ТЕМА 5.3. Утилізація теплоти і продуктів горіння

1. Призначення теплообмінних апаратів

Для нормальної роботи печей з мінімальною витратою палива необхідно установити втрати тепла. Найбільшими втратами є втрати тепла з газами, що відходять, яки складають 30-65% усього тепла, внесеного з паливом у піч. Одним з ефективних способів використання тепла газів, що ідуть, є установка на їхньому шляху теплообмінних пристроїв для підігріву повітря чи газу, який спалюється. Такий спосіб дозволяє повернути в піч частину тепла, наприклад, у мартенівських печах повертається більш 30% тепла.

Застосування підігрітого повітря (палива) дає:

- підвищення температури печі, що збільшує продуктивність;

- можливість використання низькокалорійного палива;

- зниження питомої витрати палива (при підігріві повітря до 300-350°С економія палива до 35% у нагрівальних печах);

- збільшення ефективності спалювання палива.

Теплоту газів, що відходять, використовують для попереднього підігріву металу в шахтних, багатокамерних і методичних пічах.с.128Долотов.

Повітря і гази, що надходять до нагрівальних печей, підігрівають у регенераторах і рекуператорах.

Регенератори дорогі і складні у виготовленні і керуванні, займають у цеху велику площу, працюють по черзі, періодично при нестаціонарному тепловому режимі, тому застосовуються рідко і тільки у великих печах - мартенівських, методичних і т.д.

Рекуператори працюють безупинно при стаціонарному тепловому режимі: димові гази і повітря, що нагрівається, проходять через труби одночасно.

2. Класифікація рекуператорів:

1) по взаємному напрямку потоків диму і повітря:

- із зустрічним рухом (протиток);

- с рухом повітря і диму в одному напрямку (прямоток);

- с перехресним рухом повітря і диму;

- с комбінацією різних рухів.

Дослідження показали, що тип рекуператорів із зустрічним струмом дає більш високу температуру нагрівання повітря, рекуператори перехресний і комбінований токи займають середнє місце. У відношенні тривалості служби краще себе показали рекуператори з рухом повітря і газу в одному напрямку.

2) по конструктивних особливостях:

- трубчасті (гладкі, ребристі, голчасті);

- термоблочні;

- пластинчасті; виготовляють з металу

- фігурні (з чи цеглин керамічних секцій).

3) по методу передачі тепла від диму до стінок:

радіаційні і конвективні

3. Характеристика рекуператорів

Рекуператори - це теплообмінники з безупинним рухом димових газів, повітря чи пального газу, відділених друг від друга перегородкою, через яку передається теплота, при стаціонарному тепловому режимі.

Вимоги, рекуператори повинні забезпечити:

1) тривалий термін служби залежить:

- від газощільності, температури продуктів горіння, від властивостей матеріалу, з якого виготовлений рекуператор;

- термін служби зменшується від тимчасових відключень повітря і газу;

- стійкість рекуператора знижується, якщо паливо догоряє усередині нього в результаті підсмоктування повітря;

2) підігрів повітря до високих температур;

3) компактність; 4) газощільність; 5) теплопровідність;

6) простота конструкції й обслуговування.

Цим вимогам відповідають металеві рекуператори.

ПЕРЕВАГИ:

1) мають велику рівномірність нагрівання виробу;

2) мають меншу вагу й обсяг;

3) мають меншу вартість виготовлення і монтажу;

4) мають велику можливість регулювання і контролю роботи.

Ефективність роботи металевих рекуператорів підвищується при застосуванні надійної теплової ізоляції повітропроводу гарячого повітря на шляху від рекуператорів до пальників, що заощаджує 50-100ºС.

Робота рекуператорів проводиться в 3 схеми:

Прямотоком Протитоком Перехресним струмом.

На малюнку показана зміна температури повітря, продуктів горіння і поділяючої їх стінки по довжині рекуператора.

При прямотоку повітря ніколи не може бути нагрітим вище кінцевої температури продуктів горіння. При протитоку повітря може бути нагрітий вище кінцевої температури продуктів горіння.

