Рекуперативные теплообменники

Любой рекуператор представляет собой теплообменный аппарат, работающий в условиях стационарного теплового состояния, когда тепло постоянно передается от остывающих дымовых газов к нагревающемуся воздуху (газу) через раз­делительную стенку.

Полное количество тепла, переданного в рекуператоре в единицу времени, определяют по уравнению

где К — суммарный коэффициент теплопередачи от дыма к воздуху (газу), характеризующий общий уровень теплопе­редачи в рекуператоре, Вт/(м·К); DТ_ср — средняя (по всей поверхности нагрева) разность температур между дымовы­ми газами и воздухом (газом), К; F — поверхность нагрева, через которую происходит передача тепла от дымовых га­зов к воздуху (газу), м².

Теплопередача в рекуператорах включает в себя три ос­новные ступени передачи тепла: а) от дымовых газов к стенкам рекуперативных элементов; б) через разделитель­ную стенку; в) от стенки к нагреваемому воздуху или газу.

На дымовой стороне рекуператора тепло от дымовых га­зов к стенке передается не только конвекцией, но и излуче­нием. Следовательно, локальный коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне равен

где — коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке конвекцией, Вт/(м²·К); —коэффициент тепло­отдачи от дымовых газов к стенке путем излучения, Вт/(м·К).

Передача тепла через разделительную стенку зависит от теплового сопротивления стенки R = S/l и состояния ее по­верхности.

На воздушной стороне рекуператора при нагреве воздуха тепло от стенки к воздуху передается только конвекцией, при нагреве газа конвекцией и излучением. Таким образом, при нагреве воздуха теплоотдача определяется локальным коэффициентом теплоотдачи конвекцией a_в = ; если нагревается газ, то коэффициент теплоотдачи a_г = .

Все отмеченные локальные коэффициенты теплоотдачи объединены в суммарном коэффициенте теплопередачи

В трубчатых рекуператорах суммарный коэффициент теплопередачи следует определять для цилиндрической стенки (линейный коэффициент теплопередачи)

Коэффициент К называется коэффициентом теплопере­дачи трубы. Если же необходимо отнести количество тепла к площади внутренней или наружной поверхности трубы, то суммарные коэффициенты теплопередачи можно определить следующим образом:

где a₁ — коэффициент теплопередачи на внутренней сторо­не трубы, Вт/(м²·К); a₂ — то же, на наружной стороне трубы, Вт/(м²·К); r₁и r₂ — соответственно радиусы внут­ренней и наружной поверхностей трубы, м.

В металлических рекуператорах можно пренебречь ве­личиной теплового сопротивления стенки S/l, и тогда сум­марный коэффициент теплопередачи можно записать в сле­дующем виде:

Все локальные коэффициенты теплоотдачи, необходимые для определения величины К, можно получить на основании законов теплоотдачи конвекцией и излучением, рассмотрен­ных выше.

Поскольку между воздушной и дымовой сторонами ре­куператора всегда есть перепад давлений, наличие неплотно­стей в рекуперативной насадке приводит к утечке воздуха, достигающей иногда 40—50 %. Прососы резко снижают эффективность рекуперативных установок; чем больше про­сосанного воздуха, тем меньше доля тепла, полезно исполь­зованного в керамическом рекуператоре (см. ниже):

Утечка воздуха влияет на величину локальных коэффи­циентов теплоотдачи, причем воздух, попавший в дымовые газы, не только снижает их температуру, но и уменьшает процентное содержание СО₂ и Н₂О, вследствие чего ухуд­шается излучательная способность газов.

Как при абсолютно газоплотном рекуператоре, так и при утечке локальные коэффициенты теплоотдачи меняются по поверхности нагрева, поэтому при расчете рекуператоров определяют отдельно величины локальных коэффициентов теплоотдачи для верха и низа и затем уже по усредненному значению находят суммарный коэффициент теплопередачи.

Температурное поле рекуператора

В рекуператорах движение газообразной среды может быть противоточное, перекрестное и прямоточное. График, характеризующий изменение температуры по поверхности нагрева при противоточной и прямоточной схемах движения, приведен на рис. 80. Следует отметить, что принято схему движения рассматривать по ходу дыма.

