18.3. Расчет металлических рекуператоров

Металлические рекуператоры применяют для нагрева воздуха и газа. Температура подогрева среды в них ограничена, исходя из условий службы металла, из которого изготовлен рекуператор.

Рис. 18.7. Зависимость коэффициента теплопередачи в керамическом рекуператоре от скорости воздуха: 1— рекуператор из блоков; 2 — рекуператор с вертикальными трубками

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КЕРАМИЧЕСКОГО

ТАБЛИЦА 18.4 РЕКУПЕРАТОРА С ВЕРТИКАЛЬНЫМИ ТРУБАМИ

Основные виды применяемых металлических рекуператоров следующие: петлевые трубчатые, радиационные щелевые и на мелких печах чугунные из литых односторонне игольчатых труб.
При расчете коэффициента теплопередачи металлических рекуператоров в большинстве случаев можно использовать формулу для плоской стенки и пренебречь термическим сопротивлением стенки. При этом формула (18.11) принимает вид

K_F= α₁·α₂(α₁+α₂) (18.11a)

Значения коэффициентов теплопередачи должны быть приведены к одной поверхности (например, наружной).
Пересчет коэффициента теплоотдачи, Вт/(м²·К), с внутренней поверхности к наружной производится по формуле

α_1H = α₁d₁/d_n+1 (18.19)

Величину коэффициента теплопередачи, Вт/(м²·К), для металлических рекуператоров из литых игольчатых труб определяют по формуле

 

k = k₁k₂k₃, (18.20)

полученной на основании экспериментов. Коэффициент k₁, зависящий от средних температур воздуха t̅_в и продуктов сгорания t̅_д , определяют по формуле

k₁= 1 + 0,000236 (t̅_в + t̅_д) (18.21)

а значения коэффициентов k₂ и k₂— по графикам рис. 18.8 в зависимости от скоростей воздуха и продуктов сгорания в рекуператоре, приведенных к 0°С и 101,3 кПа.
В металлических рекуператорах принимают следующие значения скоростей сред, приведенных к 0 °С и 101,3 кПа, м/с:

Продуктов сгорания воздуха:
- в трубчатых рекуператорах и рекуператорах  из  игольчатых  труб 4—10;
- в радиационных рекуператорах 15—30.
Газа в трубчатых рекуператорах:
- при низком давлении газа   3—5;
- при высоком давлении газа (в случае установки инжекционных горелок) 5—20.

Расчет металлических рекуператоров про­изводят, используя графики на рис. 18.1. Учитывая, что в рекуператорах из литых игольчатых труб возможны утечки воздуха (n≈0,1), при расчете этих рекуператоров применяют такую же методику, как и при расчете керамических рекуператоров.
При определении размеров рекуператора или температуры подогрева воздуха обычно не учитывают передачу тепла излучением от предрекуператорного   пространства,  так как передаваемое излучением количество тепла воспринимает весьма малая часть поверхности нагрева (первый ряд трубчатых или 1—1,5 калибра длины радиационных  рекуператоров). Температуру стенки, °С, конвективных ре­куператоров рассчитывают по формуле

t_ст = t_в + φ(t_д - t_в) (18.22)
Значение коэффициента φ определяют по рис. 18.9 в зависимости от отношения коэффициентов теплоотдачи на стороне воздуха (газа) и продуктов сгорания. Для рекуператоров из литых игольчатых труб значение коэффициента φ можно определить принимая вместо отношения коэффициентов теплоотдачи отношение скоростей воздуха и продуктов сгорания.
При расчете радиационных рекуператоров температуру стенок определяют подбором, задаваясь значением температуры стенки и вычисляя тепловые потоки к этой стенке с дымовой и воздушной сторон. При правильно выбранной температуре значения тепловых потоков равны между собой.

Рисунок 18.8. Коффициенты k2 и k3

Рисунок 18.9. Коффициент φ

Коэффициент h_1: а — для воздуха; б — для продуктов сгорания

Рис. 18.11. Цилиндрический вертикальный радиацион­ный рекуператор:
1 - наружный   цилиндр;   2 -внутренний цилиндр; 3 - наружная изоляция

При расчете металлического радиационного рекуператора используют следующие формулы для определения:
внутреннего диаметра цилиндра для про­хода продуктов сгорания, м:
d₁=√(4F_д/π);(18.23)
наружного диаметра внутреннего цилинд­ра, м:
 d₂= d₁+ 2δ₁; (18.24)
внутреннего диаметра наружного цилинд­ра, м:
 d₃= √((4F_в) ⁄ π+) d₂²; (18.25)
величины щели между внутренним и на­ружным цилиндром, по которой протекает воздух, м:
δ₁= (d₃ - d₂) / 2; (18.26)
наружного диаметра рекуператора, м:
d₄ = d₃ + 2δ₃ + 2, (18.27)
где F_в и F_д — сечения для прохода соответст­венно воздуха и дыма, м₂; δ₁ ,δ₃, и δ₄  — толщины стенки внутреннего цилиндра, стенки наружного цилиндра и изоляции, м.

