Рекуператор

 

технолог литейного производства

Рекуператор, это  теплообменный аппарат,  предназначенный для передачи теплоты от одного газа к другому через  разделительную стенку при  стационарном  тепловом режиме. С точки зрения взаимного движения газов в рекуператоре  (в дальнейшем один газ будем называть воздухом, а другой —  продуктами горения) возможны три  основные схемы: прямоток,  когда воздух  и продукты горения  перемещаются  в одном  направлении; противоток, когда воздух и продукты горения перемещаются в противоположных направлениях,  и перекрестный ток, когда воздух и продукты горения перемещаются по  отношению  друг к другу под углом 90ᴼ.

На рис 1 , показано изменение температуры воздуха,  продуктов горения и разделяющей их стенки по длине l  рекуператора.

рекуператор, изменение температуры воздуха

   При прямотоке воздух никогда не может быть нагрет  выше  конечной температуры продуктов горения. При противотоке воздух может быть нагрет выше конечной температуры продуктов  горения.

При противотоке можно получить более высокий КПД  рекуператора. Стенка рекуператора  находится  в наиболее  тяжелых условиях при противотоке  и в наиболее  благоприятных при прямотоке.

В зависимости от условий работы рекуператора и имеющихся материалов для изготовления рекуператора выбирают ту или иную схему.

   Рекуператор, тепловой расчет 

Расчет строят на основе расчета теплопередачи между продуктами горения и воздухом.  Количество переданной теплоты от продуктов горения к  воздуху, Дж/с,

Q= kFΔtср,

Где k – коэффициент теплопередачи рекуператора,  Вт/(м2 ˑ К);

F – площадь  поверхности нагрева  рекуператора,  м2; Δtср, -средняя логарифмическая разность  температур  между  продуктами горения и воздухом в рекуператоре, ᴼС.

Из этого  уравнения  могут быть получены два  уравнения  для определения необходимой площади поверхности рекуператора,м2,  что обычно и требуется  при  расчете рекуператора,  или коэффициента теплопередачи, Вт/( м2 ˑ К);

F = Q(kΔtср); k = Q/ (F Δtср)/

При расчете рекуператора наиболее сложная и трудоемкая задача – определение коэффициента теплопередачи k.

Теплопередача в рекуператоре определяется  тремя процессами: теплопередачей от продуктов горения к стенке  рекуператора;  теплопередачей через стенку рекуператора;  теплопередачей от стенки к воздуху.

Теплопередача от продуктов горения происходит излучением  и конвекцией. Так как интенсивность теплопередачи  характеризуется  коэффициентом теплопередачи, то

αп.гп.г.к + αп.г.и,

где αп.г –коэффициент теплопередачи от продуктов горения к стенке рекуператора, Вт(м2 ˑ К); αп.г.к – коэффициент теплопередачи конвекцией и теплопроводностью  от  продуктов горения к стенке, Вт(м2 ˑ К); αп.г.и,

-коэффициент теплопередачи излучением от продуктов горения к стенке, Вт(м2 ˑ К).

Теплопередача через стенку происходит только за счет теплопроводности и зависит от теплового  сопротивления стенки:

R=s/λ,

Где s – толщина стенки, м.

Теплопередача от стенки к воздуху происходит только за счет конвекции и теплопроводности, поэтому αв = αв.н

Коэффициент теплопередачи

K = 1/(1/αп.г + s/λ + 1/αв).

Для металлических рекуператоров отношение ы/λ  незначительно, и им можно пренебречь, тогда

K = αв αп.г/( αв + αп.г).

Площадь поверхности нагрева F рекуператора наиболее  правильно определять по линии, проходящей  через середину толщины  разделительной стенки.

Средняя логарифмическая разность температур определяется по формуле

Δtср=(Δtн – Δtк)/In(Δtн/ Δtк),

Где,  tн – tк – разность температур продуктов горения и воздуха в начале и в конце рекуператора.

При прямотоке

Δtн= tнп.г – tнв ; Δtк = tнп.г – trd.

При противотоке

Δtн = tнп.г — trd; Δtк =tкп.г  — tнв.

Следует отметить, что схему движения рассматривают по ходу продуктов горения.

Теплота, необходимая для нагрева воздуха,

Qв = св (tкв – tнв)  Vв,

 

технолог литейного производства

Где, Vв – объем воздуха, нагреваемого в рекуператоре, м3/с; св – удельная теплоемкость воздуха при температуре tкв,, кДж/(м3 ˑ К).

Объем воздуха определяют при расчете горения топлива в печи. С учетом потерь воздуха  через неплотности в трубопроводе  и арматуре на пути  от рекуператора до печи расчетный объем воздуха необходимо  увеличить  на 10- 15 %, т.е. Vв =(1,1-1,15) Vрасч.

Чтобы правильно выбрать материал для изготовления рекуператора и тем самым  обеспечить надежную работу установки,  необходимо определить  максимальную температуру стенки в местах  возможного перегрева.  Для металлических рекуператоров, у которых можно  пренебречь сопротивлением стенки,

tст = td + (tп.г – tв) /(1 + αвп.г),

Где .  tст, tв, tп.г – температура стенки, воздуха и продуктов горения для рассчитываемого участка, ᴼС; αп.г, αв – коэффициенты теплопередачи от продуктов горения к стенке и от стенки к воздуху для рассчитываемого участка, Вт/(м3 ˑ К).

Аэродинамический расчет рекуператора

Установка на печи рекуператора изменяет аэродинамическую характеристику  воздухоподводящей системы и системы удаления продуктов  горения.

