Расчет рекуператора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

теплообменный рекуператор игольчатый

Нагревательные и термические печи металлургической и машиностроительной промышленности являются одними из основных потребителей топлива в стране, причем в них, как правило, расходуют наиболее ценные сорта топлива: мазут и газ. В подавляющем большинстве случаев промышленные печи работают с весьма низким термическим к. п. д., величина которого в производственных условиях чаще всего не превышает 20-30%, т.е. в 3-4 раза ниже, чем, например, к. п. д. Современных парокотельных установок. Низкий термический к. п. д. промышленных печей обусловливается в основном очень большими потерями тепла с отходящими дымовыми газами, достигающими иногда 50-65% от количества тепла, подведенного в печь. Лучшим методом повышения термического к. п. д. печей, а следовательно, и эко топлива является возврат в печь части тепла, содержащегося в отходящих дымовых газах, подогревом в рекуператорах воздуха, используемого для горения топлива. Подогрев воздуха не только, обеспечивает экономию топлива, но и повышает температуру продуктов сгорания топлива, что способствует ускорению процессов нагрева металла в печах и делает возможным применение новых способов нагрева металла-скоростного, безокислительного, открытым пламенем и др. Печи, предназначенные для работы при высокой температуре рабочего пространства и требующие применения высококалорийного топлива, при установке рекуператоров могут работать на менее качественном (местном) топливе без снижения производительности и ухудшения технологических условий нагрева. В промышленности, применяют керамические и металлические рекуператоры, причем последние имеют ряд существенных преимуществ перед керамическими и их внедряют в промышленность все в больших масштабах. Если за последние 10-15 лет почти ничего нового не сделано для усовершенствования керамических рекуператоров, то за этот же период проведены большие работы по конструированию и исследованию металлических рекуператоров новых типов и освоению их серийного производства на заводах. Сейчас используют много различных металлических рекуператоров на промышленных печах: игольчатых, термоблоков, трубчатых, радиационных и др. конвективный рекуператор теплообменник



1. Теплообменные аппараты

Теплообменные аппараты и установки предназначены для передачи теплоты от одной среды к другой или от среды к нагреваемому (охлаждаемому) телу. Теплообменные аппараты и установки по некоторым характерным признакам можно объединить в определенные классификационные группы.

Прежде всего, по способу передачи теплоты от одной среды к другой (от одного теплоносителя к другому) теплообменники классифицируются на:

· рекуперативные;

· регенеративные;

· смесительные;

· с электрическим обогревом.

В рекуперативных теплообменниках передача теплоты осуществляется сквозь разделяющую теплоносители однослойную или многослойную стенку при установившемся или неустановившемся тепловом режиме. К аппаратам с установившимся тепловым режимом относятся непрерывно действующие теплообменники, работающие при неизменных во времени расходах и параметрах теплоносителей на входе и выходе из аппарата. Передача теплоты от одной среды к другой в рекуперативных аппаратах происходит при одновременном вынужденном движении сред без изменения фазового состояния или при фазовом переходе одного (обоих) теплоносителя.

В периодически действующих аппаратах в течение заданного времени может осуществляться последовательно нагрев, испарение, охлаждение определенного количества предварительно загруженной жидкости или нагрев, охлаждение сыпучих и твердых материалов. В процессе нагрева или охлаждения, естественно, происходит изменение во времени температуры нагреваемого вещества. В качестве греющей среды используются теплоносители, не изменяющие фазовое состояние (жидкости, газы), и конденсирующийся водяной пар или пар другой жидкости. Греющая (охлаждающая) среда, как правило, подается непрерывно с мало изменяющимися параметрами на входе и существенно переменной во времени температурой на выходе из аппарата, особенно у жидких и газообразных теплоносителей. Следовательно, аппараты такого типа относятся к теплообменникам с неустановившимся тепловым режимом.

В регенеративных теплообменных аппаратах при передаче теплоты от одной среды к другой также используется поверхность теплообмена. Однако эта поверхность, или точнее насадка, образующая поверхность теплообмена, является промежуточным аккумулятором теплоты. Вначале, в течение какого-то отрезка времени, насадка через свою поверхность воспринимает определенное количество теплоты от греющей среды. Затем производится переключение потоков теплоносителей и по поверхности насадки пропускается нагреваемая среда. В этот период насадка охлаждается, передавая ранее воспринятую теплоту нагреваемой среде.

Нагрев или охлаждение в регенераторах, особенно с неподвижной насадкой, относится к категории нестационарных, но синхронно повторяющихся тепловых процессов. Обычно в регенераторах нагреваются компоненты горения топлива для промышленных печей, МГД генераторов и парогенераторов.

Для теплообмена при смешении рабочих сред не требуется специальная поверхность.

Теплообмен в этом случае происходит на границе раздела фаз одного рода теплоносителей (однородных) или на границе раздела жидкой и газообразной сред и сопровождается массообменом, изменением энтальпии смеси или каждого из теплоносителей, изменением влагосодержания газообразной среды. Смесительные теплообменники могут быть полыми и с насадкой. Поверхность насадки во втором случае служит только для организации движения пленки жидкой фазы и не является поверхностью теплообмена.

В соответствии с назначением газожидкостные аппараты называются скрубберами, градирнями, оросительными камерами, смесительными подогревателями воды.