Из приведенного графика видно, что при противоточном движении конечная температура воздуха (температура подогрева воздуха) может быть конечной температуры ды­мовых газов , чего никогда не может быть при прямоточ­ной схеме движения. Вместе с тем при противотоке темпе­ратура стенки рекуператора может быть значительно выше, чем при прямотоке. Поэтому более эффективную противоточную схему используют в керамических рекуператорах и в металлических рекуператорах при относительно невысоких температурах отходящих дымовых газов. Прямоточную схе­му применяют для металлических рекуператоров в том слу­чае, если температура дымовых газов настолько велика, что возникает опасность в отношении стойкости материала ре­куператора.

Как при противотоке, так и при прямотоке температура дымовых газов и воздуха изменяется по поверхности нагре­ва, что обусловливает изменение разности температур ды­мовых газов и воздуха. Поэтому характерной является сред­няя разность температур по всей поверхности нагрева DТ_ср.

Для расчета рекуператоров необходимо знать конечные температуры газообразных сред, определить которые мож­но из анализа изменения температуры сред по поверхности нагрева. Анализ температурного поля рекуператора предпо­лагает совместное рассмотрение уравнений теплообмена и теплового баланса. Для противоточного рекуператора (см. рис. 80) при постоянном (среднем) для всей поверхности нагрева суммарном коэффициенте теплопередачи К, коли­чество тепла, передаваемое в единицу времени на малому участке поверхности dF_x будет равно

где Т_ди Т_в— температуры дымовых газов и воздуха после прохождения части поверхности.

Это же количество тепла будут терять дымовые газы и приобретать воздух. Считая по ходу более нагретой среды, получим

Здесь W_д=c_дG_ди W_в=c_вG_в — произведения количества среды на ее теплоемкость.

Выполнив соответствующие преобразования из этих уравнений можно получить, что

Конечная температура дымовых газов при этом бу­дет равна

Конечную температуру воздуха можно определить из равенства

которое после подстановки значения для превратится в уравнение с одним неизвестным . Изменение температу­ры газов в рекуператоре может носить как криволинейный, так и прямолинейный характер. Судить об этом можно по величине отношения DТ_н/DТ_к.

Если отношение DТ_н/DТ_к >0,5,то практически происхо­дит прямолинейное изменение температуры газов по по­верхности нагрева, и среднюю разность температур для всей поверхности нагрева можно определять как средне­арифметическое между DТ_н и DТ_к. При криволинейном изменении температур средняя разность определяется по выражению (82).

Величины DТ_н и DТ_к означают соответственно большую и меньшую по абсолютной величине разность температур между газами и воздухом на входе в рекуператор и на выходе из него, т. е. разности при противотоке и и при прямотоке и .

Таким образом, полученные выражения при известных начальной температуре дымовых газов (определяемой ус­ловиями работы печи) и начальной температуре воздуха (температуре атмосферы) позволяют найти температуру и разность температур в любой точке рекуператора, что не­обходимо, например, для определения температуры стенки рекуператора. Температура стенки Т_д.ст со стороны дымо­вых газов равна

В металлических рекуператорах вследствие большой теплопроводности материала температурным перепадом по толщине стенки можно пренебречь (Т_д.ст = Т_в.ст), в результате чего

Конструкции рекуператоров

Исходя из реальных возможностей конструкций к ре­куператорам предъявляют следующие требования:

а) обеспечение максимальной степени утилизации тепла дымовых газов;

б) достаточная стойкость против воздействия дымовых газов с высокой температурой;

в) максимальная компактность конструкции, т. е. высо­кая удельная поверхность нагрева на 1 м³ рекуперативной насадки;

г) наивысший суммарный коэффициент теплопередачи К, что также способствует достижению компактности ре­куператора;

д) наименьшее гидравлическое сопротивление рекупе­ратора;

е) достаточная герметичность.

Рекуператоры изготавливают из металла и керамичес­ких материалов.

Преимущества металлических рекуператоров по срав­нению с керамическими следующие:

а) более высокий коэффициент теплопередачи и боль­шая удельная поверхность нагрева (м²/м³); это обеспечивает лучшую компактность металлических рекуператоров и, следовательно, меньший объем при одинаковой общей поверхности нагрева;

б) отсутствие глубоких подземных боровов, можно раз­мещать рекуператоры над печами;

в) улучшенная герметичность.

