Подогрев воздуха реализуется при помощи специальных теплообменных аппаратов рекуперативного или регенеративного типа. В последнее время предпочтение отдается аппаратам рекуперативного типа, в которых продукты сгорания топлива непрерывно обмениваются теплом с подогреваемым воздухом через разделительную стенку. На практике используются следующие виду рекуператоров: керамические, стальные гладкотрубные, игольчатые, спиральные и т.д. У каждого из видов рекуператоров имеются свои достоинства и недостатки, что определяет сферу их использования.
Рекуператор – это теплообменник стационарного режима работы, в котором теплота непрерывно передается от дымовых газов к нагреваемому газу (воздуху либо газообразному топливу) через сплошную твердую стенку. Площадь поверхности этой разделяющей стенки называют поверхностью теплообмена F, м2. Чаще всего стенка имеет цилиндрическую форму, т.е. выполняется в виде трубы, внутри которой протекает один теплоноситель, а снаружи – другой. В зависимости от материала стенки различают керамические и металлические рекуператоры.
Работы по интенсификации процесса конвективного теплообмена и созданию наиболее экономичного технологичного теплообменного оборудования привели в последнее время к существенному усовершенствованию конструкций теплообменных аппаратов для разных отраслей промышленности. Работы Б.П. Тебенькова, Д.Д.Калафати, В.А Смирнова и других ученых в этой области показывают, что любой теплообменник имеет пик производительности по теплосъему, значит существует такой оптимум при котором отношение коэффициента рекуперации тепла к затратам энергии на перекачку теплоносителей имеет максимальное значение. Сегодня актуальной является научно-техническая задача поиска оптимальных конструктивных и технологических параметров существующих и создаваемых типов рекуператоров нагревательных печей.
В зависимости от материала , из которого сделаны элементы рекуператоров, последние делят на металлические и керамические. На данном этапе развития науки и техники существует множество конструкций промышленных рекуператоров. Область применения этих теплообменников лимитируется температурами рабочих сред , а также производительностью металлургического агрегата ( нагревательная или термическая печь). Рассмотрим металлические виды промышленных рекуператоров. В случаях , когда температура уходящих из печи газов выше 900°С применяют радиационные рекуператоры. При таких температурах основное количество тепла передается излучением – радиацией. Известно, что при данном составе газа и данной температуре передача тепла излучением прапорциональна длине луча или толщине излучающего слоя газа. Поэтому в радиационных реуператорах на дымовом пути (воздух, как известно лучепрозрачен) выполняют каналы большого сечения ( диаметром 0,5-3,0 м), тогда как в конвективных рекуператорах приведенные диаметры дымовых каналов не превышают 0,1м. Например, при 1200°С увеличение диаметра дымового канала от 50мм до 1500 мм повышает коэффициент теплоотдачи от 31 до 128 ВТ/(м2°С). Наиболее выжным преимуществом радиационных рекуператоров перед конвективными является возможность высокотемпературного подогрева воздуха или газа с меньшим , чем у конвективных рекуператоров, расходом жаропрочной стали вследствие большей удельной нагрузки поверхности теплообмена. Большая тепловая нагрузка поверхности нагрева данного теплообменника не вызывает повышение ( по сравнению с конвективным) максимальной температуры стенки, через которую передается тепло, при одних и тех же температурах подогрева воздуха (газа) . Это можно объяснить высокой скоростью циркуляции дымовых газов ( 20-40 м/с), что способствует значительному отводу тепла от стенок и понижению их температуры. Следует отметить, что если конвективные рекуператоры в большинстве случаев требуют устройства искусственной тяги, так как величины коэффициентов теплопередачи в них прямо зависят от скорости дымовых газов, то в радиационных рекуператорах искусственная тяга на пути обычно не нужна потому , что дымовые каналы у них широкие и прямые, а скорости в них мало влияют на величину коэффициента теплопередачи и поэтому не превышают скоростей в обычных дыовых боровах. Аэродинамические сопротивления на дымовом пути в радиационных рекуператорах обычно не выше , чем на участке борова той же длины, что и длина рекуператора. Очень важным свойством радиационных рекуператоров является меньшая , чем у конвективных рекуператоров , засоряемость поверхности теплообмена. Стенки таких аппаратов обычно прямолинейные, что способствует меньшему оседанию пыли. Таким образом , радиационные рекуператоры значительно меньше, чем конвективные, чувствительны к отложениям пыли, а очищать их от нее проще, така как диаметры каналов больше. Недостатком радиационных рекуператоров является то, что при одинаковой тепловой производительности они более громоздки и по внешним габаритам занимают объем, в 2-3 раза больший, чем конвективные. Кроме того, они являются намного более чувствительны к изменению нагрузки, чем конвективные рекуператоры. При уменьшении расхода топлива в печи, но сохранении высокой температуры дымовых газов коэффициент теплоотдачи на воздушной стороне резко снижается, а на дымовой остается почти прежним. В настоящее время применяют радиационные рекуператоры большей частью двух конструкций : щелевые и трубчатые , а также комбинированные. К ним можно отнести игольчатые рекуператоры , рекуператоры «ИНКА», панельные, комбинированные радиационно-конвективные рекуператоры, спиральные. К классу конвективных рекуператоров можно отнести конструкции игольчатых и петлевых гладкотрубных рекуператоров. Игольчатые рекуператоры собирают из чугунных литых труб овального сечения, снабженных с одной или двух сторон для увеличения поверхности и эффективности теплоотдачи иглами. На концах труб имеются фланцы, при помощи которых трубы присоединяют друг к другу и к обвязочным рейкам. Рекуператоры монтируют так, что воздух проходит внутри игольчатых труб, а продукты горения снаружи. Игольчатые рекуператоры можно устанавливать под печью, над печью или в боровах.