· в полом и насадочном скрубберах происходят охлаждение, осушка или увлажнение и очистка от пыли и других примесей всевозможных газов и воздуха;

· в оросительных камерах - охлаждение, осушка и увлажнение воздуха для систем кондиционирования;

· в градирнях - охлаждение охлаждающей воды из конденсаторов паровых турбин;

· в смесительных паро- и водо-водяных аппаратах - нагревание воды для систем горячего водоснабжения, конденсация отработавшего пара и так далее.

2. Классификация теплообменных аппаратов

Тепловые процессы, происходящие в теплообменных аппаратах, могут быть самыми разными: нагрев, охлаждение, испарение, кипение, конденсация, плавление, затвердевание и более сложные процессы. В процессе теплообмена может участвовать несколько теплоносителей: тепло от одного из них может передаваться нескольким и от нескольких другу.

Существует несколько классификаций теплообменных аппаратов:

1) по назначению: подогреватели, конденсаторы, охладители, испарители.

2) по принципу действия: регенераторы; рекуператоры; смесительные аппараты.

Отдельно стоит выделить теплообменники с внутренним источником энергии, в которых применяются не два, как обычно, а один теплоноситель, отводит теплоту, которая выделяется в самом аппарате. Примером могут служить ядерные реакторы, электронагреватели те другие устройства.

В регенеративных аппаратах горячий теплоноситель отдает свою теплоту устройства, аккумулирующего ее, а затем, в свою очередь, отдает теплоту холодному теплоносителю, т.е. одна и тоже и сама поверхность омывается то горячим, то холодным теплоносителем. Большинство регенеративных теплообменников работает по принципу периодического действия. Теплообменники, в которых периодически меняются подача и отвод теплоносителей, называются теплообменниками периодического действия. Различные теплоносители поступают в них в разные периоды времени.

В регенераторных теплообменниках в качестве промежуточного теплоносителя используют твердый достаточно прочный материал - листы металла, кирпича, различные засыпки. Регенеративные теплообменники используются для высокотемпературного (выше 1000 С) подогрева газов, потому что жаростойкость металлов ограничена, а насадка из огнеупорных кирпичей может работать при очень высоких температурах.

Регенераторы могут работать и непрерывно. В этом случае насадка или стенка, вращающейся попеременно сталкивается с потоками различных теплоносителей и непрерывно переносит тепло из одного потока в другой.

Регенеративные теплообменники применяются на металлургических, коксовых и других заводах, где по характеру технологического процесса необходимо подогретый воздух и в то же время есть большое количество отходящих газов с высокой температурой. Особенно широко во всех областях техники используются рекуперативные аппараты, в которых теплота от горячего к холодному теплоносителя передается через разделяющую стенку (например - трубчатый теплообменник).

В большинстве рекуперативных теплообменников тепло передается непрерывно, поэтому такие теплообменники называются теплообменниками непрерывного действия. Примерами рекуператоров могут служить паровые котлы, конденсаторы поверхностного типа, отопительные приборы. В промышленности рекуператоры широко используются для подогрева генераторного газа и воздуха теплоносителями, выходящих из печей. Очень широко рекуператоры используются для подогрева воды.

В смесительных аппаратах передача теплоты происходит при непосредственном смешивании теплоносителей, например в конденсаторах смешивают. Такие теплообменники иногда называют контактными. Наиболее важным фактором в рабочем процессе теплообменного аппарата, смешивает, является поверхность соприкосновения теплоносителей. Для увеличения поверхности теплообмена на пути движения теплоносителей размещают насадку, а в случае твердой фазы - ее измельчают.

Смесительные теплообменники наиболее простые и компактные. В них смешиваются теплоносители, не требующих дальнейшего распределения, например, при подогреве воды паром или горячей водой. Для поддержания заданных температур в системе горячего водоснабжения (от 60оС до 75оС) и в радиаторах отопления (до 95оС) смешивают воду, идущую от котельной или ТЭЦ и имеет температуру до 150оС, с водой (от 20 до 70оС), что возвращается от потребителя тепла. Смесительный процесс теплопередачи осуществляется, например, в градирнях, где горячая вода охлаждается окружающим воздухом.

Выбор того или иного типа теплообменника в каждом конкретном случае должен быть обоснованным технико-экономическими расчетами, поскольку каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

3. Общее определение теплообменных аппаратов

Существует разнообразие теплообменных аппаратов, которые классифицируются по функциональному и конструктивному признаку, а также по способу передачи тепла. Теплообменники широко используются в химической промышленности, где они применяются в следующих процессах:

· нагревания и охлаждения веществ в различных агрегатных состояниях;

· испарения жидкостей и конденсации паров;

· перегонки и сублимации;

· абсорбции и адсорбции;

· расплавления твердых тел и кристаллизации;

· отвода и подвода тепла при проведении определенных реакций.

Эффективность теплообменного аппарата

Эффективность теплообменного аппарата, определяется количеством энергии Q, которое он передает за установленное время. Данный показатель, в свою очередь, зависит от таких параметров как: коэффициент проницаемости тепла k, площадь теплообменной поверхности A и средняя разность температур Дt_m.

Q=k·A·Дt_m (1)

Коэффициент проницаемости тепла k напрямую зависит от конструкции теплообменника, типа материала из которого изготовлен аппарат, а также специфики протекания веществ в теплообменнике.

k=[(1/б₁)+(s/л)+(1/б₂)]^-1

Накипь, корка соли, а также другие типы отложений на трубах отрицательно влияют на эффективность работы теплообменника. По этой причине, необходимо регулярно удалять отложения и предотвращать их образование.

