Лекция 5

План лекции:

Рекуператори металургійних печей.

Схеми рекуператорів: прямострум, протиструм, перехресний струм. Промислові рекуператори. Типові конструкції рекуператорів металургійних печей: керамічний рекуператор, металевий петельний рекуператор, блочний рекуператор та інш.

5  Рекуператоры металлургических печей

Использование физической теплоты воздуха Q_ф.в и газообразного топлива Q_ф.т снижает расход топлива, так как она получена за счет охлаждения дымовых газов перед выбросом их в атмосферу, т.е. для нагрева компонентов горения не расходовалась дополнительная химическая энергия топлива. Этот способ сокращения расхода топлива получил название: утилизация теплоты уходящих газов в рекуператорах или регенераторах.

Эффективность утилизации теплоты уходящих газов оценивают степенью рекуперации (регенерации)

                                               ,

которая показывает, какую долю теплоты уходящего дыма удается возвратить в рабочее пространство с нагретым воздухом и газообразным топливом.

Рекуператоры применяют, в основном, в нагревательных печах различного назначения. Регенераторы нашли применение как в плавильных, так и в нагревательных печах.

5.1  Схемы рекуператоров: прямоток, противоток, перекрестный ток

Рекуператор – это теплообменник стационарного режима работы, в котором теплота непрерывно передается от дымовых газов к нагреваемому газу (воздуху либо газообразному топливу) через сплошную твердую стенку. Площадь поверхности этой разделяющей стенки называют поверхностью теплообмена F, м². Чаще всего стенка имеет цилиндрическую форму, т.е. выполняется в виде трубы, внутри которой протекает один теплоноситель, а снаружи – другой.

Рекомендуемые материалы

По схеме движения горячего и холодного теплоносителей различают рекуператоры прямоточные, противоточные и перекрестного тока (рис. 5.1).

По преобладающему виду теплоотдачи от дымовых газов к стенке рекуператоры могут быть конвективными, радиационными и конвективно-радиационными.

В зависимости от материала стенки различают керамические и металлические рекуператоры.

Материалом для металлических рекуператоров служат хромоникелевые стали типа Х18Н10Т, Х25Н20С2 с допустимой температурой дыма перед рекуператором 1100-1200 °С, либо хромистая сталь типа Х17 с допустимой температурой дыма не более 1000 °С. Толщина стальной стенки S = 2-3 мм. Температура нагрева воздуха (или газа) в существующих рекуператорах не превышает 400-500 °С.

                   а)                                    б)                                 в)

Рис. 5.1 – Схемы движения теплоносителей в рекуператоре:

а – прямоток; б – противоток; в – перекрестный ток

Керамические рекуператоры выполняют из карбошамотных или шамотных восьмигранных трубок длиной 300-350 мм, с толщиной стенки S = 10-12 мм, а также реже из шамотных пустотелых блоков. В керамических рекуператорах нагревают только воздух ввиду их негерметичности. Максимальная температура дыма перед рекуператором 1250-1300 °С, нагретого воздуха – 800-850 °С. Более высокая температура воздуха – единственное преимущество керамических рекуператоров, недостатками их являются:

· неплотные соединения трубок между собой, через которые происходит утечка воздуха, изменяющаяся в процессе службы и нарушающая нормальное сжигание топлива;

· большие габаритные размеры из-за высокого теплового сопротивления керамической стенки, в связи с чем коэффициент теплопередачи в 4-5 раз меньше, а поверхность теплообмена во столько же раз больше, чем у металлического рекуператора.

5.1.1  Теплообмен и температурные поля в рекуператорах

Рассмотрим схему теплообмена при передаче теплоты через стенку рекуператора (рис. 5.2). Для определенности будем считать, что в рекуператоре нагревается сухой воздух, состоящий из двухатомных газов N₂ и О₂, которые прозрачны для тепловых лучей. Слева от стенки находится горячий теплоноситель – дым , в составе которого имеются трехатомные продукты горения СО₂ и Н₂О, способные излучать тепловой поток. В связи с этим коэффициент теплоотдачи от дыма к стенке включает лучистую  и конвективную  составляющие: , тогда как со стороны воздуха только конвективную .

Тепловой поток от дыма к воздуху преодолевает три тепловых сопротивления: от дыма к стенке – 1/a_д, внутреннее сопротивление стенки – S/l и от стенки к воздуху – 1/a_в. Как известно из теплотехники, коэффициент теплопередачи для плоской стенки будет равен

                                       , Вт/(м²×К),                                 (5.1)

а тепловой поток через стенку площадью F, м²

                                               , Вт,                                          (5.2)

где k и  – средние по поверхности F значения коэффициента теплопередачи и разности температур между дымом и воздухом.

Рис. 5.2 – Схема теплопередачи через стенку рекуператора

Выражение (5.2) называют уравнением теплопередачи в рекуператоре, а  - средним "температурным напором", который находят по формуле среднего логарифмического (вывод формулы мы не приводим)

                                                  .                                            (5.3)

Обозначения величин  и  показаны на рис. 5.3.  и  представляют из себя разности температур дыма и воздуха через разделительную стенку на входе и выходе дымовых газов из рекуператора.

