Конструкции рекуператоров

Хорошая конструкция должна обеспечивать длительную службу (стойкость) рекуператора без ремонта в течение несколь­ких лет.

Эффективная длительная работа рекуператора возможна при соблюдении следующих условий:

- применение окалиностойких материалов для изготовления груб рекуператора;

- применение материалов, обладающих большой теплопро­водностью;

- обеспечение минимально возможной температуры труб в результате улучшения теплообмена между трубой и холодным потоком;

- предотвращение местных перегревов труб;

- обеспечение герметичности (газоплотности) всей конструк­ции;

- создание условий, обеспечивающих возможность чистки груб в процессе работы;

- обеспечение свободного расширения труб при нагреве и охлаждении (компенсация температурных расширений).

Игольчатые рекуператоры

Довольно широкое распространение получили у нас чугунные игольчатые рекуператоры, изготовляемые из природнолегированных (хромом и никелем) халиловских чугунов.

Основным элементом такого рекуператора является иголь­чатая труба (рисунок 17).

Как правило, воздух движется внутри трубы, а дымовые га­зы — снаружи. Устройство игл в несколько раз повышает коэф­фициент теплопередачи, значение которого, отнесенное к поверх­ности гладкой трубы, может доходить до 81 вт/(м²град). Это происходит за счет турбулизации по­токов и увеличения фактической поверхности нагрева.

Игольчатые трубы выпускают четырех длин: 880, 1135, 1385, 1640 мм с поверхностью нагрева (считая по гладкой трубе) 0,25; 0,33; 0,42 и 0,50 м².

По конструкции игольчатой поверхности различают трубы трех типов:

1) «17,5» - с обтекаемыми иглами на воздушной и дымовой сторонах с расстоянием между иглами 17,5 мм;

2) «28» - с обтекаемыми иглами на воздушной и дымовой сторонах с расстоянием между иглами 28 мм;

3) с обтекаемыми иглами на воздушной стороне и с гладкой (без игл) поверхностью (односторонние игольчатые) с газовой стороны.

Последние рекомендуют для печей с загрязненными пылью продуктами сгорания, например, для печей, отапливаемых неочи­щенным генераторным газом или угольной пылью.

Между собой, а также с патрубками для подвода и отвода воздуха трубы соединены строгаными чугунными рейками.

Рисунок 17 - Чугунная труба типа «17,5» игольчатого рекуператора

Таким образом, в любой последовательности можно соеди­нить любое число игольчатых труб. На рисунке 18 показан рекупе­ратор из 12 игольчатых труб типа «28» длиной 1135 мм. В этом рекуператоре воздух проходит последовательно 4 секции из трех труб каждая.

Скорость воздуха рекомендуется брать в пределах 4-8 м/сек (при 0° С), а скорость продуктов сгорания 1-2 м/сек (при 0°С).

Керамические рекуператоры

Возможность высокотемпературного подогрева воздуха до 900° С и долговечность керамических рекуператоров — их основ­ное достоинство. Рекуператоры из шамотных кирпичей на методических печах ряда наших металлургических заво­дов (рисунок 19) работают без ремонта на протяжении нескольких лет.

В каждом кирпиче предусмотрено четыре отверстия и бурти­ки, на которые укладывают короткие шамотные распорные плитки. Кирпичи ставят один на другой и их отверстия образу­ют сплошные вертикальные каналы для прохода воздуха. Про­дукты сгорания движутся между кирпичами в горизонтальном направлении, как показано стрелками на рисунке 19.

Рисунок 18 - Рекуператор из 12 чугунных игольчатых труб

Рекуператорам из шамотных кирпичей свойственны два ос­новных недостатка: большие тепловые сопротивления стенки и малая газоплотность стыков кирпичей. Поэтому получили распространение только те конструкции рекуператоров, в кото­рых кирпичи, образующие проходы для воздуха, стоят верти­кально друг на друге, что обеспечивает меньшее расхождение швов.

Малая газоплотность не позволяет работать с большими ско­ростями воздуха, так как в этом случае неизбежно повышенное давление в воздушных каналах и потери воздуха. Поэтому вна­чале даже не ставили воздушных вентиляторов, а добивались поступления воздуха под действием самотяги.