Разность температур теплоносителей

Разность температур теплоносителей (t₁-t₂) является движущейся силой процесса теплообмена. Как правило, уровень температуры потоков веществ (или хотя бы одного из потоков) меняется по мере протекания по поверхности теплообмена, вследствие чего изменяется и разность температур от сечения к сечению Дt=t₁-t₂.

Таким образом, уравнение теплопередачи должно быть написано применительно к общему случаю в дифференциальной форме для элемента поверхности

dF/dQ=k·Дt·dF, (2)

откуда при K=const

Q=k·?₀^F(Дt·) dF=K·Д_ср·F (3)

где Д_ср - средняя разность температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена

Задача технологического расчета теплообменника заключается:

в определении необходимой поверхности теплообмена F при заданных водяных эквивалентах (W₁и W₂) и температурах обоих теплоносителей (t'₁, t»₁, t'₂, t»₂);

либо в нахождении возможного теплового потока Q в аппарате с поверхностью F при заданных значениях остальных величин.

В обоих случаях необходимо знать величину средней разности температур.

Виды промышленных теплоносителей

Промышленные теплоносители можно разделить на следующие основные виды:

· водяной пар;

· топочные газы;

· высококипящие промышленные теплоносители (органические, ионные, жидкометаллические);

· неорганические.

Водяной пар широко применяется на предприятиях химической отрасли. Данный теплоноситель обладает высоким удельным теплосодержанием (скрытая теплота испарения при нормальном уровне давления составляет 2256,8 кДж/кг) и высоким коэффициентом теплоотдачи, при конденсации. Нагревание водяным паром становится экономически невыгодным для получения температур выше 200°C. При высоких уровнях температур, аналогичными недостатками обладает вода, при этом еще уступая водяному пару по значению коэффициента теплоотдачи.

При использовании топочного газа, можно достигать высоких температур, посредством сжигания газообразных, жидких и твердых топлив. К недостаткам данного вида теплоносителя относится низкий уровень теплоотдачи. Как следствие, необходимы большие поверхности нагрева, что не позволяет тонко регулировать падение температуры.

Для работы с температурами более 200°C используются высококипящие органические и неорганические теплоносители. Группа органических теплоносителей включает в себя циклические, ациклические и смешанные соединения с температурами кипения до 380-420°C, ароматизированные, цилиндровые и компрессорные минеральные масла. По показателю коэффициента теплоотдачи, пары органических теплоносителей уступают водяному пару и сопоставимы с жидкими теплоносителями при условии скорости циркуляции около 3-4 м/с.

Органические теплоносители горючи и взрывоопасны, но не агрессивны к обычным конструкционным материалам (кроме хлорпроизводных соединений). Наиболее используемым органическим теплоносителем в промышленности является эвтектическая смесь дифенила и дифенилового эфира (40% установок).

Ионные теплоносители используют в жидком и парообразном состоянии. Теплоносители данного вида имеют высокие температуры плавления и кипения, поэтому их применение в промышленности ограниченно. По структурному признаку, ионные теплоносители разделяют на две группы:

· соли и их эвтектические сплавы;

· кремнийорганические соли.

В данное время наиболее широкое применение в промышленности получили ароматические эфиры и ортокремниевые кислоты.

В группу жидкометаллических теплоносителей входят металлы и их сплавы, которые используются в жидком и парообразном состоянии (редко). В связи с тем, что данные теплоносители наиболее термостойкие, они характеризуются повышенной агрессивностью к материалам конструкций, поэтому максимум температур жидкометаллических теплоносителей ограничивается их коррозийным действием.

Такие теплоносители токсичны в парообразном состоянии, взрывоопасны в смеси с воздухом, а также интенсивно окисляются при рабочих температурах.

Выбор теплоносителя зависит от следующих факторов:

· требуемой рабочей температуры;

· плотности;

· вязкости;

· удельной теплоемкости;

· коэффициента теплопроводности.

Схемы движения теплоносителей

Схемы движения теплоносителей

На практике существует четыре схемы движения теплоносителей:

· прямоток - параллельное движение в одном направлении;

· противоток - параллельное движение на встречу;

· перекрестный ток - движение в перпендикулярном направлении;

· смешанные токи - один или более теплоносителей делают несколько ходов в аппарате, омывая, при этом, часть поверхности по схеме прямотока, а другую часть - согласно схеме противотока или перекрестного тока.



Схемы движения теплоносителей

4. Конвективные металлические рекуператоры

Конвективные металлические рекуператоры. Металл рекуператоров

работает в условиях высоких температур при динамическом и окисляющем действии дымовых газов. Стойкость металлов определяет работоспособность рекуператора. Для изготовления рекуператоров применяют обыкновенные углеродистые стали, а также легированные стали и чугуны. Углеродистые стали могут работать при температуре стенки 450-500°С и обеспечивают подогрев воздуха до 250-300°С, а серые чугуны - при температуре стенки 500-550°С. И в том, и в другом случае температура дымовых газов на входе в рекуператоре не должна превышать 700-750°С. Для увеличения стойкости рекуператоров и повышения температуры подогрева воздуха применяют чугуны и стали, легированные в основном хромом, кремнием и алюминием. Применение легированных чугунов и сталей для изготовления металлических рекуператоров позволяет повысить температуру подогрева воздуха, но вместе с тем приводит к резкому увеличению стоимости рекуператоров. Часто для уменьшения стоимости из жаропрочного металла делают только ту часть рекуператора, которая работает при наиболее высоких температурах; остальные части выполняют из углеродистого металла.

