Регенеративные теплообменники

Регенератор, обычно применяемый в металлургических печах, представ­ляет собой камеру, заполненную кирпичной многорядной решеткой (на­садкой), выложенной из огнеупорных кирпичей. Сначала через регенера­тор пропускаю: дым, а затем в обратном направлении — воздух или газообразное топливо. В этот период регенеративная насадка отдает воздуху (газу) ранее, аккумулированное тепло. Существует оптималь­ное в теплотехническом отношении время между перекидкой клапанов, т. е. между следующими друг за другом изменениями поступления газо­образных сред. У воздухонагревателей доменных печей длительность воздушного t_в и дымового t_д периодов связана следующим образом:

где t_п — длительность перекидки клапанов; п — число воздухонагрева­телей на одну печь.

Для мартеновских и нагревательных печей t_д=t_в, причем и в том и другом случае продолжительность периодов составляет 5—15 мин и определяется особенностями работы регенеративной насадки в целом и каждого кирпича в отдельности. В начале дымового периода темпе­ратура насадки относительно мала и перепад температур между дымо­выми газами и кирпичами насадки значительный. Постепенно насадка нагревается, перепад температур уменьшается и наступает такой мо­мент, когда необходима перекидка клапанов. К этому времени насадка настолько нагревается, что температура ее может находиться на грани огнеупорности кирпича. Изменение температуры подогрева воздуха (га­за) вызвано постепенным охлаждением насадки в течение воздушного (газового) периода. Наиболее высокая температура подогрева воздуха наблюдается в начале воздушного периода, когда температура насад­ки максимальна.

Требования теплового режима печи к работе регенераторов обу­словлены тем, что понижение температуры подогрева воздуха или газа приводит к снижению температуры горения и неблагоприятно влияет на температуру в печи. Поэтому, когда необходимо поддержать темпера­туру в печи достаточно высокой, следует часто делать перекидку кла­панов.

Кирпич аккумулирует тепло дымовых газов и передает его нагрева­емому воздуху, выполняя тем самым роль посредника в теплообмене между дымом и воздухом. Изменение температуры кирпича в течение дымового и воздушного периодов показано на рис. 76, из которого вид­но, что в течение дымового периода температура поверхности кирпича интенсивно повышается, а температура центра сначала даже несколько понижается, а потом начинает расти. Это объясняется тем, что к кон­цу воздушного периода температура поверхности кирпича становится ниже температуры его центра. При этом наблюдается отток тепла от середины к поверхности кирпича. В начале дымового периода процесс передачи тепла от центра к поверхности также имеет место до тех пор, пока температура поверхности не превзойдет температуры его центра.

Количество тепла +Dq, которое кирпич аккумулирует в дымовой период, равно количеству тепла —Dq, которое кирпич отдает воздуху в воздушный период. Внутренние слои кирпича претерпевают значительно меньшие температурные колебания, чем наружные. Поэтому масса кирпича, с точки зрения его теплоаккумулирующей и теплоотдающей способности, работает неодинаково.

К насадке предъявляют следующие требования, определяющие ее экономичность и эксплуатационные качества:

а) высокий общий коэффициент теплопередачи;

б) минимальное аэродинамическое сопротивление;

в) максимальная удельная по­верхность нагрева;

г) минимальная опасность засо­рения;

д) необходимая строительная устойчивость.

Материал, из которого выполня­ют насадку, должен характеризовать­ся соответствующей огнеупорностью, термостойкостью и обладать опреде­ленным сопротивлением деформации под нагрузкой при повышенных температурах. В мартеновских печах крайне важное значение имеет спо­собность кирпича насадки выдержи­вать воздействие железистых шлаков.

Ячейкой регенеративной насадки называется сечение, свободное для прохода газов и заключенное между четырьмя кирпичами регенератора. Размер ячейки определяется видом и назначением насадки. Наибольшее распространение получили насадки, представленные на рис. 77. Их сравнительные характеристики приведе­ны в табл. 13.

Конструкции регенераторов

В настоящее время нагревательные печи с регенераторами не стро­ят. Однако существует еще достаточно большое количество нагреватель­ных колодцев и печей с выкатным подом, снабженных регенераторами. Регенераторы таких печей выполнены однооборотными, преимущественно с насадкой Сименса при размере ячейки 50´50 и 70´70 мм. В ре­генераторах нагревательных колодцев газ и воздух подогреваются до 800—1000 °С. Из динаса выполняют либо всю насадку, либо только верхние (более нагретые) ее ряды. Нижние ряды в этом случае делают из шамота.

Регенераторы мартеновских печей работают в условиях высоких температур и интенсивной шлаковой атаки. Температура дымовых газов на входе в регенератор составляет 1500—1600 °С, температура подогре­ва газа и воздуха 1100—1250 °С. Для улавливания плавильной пыли перед регенераторами предусмотрены как стационарные, так и выдвиж­ные шлаковики. В мартеновских печах объем газовых и воздушных (или только воздушных при отоплении мазутом или природным газом) насадок должен составлять 4,0—5,0 м³/м² площади пода печи. Для крупных мартеновских печей емкостью более 400—450 т устанавливают двухоборотные регенераторы (рис. 78, а), так как увеличение высоты насадки более 7 м сопряжено со значительными затратами, поскольку для мартеновских печей это связано с расположением регенераторов ниже уровня земли. В однооборогпых насадках (рис. 78, б) верхние 20 рядов обычно выполняют из форстерита, хорошо сопротивляющегося воздействию окислов железа, в нижние — из шамота. Первую по ходу дыма (горячую) камеру двухоборотных насадок изготовляют из фор­стерита, вторую — из шамота. В сднооборотных регенераторах обычно-применяют насадку Сименса с ячейками размерами 150´150 и 180´180 мм. В двухоборотных регенераторах горячую камеру выклады­вают по Кауперу с ячейками размерами 230´230¸270´270 мм. Вторую камеру выкладывают по Сименсу с ячейками 140´140¸190´190 мм. Применение двухоборотного регенератора позволяет повысить темпера­туру подогрева на 50—100 К. Расчет выполняют отдельно для той и другой камер.

