Файл: Волгина, Ю. М. Теплотехническое оборудование стекольных заводов учебник.pdf

45—60% количества тепла поступающих в них отходящих газов. Тепло отходящих газов, выходящих из рекупера­ торов и регенераторов, может быть также использовано для получения пара, подогрева воды и сушки мате­ риалов.

При достаточно высокой температуре (выше 400° С) отходящих газов у переводных клапанов или за рекупе­ раторами устанавливают котлы-утилизаторы или водоподогреватели.

§ 5. Рекуператоры

Рекуператоры представляют собой теплообменные устройства, в которых передача тепла от отходящих газов нагреваемым газам осуществляется непрерывно через разделительную стенку прямотоком, противотоком или перекрестным током.

При подогреве воздуха в рекуператорах направ­ ление пламени в печи ос­ тается постоянным. Ре­ жим теплопередачи в этих устройствах стацио­ нарный. При прямотоке температура подогрева воздуха не может быть выше температуры отхо­ дящих газов на выходе из рекуператора. При противотоке воздух мож­ но подогревать до более

высокой температуры, но в этом случае и максимальная температура стенки будет выше, являясь промежуточ­ ной между температурами отходящих газов и воздуха, и поэтому для изготовления нагревательных элементов рекуператоров необходимы более термостойкие материа­ лы. При движении газов в перекрестном токе отдельные элементы находятся в различных условиях и разность температур отходящих газов и нагреваемой среды в них не одинакова.

30

Схема работы рекуператора показана на рис. 3. От­ ходящие газы из стекловаренной печи 1 поступают в ре­ куператор по каналам 2, которые омываются нагревае­ мым воздухом. Нагретый воздух по каналу 3 поступает в печь для сжигания топлива, а охлажденные отходящие газы дымовым боровом 4 отводятся в дымовую трубу 5.

Рекуператоры бывают керамические и металличе­ ские. В керамических рекуператорах из-за их недостаточ­ ной плотности можно подогревать только воздух до тем­ пературы 800—1000° С. В металлических рекуператорах допускается подогрев как воздуха, так и газообразного топлива до 500—600° С.

Температура дымовых газов при их движении от ра­ бочей камеры стекловаренной печи до рекуператоров снижается для горшковых печей при расположении ре­ куператоров за пределами рабочей камеры на 80—100° С, а для ванных печей на 100—200° С. Температура отходя­ щих газов, входящих в рекуператор, для горшковых и ванных печей составляет 1350—1450° С. При установке керамических и металлических рекуператоров требуется применение искусственного дутья. В стекловаренных пе­ чах малых размеров, работающих на высококалорийном газе, применяют керамические рекуператоры, так как они допускают нагрев воздуха до более высоких темпе­ ратур, чем металлические.

Керамические рекуператоры (рис. 4) выкладывают из отдельных фасонных трубчатых элементов — однохо­ довых, двухходовых и реже четырехходовых. Внутри эле­ ментов движутся дымовые газы, а снаружи их омывает воздух, или наоборот. Трубчатые элементы, имеющие в сечении форму квадрата, шестиили восьмигранника, из­ готовляют из шамотных, карборундовых или высоко­ глиноземистых огнеупорных материалов. Допустимая температура подогрева воздуха зависит от максимально допустимой температуры стенки, которая составляет для шамота 1400° С, карборунда и высокоглиноземистого ог­ неупора 1500°С.

Керамические рекуператоры работают в противотоке, при этом температура стенки максимальна в месте выхо­ да воздуха (входа дымовых газов). Участки рекуперато­ ра, где температура дымовых газов выше 1300° С, выкла­ дывают из карборундовых или высокоглиноземистых ма­ териалов. В керамических рекуператорах очень трудно добиться требуемой плотности швов, так как элементы

31

рекуператора при нагревании расширяются и раздвига­ ют или поднимают соседние. При охлаждении же эле­ менты сжимаются, причем поднятые элементы опускают­ ся и принимают первоначальное положение, а раздвину­ тые не возвращаются в это положение, в результате чего образуются открытые швы. При повторном нагревании открытые швы не закрываются. Поэтому при сооружении

Отходящие

I ) газы Нагретый Воздух

Рис. 4. Схемы керами­

тальное

рекуператоров трубы в основном располагают верти­ кально. Стыки элементов керамических рекуператоров уплотняют специальными вкладышами или ребрами эле­ ментов. Для плотного примыкания элементов друг к дру­ гу торцовые грани элементов и вкладышей после обжига шлифуют, а швы промазывают шамотно-бокситовой за­ мазкой на растворимом стекле. Но и при тщательной кладке элементов рекуператора, а также шлифовке гра-

32

со

ю

о

Рис. 5. Схемы металличе­ ских рекуператоров

а — трубчаты й ; б — двухходовой

ней и .промазывании швов подсос воздуха к дымовым га­ зам составляет около 30% начального количества дымо­ вых газов. Недостатки керамических рекуператоров — громоздкость, малая прочность, отсутствие герметич­ ности.

Удельная площадь поверхности нагрева шамотных рекуператоров обычно равна 6—12 м2/м3, коэффициент теплопередачи 2,5—9,5 Вт/(м2-°С). Скорость дымовых

газов 0,3—1,5 м/с, воздуха 1—2 м/с. Керамические реку­ ператоры располагают у самой стекловаренной печи (под ней или сбоку).

Металлические рекуператоры (рис. 5) изготовляют из чугуна, стали и специальных сплавов. Максимально допустимая температура стенки в металлических рекупе­ раторах составляет в 0 С: для чугуна серого 450, для чу­ гуна хромистого 1000—1100, для углеродистой стали 450, для жароупорной стали до 1200. Соответственно тем­ пература подогрева воздуха в первом случае достигает 300, во втором —800—900, в третьем —300 и в четвер­ том —900° С.

