количеством поворотов,начали применять рекуператоры, у которых дымовые газы идут внутри труб,а нагревающийся воздух обтекает трубы снаружи (рисунок 1.26).В этом рекуператоре через несколько месяцев эксплуатации на обоихконцах его начали наблюдаться отрывы приваренных труб. Тщательноеобследование показало, что причиной этого являлась разная степеньзасорения отдельных труб. Через более засоренные трубы проходиломеньшее количество дымовых газов, отчего эти трубы охлаждались и,укорачиваясь, отрывались от днищ, хотя вся система труб уравновешиваласьпротивовесом.

Отсюда следует, что при запыленных дымовых газахконструкции крепления труб на концах (к донным листам) должнопредусматриваться самостоятельное их удлинение или укорачивание.Рисунок 1.25 - Трубчатый рекуператор с проходом дымовых газов внутритруб:1 — вход дымовых газов; 2 — выход дымовых газов; 3 — вход холодноговоздуха; 4 — выход горячего воздуха; 5 — люк для чистки труб; 6 —теплоизоляцияВ последующих конструкциях стали устанавливать на более холодном58конце труб сальники с асбестовым уплотнением.

Конструкция такогорекуператора показана на рисунке 1.27.В данной конструкции рекуператора дымовые газы проходят внутритруб, а нагревающийся воздух обтекает трубы снаружи.Нижние концы труб приварены к нижней дырчатой доске, а верхниеконцы труб проходят верхнюю дырчатую доску через специальноеуплотнение типа сальника, обеспечивающее свободное их удлинение(рисунок 1.28). Направляющие перегородки, расположенные сравнительночасто, служат также для корректировки сложения труб и не позволяют импри тепловом расширении смещаться в горизонтальном направлении.

Притаком способе крепления различие в удлинении труб не будет приводить кдеформации днищ воздушных коробок (трубных дырчатых досок) иуменьшению их прочности.Рисунок 1.26 - Рекуператор типа «дымовые газы внутри труб» сподвижным креплением труб:а — трубы; б— подвижное крепление; в — направляющие перегородки; г —жаростойкий бетон; д— двойное дно; е— теплоизоляция; ХВ — холодныйвоздух; ГВ — горячий воздух; ДГ — дымовые газы59Рисунок 1.27 - Крепление рекуператорных труб:1—верхняя дырчатая трубная доска; 2— нижняя дырчатая трубная доска;3 — асбестовое уплотнение; 4 — рекуператорные трубыПрактика показала, что конструкция рекуператора с прохождениемдымовых газов внутри труб и обтеканием воздухом пучка труб снаружилучше, чем конструкция рекуператора с прохождением воздуха внутри труби обтеканием дымовыми газами труб снаружи.Следует заметить, что прямые трубы диаметром 50-70 мм (применяемыев рекуператорах этого типа) легко очищать от пыли.

Кроме того, пыль припрохождении внутри труб осаждается меньше, так как нет завихрений,возникающих в случае обтекания дымовыми газами труб снаружи.Металлические рекуператоры выполняют из обыкновенного серогочугуна, легированного чугуна, углеродистой и жаропрочной стали взависимости максимальной температуры нагрева. Марки чугуна: ЖЧХ-1,5;ЖЧХ-5,5; ЖЧСШ-5,5; ЖЧЮ-22; ЖЧЮШ-22. Марки жаропрочной иокалиностойкой стали: Х28; Х23Н13; Х23Н18; Х9С2; Х25Т; Х18Н9Т.Керамические рекуператорыКерамические рекуператоры применяют для нагрева воздуха дотемпературы выше 500-700 °С (до 900-1000 °С).

В подавляющембольшинстве случаев материалом для рекуператорных элементов (камней)служит шамот, реже карбошамот, т.е. смесь карборунда и шамота.Керамические рекуператоры из трубчатых элементов получили впоследнеевремясравнительноширокоераспространениенаметаллургических высокотемпературных камерных печах (нагревательныхколодцах), а также на некоторых печах химической промышленности ипромышленности строительных материалов.60Устройство рекуператора показано на рисунках 1.29-1.30.Рисунок 1.