Наиболее распространены доменные воздухонагреватели (аппараты Каупера) с внутренней боковой камерон горения, где сжигается доменный газ, продукты сгорания которого, проходя по насадке сверху вниз, нагревают ее. Воздух проходит в обратном направлении. Существуют и конструкции воздухонагревателей с выносной камерой горения, а так­же такие, в которых газ сжигается щелевыми горелками в купольном пространстве. Воздухонагреватели с внутренней камерой и удобнее в эксплуатации, чем воздухонагреватели со щелевыми горелками, у кото­рых горелки и клапаны размещены на большой высоте. Однако воздухо­нагревателям с внутренней камерой свойственны свои недостатки: пере­грев купола и отклонение в процессе эксплуатации камеры горения в сторону насадки.

В отечественной практике применяют воздухонагреватели как с од­ноярусной насадкой (размер ячейки 45´45 мм), так и с трех- и четы­рехъярусной насадкой (рис. 79). Температура дыма по мере его про­движения в насадке падает. Для поддержания теплоотдачи на долж­ном уровне целесообразно постепенно уменьшать живое сечение насадки. Поэтому в трехъярусных насадках ячейки наибольшего размера (110´110 мм) в верхнем ярусе; ячейки среднего яруса имеют размер 130´45, нижнего 45´45 мм.

В большинстве случаев в отечественной практике доменные возду­хонагреватели сооружены с применением в кладке купола, верха насад­ки, верха стен и камеры горения высокоглиноземистого кирпича, со­держащего 45—62 % глинозема. Такие воздухонагреватели обеспечива­ют подогрев воздуха до 1150—1200 °С.

Для поддержания необходимой температуры фурменных зон требу­ется обеспечить соответствующую генерацию тепла. При применении наряду с коксом природного газа или мазута необходимо использовать воздушное дутье с более высокой температурой нагрева или дутье, обогащенное кислородом. Это объясняется тем, что энтальпия продук­тов сгорания кокса выше энтальпии продуктов сгорания природного газа в 5 раз, а мазута в 1,6 раза. Для достижения повышенной тем­пературы воздушного дутья перспективной является конструкция воз­духонагревателей с четырехярусной насадкой (рис. 79) из специальных блоков типа изображенных на рис. 77. Верхний, наиболее высокотем­пературный ярус насадки выполняют из малоразрыхляющегося динаса, второй ярус сверху — из каолинового огнеупора (42% Аl₂O₃), осталь­ную часть насадки — из шамота.

Расчет регенераторов

Расчет регенераторов проводят на циклы их работы. Основной целью расчета является определение общей поверхности нагрева (м²) и общего объема (м³) регенератора

где F — общая поверхность нагрева регенератора, м²; À — суммарный коэффициент теплопередачи в регенераторе, Дж/(м²·К·период); DТ_ср — средняя разность температур, К; V— общий объем регенератора, м³; F — удельная поверхность нагрева регенератора, м²/м^s; Q — количества тепла, передаваемое от дыма к воздуху, Дж/период. Значение Q опре­деляют из уравнения теплового баланса насадки.

Суммарный коэффициент теплопередачи от дымовых газов к возду­ху (газу) может быть определен из выражения

где a_д и a_в — соответственно коэффициенты теплоотдачи от продуктов сгорания к поверхности кирпича регенеративной насадки и от поверхно­сти кирпича к воздуху (газу), Вт/(м²·К); t_д и t_в — длительность ды­мового и воздушного (газового) периодов, с; y — коэффициент, учиты­вающий внутреннее тепловое сопротивление насадки при реальных цик­лических условиях ее работы; S_э — эффективная полутолщина кирпича, м; l— коэффициент теплопроводности материала кирпича, Вт/(м·К); r — объемная плотность кирпича насадки, кг/м; с — удельная теплоем­кость кирпича насадки, Дж/(кг·К); x— коэффициент, зависящий от ин­тенсивности изменения температуры насадки средней по массе в дымо­вой и воздушной периоды.

Коэффициент y зависит от коэффициента аккумуляции тепла в кирпиче насадки h_к

Эффективная полутолщина кирпича S_э может быть найдена из выражения S_э = v/f, в котором v — удельный объем насадки, м³/м³; f — удельная поверхность нагрева насадки, м²/м³.

В теплотехническом отношении целесообразно, чтобы вся толщина кирпича принимала участие в процессе аккумуляции тепла. Для дости­жения этого необходимо, чтобы h_к > ¹/₃. При h_к > ¹/₃ для всех насадок, кроме брусковой, рекомендуется принимать y = ¹/₃, для брусковой y = ¹/₄.

Специальные исследования позволили установить, что для регенера­торов мартеновских и нагревательных печей коэффициент x может быть принят равным 10, для воздухонагревателей доменных печей x £ 5.