Характер температурных полей на рис. 5.3 определяется уравнением теплового баланса рекуператора

или

                             ,                       (5.4)

где G_д и G_в – массовые расходы дыма и воздуха, кг/с; и  – температуры дыма на входе в рекуператор и на выходе из него, °С; и  – то же для воздуха, °С; h_пот = 0,05-0,1 – коэффициент потерь теплоты в окружающую среду.

Из уравнения теплового баланса (5.4) для идеального рекуператора (при h_пот = 0) получаем соотношения

                                                                                         (5.5а)

или

                                         .                                  (5.5б)

По физическому смыслу,  и  – это теплоемкости секундного расхода дыма и воздуха (водяные эквиваленты). Из (5.5б) следует вывод: чем больше теплоемкость теплоносителя, тем меньше изменяется его температура в рекуператоре.

Рис. 5.3 – Температурные поля рекуператоров вдоль поверхности F разделительной стенки рекуператора:

а – при ; б – при ;
t_ст – температура разделительной стенки рекуператора

На рис. 5.3 представлены температурные поля прямоточного и противоточного рекуператоров при  и при . Анализируя рис. 5.3, мы видим, что температура нагрева воздуха  при одинаковых значениях  и  в прямоточном рекуператоре стремится к , а в противоточном – к , т.е.  будет меньше в прямоточном рекуператоре, при этом из-за существенного уменьшения текущего значения  количество передаваемой теплоты также уменьшается, поэтому в прямоточном рекуператоре экономически обоснованным считается предельное значение .

5.1.2  Схема расчета рекуператора

Цель расчета рекуператора состоит в определении величины поверхности теплообмена F, которая является исходным параметром при проектировании. Массовые расходы теплоносителей и температуры ,  и  должны быть заданы.

В расчете рекуператора используются два уравнения: теплового баланса (5.4) и теплопередачи (5.2).

Из уравнения (5.4) находят неизвестную температуру дыма на выходе из рекуператора  и количество передаваемой воздуху теплоты Q.

                                              .

Из уравнения (5.2) определяют искомую величину поверхности теплообмена

                                                     .

Коэффициент теплопередачи "k" находят по формуле (5.1). В металлических рекуператорах внутреннее тепловое сопротивление стенки S/l пренебрежимо мало по сравнению с величинами – 1/a_д и 1/a_в, поэтому формула (5.1) упрощается

                                            .                                             

Формулы для вычисления коэффициентов теплоотдачи a_д и a_в приведены в учебном пособии [3] из списка рекомендуемой литературы.

5.2  Промышленные рекуператоры. Типовые конструкции рекуператоров металлургических печей: керамический рекуператор, металлический петлевой рекуператор, блочный рекуператор и др.

Конструкции рекуператоров разнообразны. В качестве примера рассмотрим рекуператоры трех конструкций:

Петлевой трубчатый рекуператор перекрестного тока (рис. 5.4) выполняется из металлических труб Æ 57/50 мм, устанавливается в дымовом канале. Достоинством его является свободное удлинение труб при разогреве рекуператора, так как трубы находятся в подвешенном состоянии и не испытывают термических напряжений.

Рис. 5.4 – Петлевой трубчатый рекуператор

Воздух входит в один из двух коллекторов, затем движется внутри труб по петлевой траектории и выходит из второго коллектора. Поток дыма проходит вдоль дымового канала между трубами. Эти рекуператоры широко применяются на нагревательных печах для подогрева воздуха и газообразного топлива.

Струйный радиационный рекуператор (рис. 5.5) имеет плоскую поверхность теплообмена в виде металлического листа.

Вам также может быть полезна лекция "26. Прерафаэлитизм".

Рис. 5.5 – Схема струйного радиационного рекуператора

Струйный рекуператор устанавливается на дымовой канал сверху. Дым проходит по каналу под рекуператором и передает теплоту на поверхность теплообмена в основном излучением, так как скорость движения дыма в канале мала (2-3 м/с), а его температура довольно высока – обычно более 1000 °С. Поэтому конвективный тепловой поток от дыма к поверхности теплообмена значительно меньше, чем лучистый. Воздушные струи истекают из мелких отверстий коллектора на поверхность теплообмена, при этом конвективная теплоотдача от поверхности к воздуху происходит более интенсивно, чем при движении воздуха вдоль поверхности теплообмена.

Керамический трубчатый рекуператор (рис. 5.6) перекрестного тока служит для подогрева воздуха до 800-850 °С. Дымовые газы проходят обычно внутри труб, воздушный поток омывает поверхность труб снаружи. Трубы выполняются из шамота, либо из смеси шамота с карборундом (SiC). Как отмечалось выше, керамические рекуператоры имеют низкую газоплотность (из-за большого количества недостаточно плотных соединений труб между собой) и низкий коэффициент теплопередачи k = 5-10 Вт/(м²×К). В связи с этим для высокотемпературного подогрева воздуха и газообразного топлива целесообразно применять регенераторы.

Рис. 5.6 – Керамический трубчатый рекуператор