28 - Керамический трубчатый рекуператор (типа Амко)(вертикальный разрез):1 – керамические рекуператорные трубки; 2 – промежуточные кольца(стыковые кирпичи); 3 – верхние кольца; 4 – промежуточные перегородки; 5– керамические цилиндры (пробки); 6 – нижние кольца; 7 – нижние опорныекамни; 8 – верхние перекрывающие плиты; 9 – песочный затворДымовые газы проходят по трубам рекуператора сверху вниз, не меняясвоего направления.

Воздух омывает рекуператорные трубы снаружи ипроводите рекуператоре снизу вверх, несколько раз меняя свое направлениена 180°.Керамические рекуператорные трубы восьмигранной в сечении формы(рисунок 1.29); длина труб 300—400 мм. Два верхних ряда и один нижнийвыкладывают из шамотно-карборундовых труб, а три средних - из шамотных.Толщина стенок шамотных труб 13 мм и шамотно-карборундовых 16 мм.Трубы соединяют между собой при помощи специальных колец - стыковыхкирпичей (рисунок 1.30), причем сборку труб с кольцами выполняют особом61воздушнотвердеющем цементе.Для образования каналов на пути воздуха и предотвращения движенияего вдоль труб между кольцами вставляют промежуточные перегородкиразличного фасона (рисунок 1.30).Рисунок 1.29 - Керамический трубчатый рекуператор (типа Амко) (горизонтальный разрез)Наиболее термически напряженными в рекуператоре являются верхниеряды труб, куда входят горячие дымовые газы и где на трубы действуетизлучение предрекуператорного пространства, и нижний ряд труб, кудавходит холодный воздух и где получается большой перепад температур встенках труб.

Поэтому в этих участках рекуператора и устанавливаютшамотно-карборундовые трубы, обладающие большей термическойустойчивостью.Чтобы предотвратить просачивание воздуха на дымовую сторону приизменении высоты столба нагревающихся труб, верхнюю трубную решеткурекуператора соединяют со стенками песочным затвором 9 (см. рис. 1.291.30).Температура нагрева воздуха в рекуператоре до 800-850° С притемпературе дымовых газов, входящих в рекуператор, 1200-1250°С.621.1.5 Применяемые материалы и их химически составПри подборе материала для проектирования аппарата необходимоучитывать его устойчивость к химическому воздействию теплоносителей идругим видам коррозии, термоустойчивость, изменение механических ихимических свойств в заданных условиях эксплуатации, теплопроводность.Но далеко не всегда указанные требования соблюдаются.

Например,рекуператоры и регенераторы из керамических материалов могут работатьпри высоких температурах теплоносителей (до 1350 °С), но имеют низкийкоэффициент теплопроводности, громоздки и не могут работать приразности давления между теплоносителями более 120 Н/м2 (~ 12 мм вод. ст.).Следовательно, требования, предъявляемые к материалам, нельзя обобщить вкакие-либоопределенныенормы,соответствующиеклассификациитеплообменников.При выборе материала для поверхности теплообмена, проката, отливоки поковок исходными величинами должны быть наибольшая допускаемаятемпература поверхности, давление, поддерживаемое в аппарате, и физикохимические свойства теплоносителей.Низкотемпературные теплообменники, в основном, изготавливают изконструкционных малоуглеродистых сталей (содержание углерода 0,25–0,35%), полученных мартеновским способом. Для высокотемпературныхрекуператоров, работающих при температуре стенки tс > 400÷500 °С,пароперегревателей и элементов парогенераторов применяются трубы илистовой прокат из жаростойкой и жаропрочной стали.При низком давлении (близком к атмосферному) рабочих сред сталь длятеплообменников не должна окисляться в среде продуктов сгорания примаксимальной их температуре.