Перед металлическими рекуператорами для преду­ преждения попадания шихтной пыли устанавливают

34

пылеуловители, а соединительные воздухопроводы изоли­ руют тепловой изоляцией. Необходимо измерять темпера­ туру отходящих газов у входа в рекуператор и периоди­ чески очищать его, продувая через него сжатый воздух, или механическим способом.

Металлические рекуператоры изготовляют в основ­ ном трубчатыми и реже пластинчатыми. Наибольшее распространение имеют игольчатые чугунные рекупера-

Дь/мобы е га зы

Рис. 7. Двухходовой чугунный игольчатый рекуператор

1 — чугунн ая труба ; 2 — огнеупорная к л ад к а

торы (см. рис. 5,6), так как применение игл на поверх­ ности труб увеличивает удельную площадь поверхности нагрева до 20—30 м2/м3. Кроме того, теплоотдача от га­ зов к иглам значительно выше, чем к гладкой поверх­ ности.

Основным элементом игольчатого чугунного рекупе­ ратора является труда овального сечения с фланцами с обоих торцов (рис. 6). Внутренняя и наружная поверх­ ности трубы или только внутренняя снабжены иглами, отлитыми вместе с телом трубы. Форма сечения игл мо­ жет быть круглая, овальная и обтекаемая. Игольчатые

рекуператоры (рис. 7) собирают в отдельные секции (хо­ ды), число которых не превышает трех ввиду чрез­ мерного увеличения сопротивления внутри труб. Воздух пропускается внутри труб, проходя последовательно че­ рез все секции, горячие дымовые газы омывают трубы снаружи (за один ход). Дымовые газы направляют попе­ рек труб, параллельное движение дымовых газов допу­ скается только для труб без наружных игл или с круг­ лыми иглами. В настоящее время изготовляют трубы только с обтекаемыми иглами и с различным числом игл на наружной (омываемой дымовыми газами) по­ верхности. Длина труб 880, 1135, 1385 и 1640 мм, а их наружная поверхность имеет иглы с шагом 17,5 и 28 мм, Игольчатые рекуператоры устанавливают или над пе­ чью (при отводе дымовых газов вверх), или в самостоя­ тельной обмуровке рядом с печью, или в дымовых ка­ налах.

Стальные рекуператоры (см. рис. 5, а) состоят из пуч­ ка одноходовых или многоходовых труб. Чаще всего их устанавливают в дымовых каналах за печью. Удельная площадь поверхности нагрева трубчатых рекуператоров 12—15 м2/м3. Металлические рекуператоры в виде термо­ блока (см. рис. 5, в) применяют довольно редко. В реку­ ператорах такого типа по стальным трубкам диаметром 12—19 мм движется воздух или низкокалорийный газ. Снаружи трубки омываются дымовыми газами. Рекупе­ ратор — термоблок— набирается из секций и может иметь большие размеры.

В последнее время увеличивается применение радиа­ ционных рекуператоров типа «труба в трубе» (см. рис. 5, г), которые используют при температуре дымо­ вых газов выше 700° С. По внутренней трубе с малой скоростью проходят дымовые газы, а по кольцевому межтрубному пространству с большой скоростью дви­ жется воздух. Внутренняя труба отдает тепло конвекцией воздуху и лучеиспусканием внешней трубе, от которой воздух также воспринимает тепло. Возможно обтекание дымовыми газами и внешней трубы снаружи. В радиа­ ционных рекуператорах такого типа можно иногда при­ менять одновременно и прямо- и противоток: прямоток на входе дымовых газов, имеющих высокую температу­ ру, и противоток — в интервале более низких темпе­ ратур.

Находят применение также змеевиковые и панельные

36

Т а б л и ц а 6. Техническая характеристика металлических рекуператоров

Для труб без наружных игл скорость дымовых газов равна 2—5 м/с.

радиационные рекуператоры, в которых воздух движет­ ся по элементам из труб, образующих змеевики или па­ нели, которые помещают в дымовых каналах.

Техническая характеристика металлических рекупе­ раторов приведена в табл. 6.

§ 6. Основы теплотехнического расчета рекуператоров

Теплотехнический расчет заключается в определении площади поверхности нагрева и температуры от­ ходящих газов на выходе по заданным температурам и количествам воздуха (на 'входе и выходе) и дымовых газов (на входе). Если размеры рекуператора и пара­ метры дымовых газов заданы, то определяют темпера­ туры подогрева воздуха и отходящих газов на выходе.

Площадь поверхности нагрева рекуператора F в м2 определяют по формуле

где Ф — тепловой поток от дымовых газов к воздуху в Бт; k — коэф­ фициент теплопередачи через стенку от дымовых газов к воздуху в Вт/(м2-°С); Д^ср — средняя разность температур нагревающих и нагреваемых газов в °С.

Тепловой поток от дымовых газов воздуху определя­ ется из уравнения баланса тепла:

воздуха, входящего в рекуператор, и выходящего из него нагретого

щий потери тепла рекуператором в окружающую среду (0,85—0,9).

Из уравнения (2) определяют величины t\ (или Щ

и Ф; заданными (заранее известными) величинами яв­ ляются объемные расходы, объемные теплоемкости и на­ чальные температуры дымовых газов и воздуха, а также конечная температура дымовых газов или воздуха.

Коэффициент теплопередачи k в Вт/(м2-°С) через стенку рекуператора определяют по формуле

38