Применяют конвективные, радиационные и комбинированные конвективно-радиационные металлические рекуператоры. Конвективные металлические рекуператоры могут быть игольчатые и трубчатые. Последнее время наибольшее распространение получили трубчатые сварные рекуператоры, так как игольчатые не обеспечивают должной герметичности.

Игольчатые рекуператоры изготовляют из чугуна типа силал. Основная часть игольчатых рекуператоров (игольчатая труба). Иглы могут быть расположены как на внутренней, так и на наружной стороне. Иглы позволяют увеличить действительную поверхность нагрева и турбулизировать поток газов, что приводит к увеличению коэффициента теплопередачи до 93-116, ЗВт/(м2-К) при пересчете на гладкую поверхность. Обычно внутри труб пропускают воздух, а снаружи - дымовые газы. Иглы, находящиеся на дымовой стороне рекуператоров, быстро засоряются, поэтому используют игольчатые рекуператоры с иглами только на воздушной стороне. По виду оребрения наружной поверхности трубы рекуператора выпускают двух типов 17,5 и 28, что соответствует расстоянию между иглами в миллиметрах. На внутренней, воздушной стороне расстояние между иглами всегда одинаково и равно 14 мм. Все трубы, как с наружными иглами, так и без них, выпускают длиной 880, 1135, 1640 мм. Весь игольчатый рекуператор собран из отдельных труб с фланцами, соединяемых при помощи болтов. Крайнюю трубу прикрепляют к специальной раме, а затем к каркасу. Таким образом, между фланцами труб игольчатых рекуператоров есть большое число стыков, вследствие чего газоплотность всего рекуператора невысокая. Если рекуператор состоит из крупных секций (по 80-100 труб в каждой), то утечка воздуха может достигать 20-30%, что необходимо учитывать при расчете рекуператора. Игольчатые рекуператоры, так же как и керамические, не¬

пригодны для нагрева газообразного топлива. Секция игольчатого рекуператора, через которую воздух проходит, не меняя направления движения, называется ходом. Число ходов рекуператора зависит от температуры подогрева воздуха. Чаще всего применяют двухходовые рекуператоры, которые обеспечивают подогрев воздуха до 300-400°С при температуре дымовых газов 800°С. Скорость движения воздуха обычно не превышает 10 м/с, а дымовых газов 3-14 м/с. Теплопередача в игольчатых рекуператорах осуществляется в условиях перекрестного тока и зависит в основном от скорости движения

5. Конструкция рекуператоров

Опыт применения рекуператоров из гладкостенных чугунных труб показал весьма низкую их тепловую эффективность, и в настоящее время применяют иногда ребристые трубы, а в основном так называемые «игольчатые» чугунные трубы, названные так потому, что поверхности их теплообмена (стенки) отливают негладкими, а с ребрами в виде игл круглой или вытянутой - овальной в сечении формы, что существенно увеличивает теплоотдачу. Таким образом, основным элементом игольчатого рекуператора является чугунная игольчатая труба овальной в сечении формы с наружными и внутренними (или только внутренними) иглами рис 1.

Рисунок 1 - Игольчатая чугунная рекуператорная труба длиной 790 и 880 мм

Обычно воздух проходит внутри трубы, а дымовые газы омывают трубу снаружи. Труба с обоих концов снабжена фланцами коробчатой формы, в которых сделаны отверстия для болтов к канавки (пазы) для помещения специальной уплотнительной рекуператорной замазки при соединении фланцев одного с другим и с крепежными рейками (рис. 2). Боковые поверхности фланцев механически обработаны. Чтобы можно было в широких пределах изменять тепловую мощность, а следовательно, и размеры рекуператоров, игольчатые трубы выпускают разной длины, но одного поперечного сечения. Размеры игольчатых труб типизированы и почти во всех странах, где их производят, они одинаковы, что очень удобно при взаимном обмене между странами печным оборудованием. У нас в Союзе в настоящее время серийно выпускают трубы длиной 880, 1135 и 1640 мм. По конструкции все чугунные игольчатые трубы делят на две основные группы: односторонне - игольчатые и двусторонне-игольчатые. У односторонне-игольчатых труб иглы находятся только на внутренней (воздушной) стороне; наружная (дымовая) сторона их гладкая.

Рисунок 2. Узел соединения игольчатой трубы и воздушного патрубка с крепежной рейкой: 1 - игольчатая труба; 2 - крепежная рейка; 3 - асбестова-прокладка; 4 - воздушный патрубок; 5 - специальная замазка; 6 - крепежная рама