Рисунок 19 - Устройство рекуператора из специаль­ных шамотных кирпичей

Опыт показал, однако, что вентиляторное дутье при керамических рекуперато­рах возможно, но при этом нежелательно, чтобы скорость возду­ха была выше 2-3 м/сек. При таких малых скоростях невоз­можна работа с высокими коэффициентами теплопередачи и весь рекуператор получается громоздким.

Более совершенной конструкцией является керамический рекуператор, устанавливаемый на нагревательных колодцах (рисунок 20).

3

Рисунок 20 - Трубчатый керамический рекуператор для нагревательных колодцев: 1 - выход нагретого воздуха; 2 - вход продуктов сгорания; 3 - вход хо­лодного воздуха

В отличие от рекуператоров методических печей продукты сгорания здесь направляются по трубкам с сечением в виде восьмигранника — сверху вниз, а между трубами зигзагообраз­но движется нагревающийся воздух. Верхние ряды трубок рекуператора и самые нижние трубы делают из карбошамота (смесь карборунда и шамота), средние - из шамота. Длина трубок 298-397, наружный диаметр 140, толщина стенок 13 и 16 мм соответственно для шамота и карбошамота.

Пространство между трубками перекрывают специальными фасонными плитками, а вверху рекуператора предусмотрен песочный затвор. Движение про­дуктов сгорания по вертикально расположенным трубкам облег­чает их чистку. Поверхность на­грева 1 м³ рекуператора, изобра­женного на рисунке 20, больше, чем рекуператора, изображенного на рисунке 19, вследствие всестороннего охлаждения трубок, что делает первый из указанных рекупера­торов компактнее.

Применение керамических рекуператоров постоянно сокра­щается в связи с более широким использованием топлив высо­кой теплоты сгорания (природный газ и др.).

2. РЕГЕНЕРАТОРЫ

В регенераторах посредником между греющим и нагреваю­щимся потоками газов является не тонкая герметичная стенка, как в рекуператоре, а массивная регенеративная насадка, кото­рая работает периоди­чески сначала воспринимая (аккумулируя) тепло, а затем отдавая это тепло нагреваемо­му потоку (воздуху или газу), который движет­ся по тому же пути, по которому только что шли горячие газы, но во встречном направ­лении.

Таким образом, проблемы герметичной стенки в регенераторах не существует, и поэто­му регенеративные на­садки нагревательных печей можно соору­жать из обыкновенно­го (т. е. не фасонного) шамотного или динасового кирпича и греть их до очень высоких температур, вследст­вие чего в регенерато­рах газ и воздух срав­нительно легко нагре­ваются до 1000-1200° С. При этом сама насадка служит иног­да год и больше. Ремонт насадки обходится недорого, так как ее выполняют из обыкновенного кирпича или блоков простой формы.

Регенеративные насадки

Размеры кирпича, из которого делают насадку, например его толщина, а также размеры, характеризующие взаимное распо­ложение кирпичей в насадке (например, величина ячейки), на­конец форма кирпичей и их общая компоновка, т. е. то, что обычно называют конструкцией насадки, должны обеспечивать:

1) максимальную теплоотдачу в единице объема насадки (в 1 м ³ ), что определяется объемным коэффициентом теплопереда­чи a_v, вт/м³град.

2) длительность срока службы насадки (хотя бы на од­ну кампанию печи), чтобы не останавливать ее в течение кампа­нии на ремонт или чистку насадок от осевшей на нее пыли и шлака;

3) минимальные затраты на сооружение: на материалы (ми­нимальная масса насадочного кирпича) и рабочую силу (удоб­ство и быстрота сооружения насадки).

Ячейкой называют самый узкий проход для газов (в горизон­тальной плоскости соприкосновения кирпичей). Обычно ячейки квадратные, поэтому их размер обозначают двумя одинаковыми цифрами, например 120 X 120 мм.

Самую простую насадку системы Сименса выкладывают из обыкновенного (нормального) кирпича. Как видно из рисунка 21 а, кирпичи кладут горизонтальными рядами на ребро. На этом ри­сунке изображена насадка колодцами - все ячейки расположе­ны по одной вертикали и образуют как бы колодец.