При определении температуры стенки пер­вых рядов труб или начального участка ра­диационных рекуператоров следует учитывать излучение предрекуператорного пространства. Температура стенки первого ряда труб будет примерно на 100 °С выше температуры, полученной по формуле (18.22).
Материал рекуператора выбирают в зависимости от полученной температуры стенки, а для радиационных рекуператоров — в зависимости от напряжений в элементах конструкции.
Если температура стенки, полученная из расчета, выше, чем можно допустить для материала, из которого предполагают изготовлять рекуператор, то необходимо снизить температуру или скорость продуктов сгорания, предусмотрев разбавление их атмосферным воздухом или пропуская часть продуктов сгорания через байпас.
Первые ряды рекуператоров целесообраз­но выполнять из более жаростойкого материала или защищать их специальными защитными устройствами: решетками, отдельными легко сменяемыми секциями или предвключенными испарительными змеевиками. При подогреве воздуха иногда предусматривают сброс нагретого воздуха в атмосферу, что обеспечивает постоянство расхода воздуха через рекуператор и стабильную температуру стенок.

 

ТАБЛИЦА 18.5. РАСЧЕТ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ТРУБЧАТОГО ПЕТЛЕВОГО РЕКУПЕРАТОРА

ТАБЛИЦА 18.6 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ТРУБЧАТОГО ПЕТЛЕВОГО РЕКУПЕРАТОРА

ТАБЛИЦА 18.7. РАСЧЕТ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО РЕКУПЕРАТОРА ИЗ ЛИТЫХ ИГОЛЬЧАТЫХ ТРУБ

Расчет движения газов в рекуператоре производят согласно данным гл. 16 и приложения IV.
Потери давления воздуха при движении внутри литой игольчатой трубы каждого хода рекуператора, Па,
h = h₁(t'_в+t''_в)/200, (18.28)
где h₁ - коэффициент, определяемый по рис. 18.10, a, t'_в и  t''_в—температура воздуха в начале и конце хода, °С.
Потери давления продуктов сгорания при движении между литыми игольчатыми трубами, Па,
h = h₁ (n + 5m) (t'_д+t''_д)/20 000 (18.29)
где h₁ — коэффициент, определяемый по рис. 18.10,6; п и т— число труб и число секций рекуператора по направлению движения продуктов сгорания;  t'_д и  t''_д — температура продуктов сгорания в начале и конце рекуператора, ⁰C

При выборе рекуператоров нужно учитывать, что промышленность выпускает рекуператоры унифицированных размеров. Конструктивные размеры и характеристики унифицированных секций петлевых трубчатых рекуператоров и литых труб односторонне игольчатых рекуператоров даны в литературе.

ТАБЛИЦА 18.8 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО РЕКУПЕРАТОРА ИЗ ЛИТЫХ ИГОЛЬЧАТЫХ ТРУБ

Ниже приведены примеры расчета металлических рекуператоров.

Пример 1. Определить поверхность нагрева петлевого противоточного металлического рекуператора для подогрева 13 000 м3/ч воздуха от температуры t'_в=20⁰С до t''_в=450⁰С. В рекуператор поступает 25200 м³/ч продуктов сгорания доменного газа (Q_H^P=3,72 МДж/м³) при t'_д=1000⁰С и α=1,3. Коэффициент полезного действия рекуператора η —0,88. Результаты расчета сводим в табл. 18.5. Для изготовления труб рекуператора подбираем сталь Х17. Схема и гидравлический расчет петлевого металлического рекуператора приведены в табл. 18.6.

Пример 2. Определить размеры противоточного металлического рекуператора из литых игольчатых труб. В рекуператор поступают продукты сгорания мазута с (Q_H^P=39,65 МДж/м³), коэффициент расхода воздуха в продуктах сгоранияна входе в рекуператор α_вх=1,3. Утечка воздуха в рекуператоре n = 0,1. Коэффициент полезного действия рекуператора η=0,9. Результаты расчетов сведены в табл. 18.7. Схема рекуператора, количество и температуры сред даны в табл. 18.8. При полученных температурах успешно будутработать трубы из ЖЧС-5,5. Гидравлический расчет рекуператора приведен в табл. 18.8.

Пример 3. Определить поверхность нагрева радиационного противоточного рекуператора для подогрева 16200 м³/ч воздуха от начальной температуры гв=20⁰С до конечной температуры t'_в=500⁰С В рекуператор поступают 21000 м3/ч продуктов сгорания смеси доменного и коксового газов (Q_H^P=10,1 МДж/м³)) с коэффициентом расхода воздуха 1,2 при t'_д1000⁰С. Коэффициент полезного действия рекуператора η= 0,9. Результаты расчетов сведены в табл. 18.9. Схема рекуператора показана на рис. 18.1.1, а гидравлический расчет приведен в табл. 18.10.

ТАБЛИЦА 18.9. РАСЧЕТ РАДИАЦИОННОГО РЕКУПЕРАТОРА

ТАБЛИЦА 18.10. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО РАДИАЦИОННОГО РЕКУПЕРАТОРА