При протитоку можна одержати більш високий ККД рекуператора. Стінка рекуператора знаходиться в найбільш важких умовах при протитоку й у найбільш сприятливих при прямотоку. У залежності від умов роботи рекуператора і наявних матеріалів для виготовлення рекуператора вибирають ту чи іншу схему.

4. Види і конструкція рекуператорів

Трубчасті рекуператори бувають двох - і чотириходові, виготовляють із гладких сталевих труб діаметром 15-100 мм при товщині стінок 3-5 мм, застосовуються для підігріву повітря і газоподібного палива до невисоких температур 250-280ºС при температурі димових газів не більш 750ºС.

4.1. Рекуператор чотириходовий із гладких сталевих труб з перехресним протитоком газів і повітря, що подається під кутом 90º (Мал.5.8) .

Конструкція: 1 - корпус, 2 - плити,

3 - труба з перегородками, 4 - теплоізоляційне покриття.

Робота: По трубі подається холодне повітря, що рухається горизонтально, огинає перегородки. Стіни труби омиваються гарячими газами, що рухаються в корпусі вертикально знизу нагору і віддають тепло стінам конвекцією.

Переваги: 1 - простота очищення гладких труб,

2 - простота конструкції,

3 - високий коефіцієнт тепловіддачі.

Трубчасті чотириходові рекуператори встановлюють у вертикальному димоході з горизонтальним розташуванням труб.

Швидкість повітря в трубах повинна бути в 3 рази більше швидкості руху димових газів у запобіганні перегріву труб і складає 6-8 м/с. Термін служби - 3-4 роки. Коефіцієнт теплопередачі - 15-25 Вт/м²ºС.

4.2. Голчасті рекуператори збирають зі спеціальних голчастих труб із зовнішніми і внутрішніми голками, що відливаються з хромистого чавуна. Наявність голок на трубах дає значне збільшення фактичної поверхні нагрівання і сприяє завихренню потоку газу. Це веде до збільшення коефіцієнта теплопередачі в порівнянні з гладкою поверхнею труби. Нагрівання повітря до 400ºС, коефіцієнт теплопередачі - 80-100 Вт/м²ºС, термін служби - 3-5 років з температурою димових газів 600-800°С.

Недоліки:

1)забруднення поверхні між голками;

2)низька газощільність, тому що багато стиків,

3)складність заміни, тому що необхідний демонтаж.

4.3. Термоблоки являють собою пучок сталевих труб, залитих чавуном. Працюють при температурі димових газів 1200-1300ºС, повітря 300-400ºС, володіють великою газощільністю, коефіцієнт теплопередачі - 20-25 Вт/м²ºС, термін служби до 10 років.

Недоліки: велика маса, громіздкість,

вимагають великі витрати металу.

Для зниження маси застосовують комбіновані рекуператори, у яких першу секцію зварюють з термоблоків, а наступні з голчастих чи газових труб 2

4.4. Радіаційні щілинні рекуператори (Мал. 5.9) застосовують при великій товщині газового шару і високих температур димових газів, де основна теплопередача здійснюється випромінюванням. Димові гази рухаються з малою швидкістю при температурі більш 1000°С по трубі великого діаметра 1-1,5 м. Повітря, що нагрівається, проходить з великою швидкістю 20м/с по вузькій кільцевій щілині. Такі рекуператори вбудовуються в димохід, не звужуючи його перетину, не створюючи додаткових опорів на шляху димових газів. При температурі димових газів 1370°С можна підігріти повітря до 760ºС. На малюнку показаний щілинний радіаційний рекуператор однобічного нагрівання, установлений на вертикальному димоході. Рекуператор працює за схемою прямотоку і складається з двох циліндрів: зовнішнього і внутрішнього, виготовлених з листової сталі. Рекуператори такого типу застосовують при температурі продуктів горіння 1000-1500ºС для підігріву повітря до 600-700ºС. Конструкція:

1 - колектор нижній,

2 - циліндр внутрішній,

3 - циліндр зовнішній,

4 - колектор верхній,

5 - кільцева щілина.