Ввиду отсутствия игл на дымовой стороне теплоустойчивость односторонне-игольчатых труб выше, а засоряемость меньше, чем у двусторонне-игольчатых. Эти трубы широко применяют в рекуператорах для печей, отапливаемых топливом разных видов. Тепловая эффективность двусторонне-игольчатых труб значительно выше, чем односторонне-игольчатых, но они менее теплоустойчивы и легче поддаются засорению. Эти трубы можно применять для рекуператоров, устанавливаемых на печах, дымовые газы которых относительно чисты, т.е. на печах, отапливаемых чистым газом и не имеющих уноса из печи окалины, пыли и т.д. Температурная граница применения двусторонне-игольчатых рекуператоров при одинаковом составе металла труб ниже, чем односторонне-игольчатых, так как при одной и той же температуре подогрева воздуха и одной и той же температуре дымовых газов максимальная температура металла иглы у двусторонне-игольчатой трубы будет существенно выше, чем температура металла стенки односторонне-игольчатой трубы. Двусторонне-игольчатые трубы выпускаются так называемых типов 17,5 и 28 с иглами на дымовой стороне овального сечения высотой 40 мм и расстоянием между осями игл соответственно 17,5 или 28 мм. У игольчатых рекуператорных труб всех типов совершенно одинакова конструкция внутренней (воздушной) игольчатой поверхности, снабженной иглами высотой 20 мм с расстоянием между осями игл 14 мм. Фланцы рекуператорных игольчатых труб всех длин и типов совершенно одинаковы по конструкции и имеют форму коробки с размерами 170x230 мм. В ряде случаев односторонне-игольчатые трубы (с гладкой наружной дымовой поверхностью) выпускают с фланцами размером 115x 230 мм. Уменьшенный фланец труб без наружных игл принят с целью уменьшения сечения дымового канала, иначе это сечение при отсутствии игл было бы чрезмерно большим. Игольчатые трубы без наружных игл с нормальными фланцами применяют в том случае, когда в одной секции рекуператора одновременно устанавливают двусторонне-игольчатые и односторонне - игольчатые трубы, причем из последних делают первые ряды труб со стороны входа дымовых газов, имеющих наиболее высокую температуру. Если весь рекуператор выполняют из односторонне - игольчатых труб, то применяют трубы только с уменьшенными фланцами, так как при одинаковой поверхности нагрева такие трубы имеют меньшие объем или массу. Основные данные характеристики игольчатых рекуператорных труб приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристика игольчатых рекуператорных труб

Сборка игольчатого рекуператора из отдельных труб заключается в соединении болтами фланцев труб одного с другим. По периферии секции (блока) рекуператорные трубы присоединяют к крепежным (уплотнительным) рейкам, образующим раму. Вся крепежная реечная рама состоит из продольных и угловых реек, которые соединены болтами одна с другой и с трубами. Рейки представляют собой литые чугунные балки коробчатого сечения с отверстиями для крепления к ним игольчатых труб и воздушных коробок. Длина реек равна одной, двум и трем длинам соответствующих сторон фланца трубы рекуператора. Таким образом, из реек шести типов и углового реечного элемента одного типа можно собрать рамы для рекуператоров разного размера с различной комбинацией труб. К раме из реек присоединяют подводящие и отводящие воздушные коробки.



Рисунок 3 - Одноходовой игольчатый рекуператор

Собранную секцию рекуператора, через которую воздух проходит один раз, не меняя направления, называют «ходом». Выбор числа «ходов» игольчатого рекуператора зависит в основном от располагаемого давления дутья и от конечной температуры нагрева воздуха. Наиболее часто применяют двухходовую установку рекуператора, обеспечивающую подогрев воздуха до 300-400° С при температуре дымовых газов, входящих в рекуператор, примерно750-800°



Рисунок 4 - Двухходовой игольчатый рекуператор

Рисунок 5 - Камерная нагревательная кузнечная печь с подземным дымоходом и установкой игольчатого рекуператора п дымоходе над уровнем пола

Цеха подогреть воздух до заданной температуры или (при наличии избыточного давления воздуха) необходимо сократить габариты рекуператора, на рис. 3 показана конструкция одноходового игольчатого рекуператора, а на рис. 4 - наиболее часто применяемая конструкция двухходового игольчатого рекуператора с горизонтальным расположением труб. В каждой секции (ходе) рекуператора 12 игольчатых труб. Дымовые газы движутся в рекуператоре в вертикальном направлении. Соединение двух секций (ходов) в изображенном рекуператоре выполнено при помощи так называемой «промежуточной» рейки, помещенной между крепежными (обвязочными) рейками соседних секций рекуператора и прикрепленной к ним болтами. Показана установка двухходового рекуператора на методической печи. Наиболее эффективно устанавливать игольчатые рекуператоры так, чтобы дымовые газы проходили через трубы в вертикальном направлении, а сами рекуператоры были легко доступны для осмотра и очистки. При установке рекуператоров над печами это сравнительно легко осуществить. При отводе же дымовых газов из печи в подземный боров игольчатый рекуператор лучше устанавливать так, как показано на рис. 5. На рис. 6 показана установка двухходового рекуператора на методической печи (приложения).

6. Газоплотность игольчатых рекуператоров

Игольчатые чугунные рекуператоры, обладая по сравнению с рекуператорами других типов рядом преимуществ (высокая тепловая эффективность, компактность, удовлетворительная тепло-устойчивость и т.д.), имеют существенный недостаток - большое число стыков между фланцами труб. При недостаточно хорошем монтаже и плохом уплотнении это приводит иногда к. значительному снижению эффективности работы рекуператоров вследствие утечки части воздуха в продукты сгорания. Согласно статистике измерений утечки воздуха в игольчатых рекуператорах, можно считать, что если в небольших (4-15 труб) рекуператорах утечка (при асбестовом уплотнении) в среднем составляет 3-5% от количества проходящего воздуха, то в больших рекуператорах (80-100 труб в одном блоке) она достигает 20-30%, т.е. газо-плотность металлического рекуператора начинает приближаться к газо-плотности керамического. Указанные цифры относятся к перепаду давления между воздушной и дымовой сторонами рекуператора до 7-8 кН/м2 (700-800 мм вод. ст.) и температуре стыков фланцев до 500-600° С. Следует отметить, что в основном на степень газо-плотности игольчатого рекуператора влияют качество монтажа и состав уплотнительной массы (замазки), помещаемой между фланцами. В качестве уплотнительной массы, закладываемой в пазы между фланцами труб рекуператоров, применяли раньше и частично применяют в настоящее время асбестовый шнур, пропитанный молоком из пылеобразного шамота, замешанном на растворе буры, или просто листовой асбест. Однако производственные и лабораторные испытания показали, что асбестовое уплотнение неполноценно и обусловливает большую газопроницаемость, так как асбест, если он не смочен жидким стеклом, при температуре выше 450-500° С начинает разрушаться. На основе лабораторных опытов [29] рекомендуют следующие составы уплотнительных замазок (для температуры до 700° С):

1 Смесь (2: 1 по массе) мелких железных опилок или железного порошка с графитом, замешанную на жидком стекле (плотность 1,40-1,45); полученную массу перемешивают с минеральной ватой, количество которой (по массе) равно количеству железных опилок и графита.

2. То же, что и первый состав, но смесь графита с железными

опилками заменяют порошком, образующимся при обработке металла карборундовыми кругами (карборундовая пыль). Эти замазки подвергали не только обстоятельным лабораторным испытаниям, но и многократно проверяли в условиях производственной эксплуатация рекуператоров. Следует отметить, что с целью обеспечения свободного температурного расширения игольчатых или ребристых чугунных труб рекуператора и решения проблемы его газоплотности была предложена чугунная труба нового типа, на обоих концах которой предусмотрены стальные фигурные коробки - манжеты, залитые в фланцы чугунных труб [30]. Манжеты сделаны из листовой стали толщиной 2,5-3,5 мм. По данным литературных источников, соединение стали с чугуном фланцев получается весьма прочным.

Фланцы труб не сболчиваются, а, наоборот, имеют шлифованные плоскости соприкосновения, чтобы трубы могли скользить одна относительно другой. В случае необходимости замены какой-либо трубы блока рекуператора сварные края стальных манжет срезают и трубы вынимают. Таким образом, наличие сварных соединений труб обеспечивает хорошую газоплотность рекуператора, а фигурная форма манжет обусловливает достаточную компенсационную способность их и дает возможность сдвига при температурном расширении одной трубы относительно другой до 10 мм. В ФРГ находится в в эксплуатации несколько рекуператоров с такими трубами.

Тепловая характеристика

Определены зависимость критерия Нуссельта от числа Рейнольдса, а также зависимость коэффициента теплоотдачи от скорости газовых сред (w, м/с), выраженные следующими эмпирическими формулами:

Nu = A Ч Reⁿ (4)

б = 1,163 Вщⁿ Вт/(м^{2. 0}С)

или

б = B Ч щⁿ ккал/(м²ч^{. 0}С) (5)

Значения А, В и п в этих формулах приведены в таблице 2

Зависимость коэффициента теплоотдачи от скорости газов по результатам исследований приведена в логарифмической анаморфозе на рисунке 7 и 8.



Таблица 2 - Значения А, В и п для игольчатых труб

Рисунок 7 - Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности игольчатых рекуператорных труб: 1 - условная поверхность; 2 - действительная поверхность

Для упрощения и ускорения технических расчетов игольчатых рекуператоров построены графики, в которых общий коэффициент теплопередачи k представлен как функция приведенных скоростей дымовых газов и воздуха в рекуператоре.



Данные графиков действительны для чистой поверхности игольчатых труб.

Надо отметить, что исследование теплоотдачи проводили при максимальной температуре дымовых газов входящих рекуператор равной 800-900°С, й средней температуре их в рекуператоре 600-650° С. Коэффициент теплоотдачи излучением при этих температурах составлял не более 7-8% коэффициента теплоотдачи конвекцией.

Аэродинамическая характеристика

Исследовали игольчатые трубы всех трех типов, отлитые по металлическим моделям. Установлены величины аэродинамического сопротивления игольчатых рекуператорных труб, как для внутренней (воздушной), так и для наружной (дымовой) поверхностей. Для технических расчетов рекомендуют следующую эмпирическую формулу, по которой определяют аэродинамическое сопротивление внутренней поверхности игольчатых труб

h_B = A щ²₀T/273 H/м² (или мм вод. ст.), (6)

где

h_B - аэродинамическое сопротивление игольчатой трубы по пути движения воздуха (внутри), H/м², или мм вод. ст;

щ²₀ - приведенная скорость воздуха в трубе, м/с;

T - средняя температура воздуха в трубе, ⁰К;

А - коэффициент, зависящий от длины трубы.

Ниже приводятся значения этого коэффициента:

Длина трубы, мм……………. 880 1135 1385 1640

Коэффициент А при h_B, H/м², (мм вод. ст) 2,06 2,40 2,75 3,10

При расчетах рекуператоров величину аэродинамического сопротивления, полученную по формуле (6), следует увеличить на 25-30%, учитывая неточность отливки и возможное отклонение размеров игл от проектных, а также повышение шероховатости игл от коррозии при транспортировке труб от завода-изготовителя до места сборки. Для определения аэродинамического сопротивления внешней (дымовой) поверхности игольчатых труб всех трех типов рекомендуют следующую эмпирическую формулу:

h_д = б (n+m) Tщ²₀ * 10^-4 H/м² (мм вод. ст.), (7)

где h_д - аэродинамическое сопротивление наружной (дымовой) поверхности игольчатых труб, H/м² (мм вод. ст.);

n - число рядов труб в направлении движения дымовых газов;

m - число секции (ходов) рекуператора в направлении движения дымовых газов;

б - коэффициент, зависящий от типа труб:

Коэффициент б при h_д H/м² (мм вод. ст.)

Трубы типа 17,5 6,0 (0,61)

Трубы типа 28 5,4 (0,55)

Трубы с гладкой наружной 1,6 (0,16)

поверхностью

Установлено, что поток газа внутри игольчатой трубы выравнивается на длине 900 -1000 мм, после чего на остальном участке устанавливается постоянный профиль скоростей, при котором коэффициент сопротивления единицы длины трубы получается меньше, чем начального участка. Поэтому, если при конструировании рекуператоров представляется возможность выбирать длину игольчатых труб, то рекомендуют применять более длинные трубы.



7. Расчет игольчатых рекуператоров

Задание: рассчитать игольчатый рекуператор, состоящий из односторонне-игольчатых труб длиной 880 им из серого чугуна (с уменьшенными фланцами), при следующих показателях:

Объем нагреваемого воздуха при входе в рекуператор, м³/ч - 1340

Объем дымовых газов при входе в рекуператор, м³/ч - 1100

Температура ⁰С:

Подогрева воздуха у печи - 300

Начальная воздуха - 20

Дымовых газов при входе в рекуператор - 900

Учитывая, что игольчатые трубы сделаны из серого чугуна, принимаем температуру дымовых газов, входящих в рекуператор, t_д = 750° С. Для начальной температуры дымовых газов 900° С и разбавляющего воздуха 20°С определяем фактор разбавления ц по формуле:

= 0,21 (8)

Расчетный объем дымовых газов

V_д = V'_д (1 + ц) = 1100 (1+0,21) = 1330 м³/ч, (9)

Объем разбавляющего воздуха

1330-1100 = 230 м³/ч,

Для окончательного расчета:

V_B = 1340 м³/ч, или м³/ч;

V_Д = 1330 м³/ч, или м³/ч;

Принимаем падение температуры в воздухопроводе от рекуператора до печи

(11)

Подогрев воздуха в рекуператоре должен быть

= t _задан + = 300 + 20 = 320° (12)

Средняя объемная теплоемкость воздуха (см. табл. 3 приложений)

С_В = 1,32 кДж/(м³*) (13)

Энтальпия воздуха

(14)

(15)

Принимаем потери тепла рекуператором в окружающее пространство равными 10%. Тогда количества тепла, которое должны отдать дымовые газы в рекуператоре:

(16)

Часовая энтальпия дымовых газов, входящих в рекуператор, при объемной теплоемкости их (см. табл. 3 приложений)

(17)

(18)

(19)

Часовая энтальпия дымовых газов, уходящих из рекуператора:

(20)



Выбираем объемную теплоемкость уходящих из рекуператора дымовых газов (принимая предварительно ):

(21)

Температура дымовых газов, уходящих из рекуператора:

(22)

Принимаем в рекуператоре схему перекрестного противотока:

(23)

(24)

Средняя логарифмическая разность температур (см. рис. 11 приложений):

(25)

(26)

(27)

По номограме (рис. 12, б см. приложений) определяем поправочный коэффициент для перекрестного противотока.

По формулам:

(28)

(29)



Отсюда

(30)

Значение коэффициента близко к 1,0 и им можно пренебречь.

Задаемся условной (предварительно принимается) скоростью дымовых газов в рекуператоре и условной скоростью воздуха .

Согласно таблице 1 сечение для прохождения дымовых газов, приходящееся на одну односторонне - игольчатую трубу длиной 880 мм, равно 0,042 м² и для прохождения воздуха 0,008 м².

Общее сечение каналов для прохождения воздуха

(31)

Общее сечение для прохождения дымовых газов

(32)

Ориентировочно должно быть труб по пути воздуха

(33)

По пути дымовых газов

(34)

Согласно выбранным скоростям дымовых газов и воздуха в рекуператоре, по графику (рис. 10) находим коэффициент теплопередачи:

), или 33,5 ккал/).

Поправочный коэффициент на засорение поверхности нагрева (чистый газ) принимаем равным 1,0

Поверхность нагрева рекуператора



(35)

Поверхность нагрева одной трубы (условная) 0,25 м². Должно быть труб в рекуператоре

(36)

Так как по пути воздуха должно быть 8 труб, а по пути дымовых газов (поперек дымохода) 3 трубы, то очевидно, что один «ход» рекуператора должен иметь или 6 или 9 труб, т.е. 32 или 33.

Выбираем 9 труб в одном «ходе», так как это число ближе к 8 (числу труб по пути воздуха по принятым скоростям). Число «ходов» рекуператора должно быть

(37)

Таким образом, рекуператор принимаем окончательно четырехходовым из 36 труб - по 9 труб в каждом ходе.

Действительное общее сечение для прохождения воздуха

(38)

Действительная скорость воздуха

(39)

Действительное сечение для прохождения дымовых газов

(40)

Действительная скорость дымовых газов

(41)

При этих значениях действительных скоростей дымовых газов и воздуха, коэффициенты теплопередачи по (рис. 10) ), или 32,0 ккал/). Отсюда поверхность нагрева рекуператора

(42)

Поверхность нагрева рекуператора принятой конструкции

360,25 = 9 м² (43)

Т.е. соответствует необходимой по расчету.

Определение максимальной температуры стенки рекуператора

Согласно уточненным скоростям дымовых газов и воздуха, коэффициенты теплоотдачи составляют от стенки трубы к воздуху (см. рис. 7) б_в= 260 Вт/м²°С [225 ккал/ м²ч°С], а от дымовых газов к стенке трубы (см. рис. 13 приложений) б_д= 42 Вт/м²°С [36 ккал/ м²ч°С].

Отношение

(44)

По графику (см. рис. 13 приложений) получаем

(45)

Отсюда максимальная температура стенки

(46)

Что вполне допустимо для серого чугуна.

Потери давления в рекуператоре на пути движения воздуха

Выше была определена средняя температура воздуха в рекуператоре

По формуле (6)

h_B = 4A щ²₀T/273 H/м², (47)

где коэффициент 4 обозначает число труб, по которым последовательно проходит поток воздуха. Для трубы длиной 880 мм А=2,06.

При

(48)

Сумму потерь, давления в подводящем, отводящем в трех переходных патрубках принимаем равной потери давления в трубах рекуператора (2 патрубка и 3 поворота на 180).

Общая потеря давления в рекуператоре на воздушном пути составят

(49)

Учитывая потери воздуха, а также рекомендации, приведенные выше, увеличиваем полученное сопротивление на 25%:

(50)

Потери давления на пути движения дымовых газов

Выше была определена средняя температура дымовых газов в рекуператоре, которая составила 610.

Потеря давления по формуле (7)

= б (n+m) T 10^-4 H/м^2, (51)

(52)

Число труб (по направлению движения дымовых газов) n=12; число ходов m=4.

, (53)

или

(54)

Принимаем запас 25% и окончательно получаем

(55)

8. Преимущества и недостатки металлических рекуператоров

В зависимости от материала, из которого сделаны элементы рекуператоров, последние делят нa металлические и керамические. Металлические рекуператоры изготовляют из серого чугуна, углеродистой стали, а также из жаропрочных чугунов и сталей, хорошо противостоящих действию высоких температур. Преимущества металлических рекуператоров заключаются в следующем: Металлические рекуператоры значительно компактнее керамических, коэффициент теплопередачи в металлических рекуператорах в 6-8 раз выше, чем в керамических, т.е. при прочих равных условиях поверхность нагрева керамического рекуператора в 6-8 раз больше металлического. С учетом большой толщины стенок элементов керамического рекуператора практически получают, что объем керамического рекуператора при одинаковом количестве переданного тепла примерно в 10-12 раз больше металлического. Отсутствие необходимости обязательного устройства боровов, так как металлические рекуператоры хорошо размещают на печах или около печей над уровнем пола цеха, а иногда и в печах. Большая герметичность, особенно рекуператоров, в которых отдельные элементы соединены сваркой. Это дает возможность применять в металлических рекуператорах подогреваемый воздух (или газ) под большим давлением, а следовательно, подавать газовоздушную смесь в печи с более высокой скоростью, что обеспечивает возможность большей кратности циркуляции продуктов сгорания в рабочем пространстве печей и, как следствие, большую равномерность температур в нем; подогревать (в стальных рекуператорах) газ, что невозможно осуществить в керамических рекуператорах. Возможность использовать тепло уходящих из печей газов со сравнительно низкими температурами (примерно 500-600° С), что значительно расширяет область их применения по сравнению с керамическими рекуператорами и регенераторами. К недостаткам металлических рекуператоров относится небольшая их стойкость при высоких температурах, что обусловливает значительно меньший срок службы металлических рекуператоров по сравнению с керамическими и более низкий температурный предел подогрева воздуха. В рекуператорах из нелегированного металла воздух и газ подогревают до 300-350° С.

Заключение

В данной курсовой работе была изучена теплообменные аппараты и расчеты рекуператора. Рассмотрены основные способы определения тепловой и аэродинамической характеристики. Были произведены расчеты одностороннего игольчатого рекуператора длиной 880 мм из серого чугуна (с уменьшенными фланцами), где определили: условную поверхность нагрева F=0,25м², суммарное сечение для прохода воздуха f_в=0,0621 м², суммарное сечение для прохода дымовых газов f_д=0,123 м². Все расчеты одностороннего игольчатого рекуператора приведены в пункте (7) - «Расчеты игольчатых рекуператоров».

Были рассмотрены основные преимущества и недостатки металлических рекуператоров. Рассмотрены основные способы определения тепловой и аэродинамической характеристики.



Список используемой литературы

1. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей. Под редакцией Кривандина В.А. и Мастрюкова Б.С. Изд-во «Металлургия» Москва. 1986 г.

2. Расчет нагревательных и термических печей. Справочник. Под редакцией Тымчака В.М. и Гусовского В.Л. Изд-во «Металлургия» Москва. 1985 г.

3. Теплотехнические расчеты металлургических печей. Под ред. Телеги-на А. Издательство «Металлургия» Москва. 1975 г.

4. Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования. Автор Е.И. Казанцев. Изд-во «Металлургия» Москва, 1964 г.

5. Рекуператоры для промышленных печей Тебеньков Б.П. Издание 4-е исправленное и дополненное Москва «Металлургия».1975 г.

6. Металлургические печи: Атлас Учеб. пособие Миткалиный В.И., Кривандин В.А, Морозов В.А. и др. 3 - издание М: Металлургия 1987 г.

7. Теплообменные аппараты и конденсационные устройства турбоустановок. Берман С.С. д.т.н. Профессор Брянского института транспортного машиностроения. Издательство машиностроительной литературы Москва 1989 г.

8. Оборудование термических цехов и лабораторий испытания метал-лов. Долотов Г.П., Кондаков Е.А. Машиностроение, 1985 г.

9. Вишняков Д.Я., Растовцев Г. Н «Оборудование, механизация и автоматизация в термических цехах» Металлургия, 1995 г.

Размещено на Allbest.ru