Сварные металлические рекуператоры можно приме­нять для подогрева газа.

Недостатком металлических рекуператоров является их малая стойкость против воздействия высоких температур.

Керамические рекуператоры более громоздки, харак­теризуются меньшим коэффициентом теплопередачи и меньшей удельной поверхностью нагрева. Они мало герме­тичны и совершенно непригодны для подогрева газа. Раз­мещают керамические рекуператоры только под печами, они занимают много места и требуют значительных под­земных боровов. Однако керамические рекуператоры мо­гут устойчиво работать при температуре дымовых газов 1200—1350 °С, в них обеспечивается подогрев воздуха до 800—850 °С, что позволяет применять их на высокотемпе­ратурных печах.

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) представлена на рис. 81. 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— 116,3 Вт/(м²·К) при пересчете на гладкую поверхность. Обычно внутри труб пропускают воздух, а снаружи — ды­мовые газы.

Иглы, находящийся 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, не­пригодны 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 газообразных сред. Коэффи­циент теплоотдачи игольчатых поверхностей может быть найден по формуле .

Коэффициенты В и п зависят от конструкции рекупера­тивных труб (см. том 2 настоящего издания).

Аэродинамическое сопротивление (Па) внутренних по­верхностей игольчатых труб можно найти из выражения

где w₀ — скорость воздуха при 273 К; Т_ср — средняя тем­пература воздуха в трубе, К;А — коэффициент, зависящий от длины трубы (см. том 2 настоящего издания).

Трубчатые рекуператоры выполняют из цельнотянутых труб различного диаметра. Конструкции их многообразны.

Часто применяют рекуператоры с прямыми трубами такой конструкции, как показано на рис. 82, а. В этом рекупера­торе воздух проходит между трубами, а дымовые газы — внутри труб. На пути воздуха может быть несколько пово­ротов, тогда рекуператор работает как многоходовый теп­лообменник. Подобные рекуператоры обеспечивают подо­грев воздуха до 300—400 °С при температуре дымовых га­зов 800 °С и суммарном коэффициенте теплопередачи 17— 23 Вт/м²·К.

Следует отметить, что в процессе работы (особенно ра­зогрева) происходит термический рост рекуператора в тем большей степени, чем длиннее трубы. Поэтому такие реку­ператоры часто «подвешивают», т. е. закрепляют их только в верхней части.

Кроме рекуператоров из прямых труб, в боровах печей удобно размещать рекуператоры с петлеобразной формой труб (рис. 82, б). Этот рекуператор можно с успехом ис­пользовать на печах небольших размеров, в нем можно обеспечить подогрев воздуха до 400°С при температуре дымовых газов 800—850 °С и коэффициенте теплопередачи 23 Вт/(м²·К). Устройство висящих труб у рекуператора дает возможность обойтись без применения компенсаторов термического расширения.

Радиационные рекуператоры. В последние годы все шире применяют радиационные металлические рекуперато­ры, в которых благодаря значительной толщине слоя излу­чающих газов их тепловое излучение является определяю­щим видом теплоперехода на дымовой стороне рекупера­тора. В радиационных рекуператорах дымовые газы, нагретые до высокой температуры, проходят с малой ско­ростью в каналах большого сечения. Применение радиа­ционных рекуператоров целесообразно при температуре дымовых газов не ниже 800 °С, так как до этой температу­ры тепловое излучение относительно невелико. В радиаци­онных рекуператорах воздух движется со скоростью 20— 30 м/с и выше, что обеспечивает весьма высокие коэффи­циенты теплоотдачи на воздушной стороне и позволяет получать значительную тепловую нагрузку поверхности нагрева. Однако благодаря интенсивному теплообмену от стенки к воздуху высокая тепловая нагрузка не вызывает опасного перегрева материала рекуператора. Температура стенки рекуператора обычно превышает температуру воз­духа на 100—150°С. В радиационных рекуператорах часто применяют прямоточную схему движения теплоносителей, которая вместе с интенсивным отбором тепла на воздуш­ной стороне позволяет повысить температурный предел применения металлических радиационных рекуператоров до 1400—1500°С. Весьма важной положительной' особен­ностью радиационных рекуператоров является значитель­но меньшая, чем у других металлических рекуператоров, засоряемость поверхности нагрева, располагаемой обыч­но вертикально. Вместе с тем радиационные рекупе­раторы более громоздки и требуют более жаростойких ма­териалов.

В настоящее время чаще всего применяют щелевые и трубчатые радиационные рекуператоры. Щелевые рекупе­раторы (рис. 83, а) выполняют из двух концентрических цилиндров, сваренных из листов жаропрочной стали толщи­ной 4—8 мм. Диаметр дымового цилиндра зависит от раз­мера рекуператора и обычно изменяется в пределах от 0,7 до 1,5 м. Ширина кольцевого канала для прохода воз­духа равна 10—60 мм. На обоих концах рекуператора выполняются кольцевые короба для подвода и отвода воз­духа. Воздух должен подводиться максимально равномер­но, так как для нормальной эксплуатации щелевого ради­ационного рекуператора необходимо, чтобы вся его по­верхность равномерно охлаждалась воздухом. В противном случае рекуператор будет коробиться и выходить из строя. Для компенсации теплового расширения цилиндров пре­дусматривают специальные устройства. Снижение тепло­вых потерь достигается тепловой изоляцией наружного цилиндра. Важнейшим фактором, обеспечивающим эффективную работу радиационных рекуператоров, является раз­витый теплообмен на воздушной стороне, который тем ин­тенсивнее, чем выше скорость движения воздуха. Однако обеспечение высокой скорости движения воздуха требует соответствующего повышения его движения, что в свою очередь предъявляет дополнительные требования к строи­тельной прочности радиационных рекуператоров. Щелевые радиационные рекуператоры достаточно устойчиво рабо­тают при давлении воздуха до 4000—5000 Па, которого бы­вает недостаточно для обеспечения желаемой скорости движения воздуха. В случае необходимости повышения давления воздуха и, следовательно, строительной прочно­сти применяют трубчатые радиационные рекуператоры.

Трубчатые радиационные рекуператоры бывают раз­личных конструкций. Наибольшее распространение полу­чили так называемые корзиночные рекуператоры, один из которых представлен на рис. 83, б. Поверхность нагрева такого рекуператора состоит из множества стальных пря­мых трубок небольшого диаметра, расположенных по окру­жности и приваренных к кольцевым коллекторам.

Рекуператор состоит из двух трубчатых «корзин». Воз­дух входит сначала в нижний коллектор нижней корзины, поступает по трубкам вверх, в верхний коллектор нижней корзины, а оттуда по специальному внешнему трубопрово­ду подается в верхнюю корзину, в которой и довершается его нагрев. Таким образом, по отношению к направлению движения дымовых газов осуществляется противоточно-прямоточный метод движения воздуха. В таких рекупера­торах при температуре дымовых газов 1300 °С воздух мо­жет подогреваться до 800—850 °С при средней тепловой нагрузке на единицу поверхности нагрева около 13— 14 Вт/м².

Керамические рекуператоры. Работа керамического ре­куператора в значительной мере зависит от того, из какого материала выполнены его элементы. Работая при весьма высоких температурах, материал рекуператора должен об­ладать достаточной огнеупорностью, хорошей термостой­костью, высокой температурой начала деформации при на­грузке, высокой теплопроводностью, необходимыми меха­ническими свойствами, низким коэффициентом линейного расширения и быть достаточно стойким против воздейст­вия железистых шлаков.

Долгое время единственным материалом для изготов­ления керамических рекуператоров служил шамот. Одна­ко низкие газоплотность и теплопроводность шамота обус­ловливает малую тепловую эффективность и большие раз­меры рекуператоров. Стремление использовать материалы высокой огнеупорности и теплопроводности привело к применению в керамических рекуператорах карборундо­вых (SiC) и высокоглиноземистых Аl₂О₃ > 60% огнеупо­ров, а также карбошамотной смеси, содержащей 35—39 % карборунда. Изделия из нее характеризуются лучшими свойствами, чем шамотные, но по теплопроводности и ог­неупорности уступают карборундовым. В отечественной практике известны также случаи применения высокогли­ноземистых огнеупоров для изготовления керамических ре­куператоров, которые свидетельствуют о целесообразности применения подобных материалов. Более широкое распро­странение высокоглиноземистых материалов ограничено их высокой стоимостью.

Эффективность работы керамических рекуператоров в основном зависит от величины суммарного коэффициента теплопередачи, герметичности и удельной поверхности на­грева (м²/м³ насадки рекуператора). Конструктивные фор­мы весьма сильно влияют не только на эти основные ха­рактеристики, но и на работу рекуператора в целом. Кера­мические рекуператоры собирают из отдельных труб или блоков, поэтому в насадке большое количество швов.

Герметичность рекуператоров в значительной мере оп­ределяется положением шва (вертикального или горизон­тального) и длиной швов, приходящихся на 1 м³ насадки. Лучшая плотность достигается при горизонтальном распо­ложении швов, так как при этом происходит самоуплотне­ние шва под действием массы вышележащих частей реку­ператора. Кроме того, горизонтальные швы легче подда­ются уплотнению.

При нагреве рекуперативная насадка расширяется (растет), поэтому для компенсации этого роста верхняя часть насадки не должна быть жестко связана с окружа­ющими стенками. С этой целью предусмотрены специаль­ные затворы (часто песочные), позволяющие расширяться рекуперативной насадке, но перекрывающие зазор и пре­пятствующие утечке воздуха через этот зазор на дымовую сторону. Один из таких затворов, применяемый на карбошамотных рекуператорах, показан на рис. 84. В практике отечественных предприятий применяют шамотные рекупе­раторы и карбошамотные рекуператоры из восьмигранных трубок.

Шамотный рекуператор (рис. 84, а) собирают из фасон­ных кирпичей четырех марок. Основной его частью явля­ются установленные вертикально фасонные блоки, что дает горизонтальные швы. Воздух движется снизу вверх по че­тырем каналам внутри блока.

Дымовые газы направляются между блоками, совер­шая петлеобразное движение и омывая их с двух сторон. Удельная поверхность рекуператора из шамотных блоков составляет 6,35 м²/м³, масса 980 кг/м³ насадки. Рекупера­тор такого типа обеспечивает подогрев воздуха до 500—600°С при температуре дымовых газов 100—1100°С и ко­эффициенте теплопередачи, 4,65—5,8 Вт/(м²·К).

Отличительная особенность шамотного рекуператора состоит в том, что возникающие на пути воздуха сопротив­ления невелики и поэтому для движения воздуха может быть использован его геометрический напор. Печи, оборудованные рекуператорами подобного типа и инжекционными горелками, могут работать в отсутствие вентилято­ров. При этом достигается меньший перепад давлений между воздушными и дымовыми каналами, что приводит к увеличению общей герметичности рекуператора, не пре­вышающей 10 %.

Во время кладки рекуператора места соединения фа­сонных блоков и перегородок промазывают специальным раствором твердеющего на воздухе цемента, в состав ко­торого (по массе) входит 90 % шамотного порошка, 10 % боксита уральского, 15% (сверх 100%) растворимого стекла.

Карбошамотный трубчатый рекуператор (рис. 84, б) применяют для нагревательных колодцев, а также стекло­варенных и методических печей. Этот рекуператор собира­ют из восьмигранных трубок высотой 300—400 мм, кото­рые располагают в шахматном порядке и соединяют меж­ду собой шамотными восьмигранными муфтами 2. В верх­ней части рекуператора предусмотрен специальный песоч­ный затвор 4, 5 для создания большей газоплотности. Дымовые газы движутся внутри трубок сверху вниз, воздух омывает керамические трубки снаружи. Воздух движется перпендикулярно дымовым газам и поднимается снизу вверх, причем для протекания его из одного хода в другой в перегородках опускают необходимое число промежуточ­ных вставок 3.

Живое сечение рекуператора по воздушному тракту для трубок высотой 400 мм составляет 55%, а по дымово­му тракту 19 %. Скорость движения воздуха при нормаль­ных условиях равна 1—2 м/с, а дымовых газов 0,7—1 м/с. Рекуператор данной конструкции используют на печах, температура отходящих дымовых газов которых 1100—1400°С. Такая конструкция обеспечивает подогрев воздуха до 800—850 °С. При подобных условиях в рекуператоре достигается суммарный коэффициент теплопередачи 8,15— 10,4Вт/м²·К.

При общей массе элементов, приходящихся на 1 м³ на­садки, составляющей около 550 кг, удельная поверхность нагрева на 1 м³ насадки составляет, м²: по дымовым газам 9,5; по воздуху 7,5; средняя 8,5.

У рекуператора два основных недостатка — низкая гер­метичность и засорение (ошлакование) верхней части ре­куперативных трубок.

Низкая герметичность карбошамотных рекуператоров является его наибольшим недостатком; утечка иногда дос­тигает 40% всего воздуха, поданного в рекуператор. Осо­быми приемами сборки рекуператора, а также аккуратной эксплуатацией можно повысить герметичность, но совер­шенно устранить утечки воздуха почти невозможно.

Ошлакование происходит вследствие того, что дымовые газы несут частички сажи, окалины и коксика (на нагревательных колодцах), которые, осаждаясь на раскален­ной поверхности керамики, привариваются к ней и зачас­тую полностью забивают трубки.

Расчет рекуператоров

Обычно целью расчета является определение размеров рекупера­тора, необходимых для обеспечения подогрева требуемого количества воздуха (газа) до необходимой температуры. В отдельных случаях при­ходится решать обратную задачу. Расчет рекуператоров ведется обыч­но в следующем порядке.

1. Составление теплового баланса. Для газоплотных рекуператоров тепловой баланс составляют лишь с учетом 10 % потерь тепла в окру­жающую среду, т. е.

При составлении теплового баланса для негазоплотных рекуперато­ров необходимо учитывать утечку воздуха в дымовые каналы. Это осо­бенно важно при расчете керамических рекуператоров. Утечку воздуха целесообразно принимать в пределах от 15 % (для шамотных рекупе­раторов методических печей) до 30 % (для рекуператоров нагреватель­ных колодцев) первоначального количества воздуха, поданного в реку­ператор. При этом уравнение теплового баланса может быть представ­лено следующим образом:

Уравнения (84) и (85) должны быть решены относительно темпе­ратуры дымовых газов, уходящих из рекуператора.

Параллельно с расчетом теплового баланса уместно определить не­обходимое для последующего расчета количество тепла, передаваемого через поверхность нагрева рекуператора в единицу времени: для газоплотных конструкций

где V_д и V_в — объем дымовых газов и воздуха, м³/c; DV_в — количество воздуха, ушедшее в дымовые каналы, м³/с; с_д и с_в — теплоемкости дымовых газов и воздуха, при соответствующих температурах, Дж/(м³·К).

2. Определение средней разности температур. При определении средней разности температур необходимо учитывать взаимный харак­тер движения газообразных сред.

Как уже указывалось, что при среднюю разность температур теплоносителей можно определять как арифметическую.

3. Определение суммарного коэффициента теплопередачи К. Для определения величины К целесообразно задаваться скоростью движения дымовых газов и воздуха.

Для металлических рекуператоров скорость движения дымовых га­зов w₀ следует принимать равной 3—5 м/с, скорость воздуха 7—10 м/с. Для керамических рекуператоров из-за их низкой газоплотности скорость принимают меньшей. Так, для рекуператоров нагревательных колодцев целесообразно принимать скорость воздуха (при 0°С) 0,8—1,2, а скорость дымовых газов 0,5—0,8 м/с. При расчете рекуператоров методических печей w_ов = 0,7—1 и w_од = 1,2—2 м/с. Зная скорость дви­жения и температуры газообразных сред, применяя выражения, при­веденные выше, можно определить локальные коэффициенты теплоот­дачи на воздушной и дымовой сторонах.

4. Определение общей поверхности нагрева и размеров рекуперато­ра. Для определения поверхности нагрева пользуются выражением (78). Разделив общую поверхность нагрева рекуператора на удельную, харак­терную для каждой конструкции, легко получить объем рекуператора и перейти к определению его размеров.

После теплового расчета рекуператора определяют аэродинамиче­ское сопротивление по дымовому и воздушному трактам.

При расчете рекуператоров печей, работа которых характеризуется переменной во времени тепловой нагрузкой, после расчета на макси­мальный расход топлива необходимо провести, кроме того, поверочный расчет на наименьший расход топлива.