Робота: У нижній колектор надходить холодне повітря в кільцевий простір між внутрішнім і зовнішнім циліндрами, де нагрівається до 600-700ºС від гарячих стінок внутрішнього циліндра. По внутрішньому циліндрі проходять продукти горіння з температурою 1000-1500°С. Гаряче повітря надходить у верхній колектор, а з нього в трубопровід, що з'єднує рекуператор з піччю. Продукти горіння в рекуператорі рухаються з невеликою швидкістю так, що теплота від продуктів горіння передається до стінки за рахунок випромінювання (радіації).

Кількість теплоти від продуктів горіння до внутрішнього циліндра передається конвекцією повітря, який проходить через щілинний простір рекуператора, інша частина випромінюється на зовнішній циліндр, стінки якого у свою чергу також нагрівають повітря конвекцією.

4.5. Повітропідігрівач для вагранки двоходовий із протитоком руху повітря і газів.

Конструкція: (Мал. 5.10.)

1 - топка, 2 - колектор холодного повітря,

3 - труби, 4 - стінка розділова,

5 - коромисло, 6 - колектор охолоджених газів,

7 - корпус, 8 - колектор гарячого повітря.

Робота: Гарячі гази з топки піднімаються в корпус, де по окружності розташовані труби, по яких подається холодне повітря. Гази рухаються нагору до розділової стінки, огиная яку, змінюють напрямок і рухаються вниз до колектора і димососу. Повітря по трубах з колектора рухається нагору до розділової стінки, після якого змінює напрямок і рухається вниз до колектора, що нагнітає гаряче повітря у вагранку. Передача тепла здійснюється від газів стінкам труб, а від стінок труб повітря при двоходовому русі. Площа теплопередаючей поверхні труб 200 м², кількість повітря, що нагрівається, 12000м³/год, температура підігрітого повітря 400ºС.

5. Види і конструкція регенераторів

Регенератором називають теплообмінний апарат, призначений для передачі теплоти від одного газу до іншого при нестаціонарному тепловому режимі. Регенератор являє собою камеру, внутрішній простір якої заповнений теплоакумулючою насадкою. Як матеріал насадки використовують вогнетривкі матеріали, жаростійкі сталі. При проходженні через холодний регенератор гарячих продуктів горіння палива насадка прогрівається до 1200-1700ºС. У розігрітий регенератор подають холодне повітря і він, проходячи через насадку, нагрівається до 1000-1250ºС. Конструкція регенератора залежить від типу насадки.

Насадки Каупера виконують із вогнетривких матеріалів (шамот, динас) в виді вертикальних каналів, застосовують для високих регенераторів, які мають велику механічну стійкість.

Насадки Сименса виконують із вогнетривких матеріалів, мають канали, яки з’єднуються між собою, велику питому поверхню нагріву (25%) і меншу (на 50%) масу вогнетривів, чім у Каупера.

Технічна характеристика регенераторів з насадкою Сименса:

- температура нагріву повітря до 1000^оС,

- продуктивність – 4500 м³/год,

- маса насадки – 16,7 т,

- поверхня нагріву – 332 м²,

- температура продуктів горіння – 1320^оС,

- габарити, м - 2х2х4,5

Найбільше застосування регенератори одержали для мартенівських печей з насадкою з вогнетривкої цегли (шамотного, динасу, високоглиноземістого). Обсяг насадки складає 4-5 м³/м² площі поду печі. В печах у торцях установлюють пальники, що працюють по черзі. Перед кожним пальником під піччю встановлені регенератори, що нагріваються теплом газів, що відходять.

Для вагранок застосовують регенератори з насадкою, яка рухається, що являє собою дрібнозернистий (1мм) вогнетривкий матеріал чи кулі з вогнетривкого матеріалу. Нагрівання й охолодження теплопередаючого матеріалу виробляється в киплячому шарі, створюваному у верхній частині регенератора за допомогою розділових ґрат. У цих регенераторах повітря підігрівається до 800ºС.