Для небольших печей применяют рекуператоры типа «термоблок», представляющие собой пучок труб, залитых чугуном с остановлением каналов между рядами труб. Через трубы пропускают нагреваемый воздух или газ, а через каналы в чугуне, располагаемые перпендикулярно пучку труб, — дымовые газы.
Недостатком термоблоков является их большая относительная масса на единицу передаваемого тепла. Тепловая эффективность двусторонне-игольчатых труб значительно выше, чем односторонне-игочатых, но они менее теплоустойчивы и легче поддаются засорению. Наиболее эффективно устанавливать игольчатые рекуператоры так, чтобы дымовые газы проходили через трубы в вертикальном направлении, а сами рекуператоры были легко доступны для осмотра и ремонта. Обстоятельства исследования, касающиеся теплообмена и аэродинамического сопротивления игольчатых поверхностей разного типа, были проведены А.К Скрябиным и А.В. Кузнецовым . Результаты исследований часто имели существенные расхождения, поэтому Б.П.Тебеньков провел исследования, целью которых являлось получение теплолвой и аэродинамической характеристик игольчатых рекуператорных труб.
Керамические рекуператоры устанавливают в основном на высокотемпературных нагревательных печах для надежного подогрева воздуха до 600-900°С при температуре уходящих газов 1000°-1500°С. Наиболее распростанены рекуператоры , изготовленные из шамота и карборунда. Обычно движение теплообменивающихся сред является перекрестно-противоточным. Однако коэффициент теплопередачи при этом остается низким по сравнению с металлическим рекуператором. Керамические трубки также выполняют из элементов, сделанных из карборунда, корунда, и ситалла . Хотя карборунд в 20-25 раз , а корунд в 10 раз дороже шамота, однако перспективность применения этих материалов определяется многими факторами (цены, технологические особенности). Газоплотность керамических рекуператоров ниже, чем у металлических, и особенно низка у шамотных рекуператоров, причем снижается по мере увеличения периода эксплуатации. Чтобы уменьшить газопронициемость стыков в керамических рекуператорах , не следует допускать больших перепадов давления между воздушной и дымовой сторонами, а следовательно, и больших скоростей движения дымовых газов и воздуха. При небольших скоростях движения сред наблюдается низкая эффективность теплосъёма, что снижает эффективность тепловой работы рекуператора.
Материалом для металлических рекуператоров служат хромоникеле-вые стали типа Х18Н10Т, Х25Н20С2 с допустимой температурой дыма пе-ред рекуператором 1100-1200 °С, либо хромистая сталь типа Х17 с допус-тимой температурой дыма не более 1000 °С. Толщина стальной стенки S = 2-3 мм. Температура нагрева воздуха (или газа) в существующих рекупе-раторах не превышает 400-500 °С .
Керамические рекуператоры выполняют из карбошамотных или ша-мотных восьмигранных трубок длиной 300-350 мм, с толщиной стенки S = 10-12 мм, а также реже из шамотных пустотелых блоков. В керамических ре-куператорах нагревают только воздух ввиду их негерметичности. Макси-мальная температура дыма перед рекуператором 1250-1300°С, нагретого воздуха – 800-850 °С. Более высокая температура воздуха – единственное преимущество керамических рекуператоров, недостатками их являются:
- неплотные соединения трубок между собой, через которые происхо-дит утечка воздуха, изменяющаяся в процессе службы и нарушающая нор-мальное сжигание топлива;
- большие габаритные размеры из-за высокого теплового сопротивле-ния керамической стенки, в связи с чем коэффициент теплопередачи в 4-5 раз меньше, а поверхность теплообмена во столько же раз больше, чем у металлического рекуператора .
Одним из наиболее мощных рычагов повышения величины коэффициента использования топлива на современном этапе развития металлургической теплотехники является рост значения коэффициента рекуперации. Так, для теоретического случая, при котором коэффициент рекуперации равен единице, коэффициент использования топлива также равен единице независимо от температуры продуктов сгорания, покидающих рабочую камеру. По своему физическому смыслу эта величина показывает, какая доля тепла продуктов сгорания, покидающих рабочую камеру, возвращается в нее с теплом подогретого воздуха (или рециркулята) .
В виду большого разнообразия конструкций рекуператоров появляется необходимость проведения сравнительного анализа и вывода оценки тепловой работы теплообменников под один размер борова. «Примерка» любых рекуператоров под одну рабочую полость дает возможность выбрать тот агрегат, который при данных условиях дает максимальный коэффициент рекуперации тепла уходящих из печи газов. Известно, что чем выше этот параметр при прочих равных условиях, тем меньше расход топлива в печи. Существующая методика для расчета поверхности теплообмена рекуператора выполняет прямую задачу определения искомой величины через заданную необходимую температуру нагрева. Исходя из этого для реализации нашей задачи (сравнительного анализа) необходимо разработать обратную методику, которая позволит выбрать наиболее рациональный рекуператор под существующие параметры нагрева металла. Известно, что для роста значения коэффициента использования топлива используются такие инструменты как увеличение коэффициента рекуперации, снижение значения температуры продуктов сгорания, покидающих камеру рабочей печи, возможны также действия по сокращению количества продуктов сгорания, покидающих печь.
Одной из проблем высокого расхода топлива в нагревательных печах является низкое значение коэффициента рекуперации тепла отходящих газов, что в свою очередь ведет к уменьшению значения коэффициента использования топлива. При выборе нового теплообменника или анализе работы существующей конструкции на первый план среди прочих критериев выходит эффективность тепловой работы, которая может быть оценена при помощи величины коэффициента рекуперации или энергетического коэффициента .