При выборе вентилятора для подачи в печь воздуха с  необходимыми параметрами (количество и давление0 и дымососа для удаления продуктов горения определяют сопротивление  в рекуператоре по воздушному и газовому трактам.

Общее сопротивление тракта, Па,

Pпот = Σ ртр + Σ рм.с + ргеом,

Где, Σ ртр – суммарные потери давления в результате сопротивления трения, Па; Σ рм.с – суммарные потери давления в результате  местных сопротивлений, Па.

Конструкция рекуператора

Рекуператоры изготовляют из металла или керамических материалов. Керамические рекуператоры имеют низкий  коэффициент теплопередачи (3-5 Вт/(м3 ˑ К)1, громоздки и негазоплотны.  Металлические рекуператоры  обеспечивают лучшую теплопередачу по сравнению с керамическими.

Коэффициент теплопередачи металлического рекуператора 10-30 Вт/(м3 ˑ К). Металлические рекуператоры изготовляют из  чугуна и  углеродистой стали при прогреве воздуха до  температуры 300 ᴼС и жаропрочных сталей и сплавов – при подогреве до температуры 700 ᴼС.

На рис 2 показан щелевой радиационный рекуператор одностороннего нагрева, установленный на вертикальном дымоходе.

Рекуператор, схема щелевого рекуператора

   Рекуператор работает по схеме прямотока и состоит из двух цилиндров (наружного 3 и внутреннего 2), изготовленных из  листовой стали.

В нижней части рекуператора расположен коллектор1, в который поступает холодный воздух. Из него  воздух  перемещается в кольцевую щель5,  где нагревается  до необходимой температуры.

Горячий воздух затем поступает в верхний коллектор 4 и из него в трубопровод, соединяющий  рекуператор с печью.

Продукты горения в рекуператоре движутся  с небольшой скоростью так, что теплота от продуктов горения  передается стенке в основном за счет излучения (радиации).  Рекуператоры такого типа применяют при температуре продуктов горения 1000-1500 ᴼ С, т.е. когда газы интенсивно излучают теплоту. Температура подогрева  воздуха 600-700 ᴼ С.

В подобных рекуператорах в теплопередаче участвуют  и внутренний и  наружный цилиндры, что необходимо  учитывать при  определении поверхности рекуператора.

На рис 3  дана схема теплопередачи в щелевом рекуператоре  с односторонним обогревом. Количество теплоты, передаваемой от продуктов горения к внутреннему цилиндру,  обозначено Q 1.

рекуператор, схема теплопередачи

   Часть этой теплоты Q 3 передается конвекцией  воздуху,  проходящему через щелевое пространство рекуператора, а  остальная  часть  Q 2 излучается на наружный цилиндр.

Температура наружного  цилиндра, который имеет  хорошую внешнюю  тепловую  изоляцию, обычно достаточно высока, и соприкасающийся с ней  воздух нагревается, отбирая теплоту конвекцией (Q 4). Тепловые потери через изоляционный слой в окружающее  пространство Q 5.

Имеются различные конструкции рекуператоров, изготовленных из  гладких стальных  труб: в одних  воздух движется в  трубах, а продукты горения омывают наружную поверхность труб, в других – наоборот.

На рис 4 показана схема  рекуператора, в трубах  которого движутся продукты горения,  а между  трубами —  воздух.

Рекуператор имеет по воздушному пути четыре хода и  работает по схеме перекрестного противотока. Трубы 2 расположены вертикально, их концы приварены к  трубным листам 4 и 6. На равном расстоянии по высоте рекуператора  расположены три  листа 5, предназначенные для разделения потока воздуха.

рекуператор из гладких стальных труб

   Число ходов в рекуператоре должно быть четным, чем  обеспечивается  равномерное удлинение труб в пучке при нагреве. Передается  воздух из одного хода в другой  по воздушным коробкам 3.  Трубы в пучке могут иметь коридорное или шахматное  расположение.

Данная конструкция рекуператора при необходимости  позволяет  производить очистку внутренней поверхности труб от  пыли и других отложений, вносимых в рекуператор продуктами  горения. Для уменьшения потерь теплоты рекуператором в окружающее пространство его наружная поверхность покрыта слоем1 из теплоизоляционного материала.

Срок службы рекуператоров такого типа в значительной степени зависит от того, как компенсируется температурное удлинение отдельных труб. Если отдельные трубы удлиняются на равную  величину, то в трубных листах создаются напряжения, превышающие прочность сварных швов, и герметичность рекуператора нарушается. В некоторых  конструкциях эта проблема решается установкой на каждой трубе индивидуального компенсатора в виде сальника или поршневого кольца.

На рис 5  показан воздухоподогреватель для вагранки,  обогреваемый продуктами горения природного газа.  Рекуператор работает по схеме противотока. Воздух движется  по гладким  стальным трубам 3 (из хромоникелевой стали) от коллектора2 холодного воздуха в коллектор 7 горячего воздуха,.  Горячие газы из топки1,  поднимаясь обогревают трубы.  Пройдя разделительную стенку 4, горячие газы возвращаются,  направляясь к  коллектору 6, откуда удаляются дымососом.

воздухонагреватель для вагранки

   При нагреве  воздухоподогревателя трубы удлиняются и оттягиваются вверх  коромыслом 5.

В воздухоподогревателе  теплопередающие трубы  расположены по окружности.  Площадь теплопередающей поверхности труб 200 м2, количество нагреваемого воздуха 12 000 м2/ч, температура воздуха после подогрева 400 ᴼ С.

Используемая литература:

«Печи и сушила Литейного производства», Г.П. Долотов, Е.А. Кондаков

 

 

технолог литейного производства



Эти материалы будут вам интересны: