Лекция 6

План лекции:

Регенератори металургійних печей.

Характеристики регенераторів. Конструкції регенераторів. насадка регенераторів. Схема роботи регенеративної системи опалення печей. Достоїнства та недоліки регенераторів. Умови експлуатації регенераторів.

6  Регенераторы металлургических печей

6.1  Характеристики регенераторов. Схема работы регенеративной системы отопления печей. Достоинства и недостатки регенераторов

Регенератор металлургической печи представляет собой камеру, заполненную многорядной решеткой (насадкой) из огнеупорного кирпича, чаще всего динасового и шамотного, или из других штучных изделий.

В работе регенератора различают два рабочих периода времени – t₁ и t₂. В течение периода t₁ через регенератор проходит горячий теплоноситель – дым, который нагревает кирпичную насадку. Это дымовой период или период нагрева насадки. В течение периода t₂ через регенератор пропускают холодный теплоноситель – воздух или газообразное топливо. Это период дутья или период охлаждения насадки. Насадка отдает ранее аккумулированную теплоту нагреваемому воздуху или газу, т.е. выполняет роль посредника в теплообмене между дымом и воздухом (газом).

Печь потребляет топливо и воздух непрерывно, поэтому она должна иметь как минимум два регенератора для нагрева воздуха и два – для нагрева топлива, если есть необходимость в нагретом топливе. Такая необходимость возникает при отоплении печи низкокалорийным газом, чтобы обеспечить достаточную температуру горения.

При наличии на печи одной пары регенераторов продолжительность периодов нагрева и охлаждения насадки одинакова t₁ = t₂. По два воздушных регенератора имеют мартеновские и нагревательные печи. Регенеративные нагревательные колодцы, работающие на доменном газе, имеют два воздушных и два газовых регенератора. В доменных воздухонагревателях длительность дымового и воздушного периодов разная, поэтому доменные печи оборудованы тремя или четырьмя регенераторами (кауперами). Если число регенераторов "n" больше двух, то , где Dt – длительность операции переключения с дымового периода на воздушный и наоборот. Эту операцию на производстве называют "перекидка клапанов".

Движение газов в регенераторах противоточное, греющий и нагреваемый газы проходят по одним и тем же каналам насадки, но в разные периоды времени и в противоположном направлении.

Таким образом, регенератор, в отличие от рекуператора, – это теплообменник нестационарного режима работы, в котором теплота передается от дымовых газов к воздуху либо топливу с помощью периодического нагрева и охлаждения огнеупорной насадки.

Рекомендуемые материалы

Преимущество регенераторов состоит в возможности работы в условиях более высоких температур, при сохранении герметичности даже при высоком давлении теплоносителей. В доменных воздухонагревателях и в мартеновских печах температура дыма на входе в насадку = 1400-1600 °С, она ограничивается свойствами керамической насадки: огнеупорностью, термостойкостью, шлакоустойчивостью. Температура нагрева воздуха достигает значений = 1300-1400 °С.

Недостатком регенераторов является необходимость перекидки клапанов и колебание температуры нагретого воздуха (топлива). Температурное поле регенератора представлено на рис. 6.1. При постоянной температуре дыма  и воздуха  на входе в насадку температуры  и  изменяются во времени. В начале дымового периода охлажденная ранее насадка поглощает большее количество теплоты, чем в конце периода, когда разность температур дыма и насадки становится меньше. Поэтому на рис. 6.1 температура дыма на выходе из насадки в начале дымового периода  меньше, чем в конце  этого периода.

Температура нагрева воздуха выше в начале воздушного периода, когда насадка имеет наиболее высокую температуру, т.е. .

Чтобы не допускать значительного колебания температуры нагрева воздуха или топлива, перекидку клапанов делают через несколько минут. Уменьшение длительности периодов t₁ и t₂ полезно с точки зрения уменьшения объема насадки. Недостатком является снижение срока службы механических перекидных устройств.

Рис. 6.1 – Температурное поле регенератора:

 – температура дыма и воздуха на входе в регенератор; ‑ температура дыма на выходе из регенератора в начале и в конце дымового периода;  – температура нагрева воздуха в начале и в конце воздушного периода;  – температура насадки. Заштрихована область изменения  в течение цикла «нагрев – охлаждение»

6.2  Конструкции регенераторов. Насадка регенераторов. Условия эксплуатации регенераторов

Наибольшее распространение получили насадки (решетки) из обыкновенного кирпича – динасового и шамотного. В зависимости от способа укладки кирпичей различают насадки типа Сименс (рис. 6.2а) и типа Каупер (рис. 6.2б). Насадка Каупера имеет только вертикальные каналы, она обладает повышенной строительной прочностью, но её удельная поверхность теплообмена, т.е. площадь соприкасающейся с газами поверхности кирпичей в м² на 1 м³ насадки, меньше, чем у насадки Сименса. Насадка Сименса имеет вертикальные и горизонтальные каналы, её строительная прочность ниже, но конвективная теплоотдача выше. Удельная поверхность насадок Сименса и Каупера находится на уровне 15-20 м²/м³ в зависимости от размера каналов для прохода газов (ячеек).

Вместе с этой лекцией читают "2.4 Среднее царство".

Специальный вид насадки из фасонных огнеупорных блоков для доменных воздухонагревателей имеет удельную поверхность 35-40 м²/м³.

За последние 20 лет получили распространение малогабаритные регенераторы с шариковой насадкой. Корундовые шарики с содержанием Al₂O₃ = 98 % имеют высокую огнеупорность и термостойкость. Засыпка шариков диаметром 20 мм имеет удельную поверхность ~ 200 м²/м³, т.е. на порядок выше, чем насадка из кирпичей.

а) насадка Каупера                б) насадка Сименса

Рис. 6.2 – Регенеративные насадки из кирпича

Шариковые регенераторы применяют в плавильных и нагревательных печах. В нагревательных колодцах с отоплением из центра подины одного из металлургических комбинатов Украины керамические трубчатые рекуператоры были заменены компактными шариковыми регенераторами, при этом температура подогрева воздуха возросла с 600 °С до 1100–1150 °С, а расход топлива снизился на 30%.