Если ячейки сместить одну относительно другой на полшага, то получится насадка в разбежку, или шахматная. Однако ее используют редко, так как она сильно заносится пылью.

Насадка Петерсена немного отличается от насадки Сименса; ее выкладывают из специальных кирпичей (рисунок 21 6) с уступа­ми, фиксирующими положение кирпича при кладке, а также размер ячейки и обеспечивающими для каждого кирпича в про­цессе кладки устойчивость.

Брусковую насадку (рисунок 21 г) выкладывают как и две пре­дыдущие, но из специального, так называемого брускового кир­пича квадратного сечения.

Насадка Каупера совсем другой конструкции и, как видно из рисунка 21 в, ее поверхность нагрева представляет собой сплош­ные вертикальные колодцы. Горизонтальные поверхности кирпи­чей соприкасаются и в теплообмене не участвуют.

На рисунке 21 д показан блок из насадки для доменных возду­хонагревателей. В этой насадке ячейка фигурная с вертикальными овальными выступами и вертикаль­ные каналы сообщаются между собой горизонтальными прохо­дами.

Сооружение регенеративных насадок из блоков широко при­меняют при строительстве доменных воздухонагревателей, где оно вполне оправдано.

Рисунок 21- Регенеративные насадки: а - Сименса колодцами; б - Петерсена; в - Каупера гладкими ка­налами; г - брусковая; д - конструкции с овальными вы­ступами и горизонтальными проходами

3. КОТЛЫ-УТИЛИЗАТОРЫ

Постройка котлов-утилизаторов для больших печей оказывается экономически целесообразной.

Большая запыленность газов затрудняет возможность уста­новки за печами регенераторов. Эти печи, как правило, отличаются большой тепловой мощностью. Пар из котлов-утилизаторов использу­ется на бытовые или энергетические цели.

Трудность реализации идеи использования тепла в котлах- утилизаторах по возможности за всеми печами объясняется тем, что:

1) при температуре газов, поступающих в котел, ниже 400° С съем пара с 1 м² поверхности нагрева котла получается настолько малым, что амортизация капитальных затрат ста­новится недостаточно эффективной;

2) при установке котла-утилизатора за печью в газовый тракт печи вводится дополнительное сопротивление. Чтобы это не сказалось вредно на работе печи, необходима установка мощных дымососов, а также системы шиберов, которая по­зволила бы, в частности, быстро отключить неисправный ко­тел и перейти к работе на трубу;

3) разбросанность мелких печей на территории цеха силь­но затрудняет обслуживание котлов и устройство коммуника­ционных линий.

Поэтому пока котлы-утилизаторы устанавливают преиму­щественно только за крупными печами.

В некоторых случаях установка котлов-утилизаторов может способствовать решению чисто печных вопросов.

Типичным случаем является такой, когда уходящие из печи газы, нагретые до высокой температуры (например, 1300° С), сильно запылены, и поэтому регенераторы или рекуператоры, установленные непосредственно за печью, обречены на быстрое засорение и выход из строя. Если же непосредственно за печью в этом случае установить котельные поверхности нагрева, особенно радиационного типа, то котельные поверхности вос­примут на себя термический удар и сыграют роль пылеосадителя. Очищенные от пыли и охлажденные до умеренных тем­ператур (1000-900° С) газы можно направить в рекуператор и таким образом надежно осуществить рекуперацию тепла. При такой схеме, однако, неизбежно уменьшается использова­ние тепла отходящих газов для подогрева воздуха и топлива.

В другом случае — при необходимости работать на искусст­венной тяге - в котле-утилизаторе продукты сгорания охлаж­даются до низких температур (около 250° С), и уже возможна прямая тяга (когда газы отсасываются дымососом).

Литература: 4 осн. [157-190].

Контрольные вопросы:

1. Опишите три типа противотока рекуператоров.

2. Параллельный ток (прямоток) рекуператоров.

3. Конструкции игольчатых рекуператоров.

4. Конструкции керамических рекуператоров.

5. Регенераторы, конструкции регенеративных насадок.

Дата добавления: 2014-12-10