Устройства для подогрева воздуха и газа
Продукты горения (дымовые газы, д.ч.), уходящие из рабочего пространства печи, уносят значительную часть тепловой энергии и тем большую, чем выше температура нагрева металла.
Целесообразно часть уносимой тепловой энергии вернуть в рабочее пространство, чем повысить тепловой КПД печи и уменьшить расход топлива. Возврат в печь тепловой энергии возможен, если тепло уходящих из рабочего пространства дымовых газов частично использовать для подогрева воздуха или воздуха и газа перед введением их в печь.
Для подогрева воздуха (или воздуха и газа) служат теплообменники: рекуперативные и регенеративные. Те и другие отличаются тепловым режимом работы. Рекуператоры имеют непрерывный, а генераторы – периодический тепловой режим. Последние используются, как правило, в печах металлургического производства и рассматриваться не будут.
Рекуператор – теплообменный аппарат, передающий тепловую энергию от д.г. воздуху или воздуху и газу через разделительную стенку и работающий в стационарном тепловом режиме.
Представляет собой систему каналов параллельных и перекрестных разделительных стенкой, причем по одним проходят горячие дымовые газы, а по другим – нагреваемый воздух (газ).
Тепло передается от д.г. и воздуху через стенки, разделяющие каналы. По схеме движения д.г. и воздуха рекуператоры различаются прямоточные, в которых направление движения д.г. и воздуха совпадают, противоточные, в которых воздух движется навстречу движению д.г. и с перекрестным движением газа и воздуха.
График изменения температуры по поверхности нагрева.
Прямоточная схема Противоточная схема
Рис. 19.
Прямоточную схему применяют, когда температура д.г. на входе в рекуператор велика и возникает опасность разрушения разделительной стенки.
При противоточной схеме температура воздуха на выходе из рекуператора может быть выше температуры дыма на выходе. Температура разделительной стенки на входе дыма может быть высокой, поэтому такой схемы рекуператор применяется при невысоких температурах дымовых газов.
По способу теплообмена рекуператоры разделяются радиационного, конвективные и смешанного типа.
В радиационных рекуператорах передача тепла от дымовых газов и разделительной стенки происходит в основном за счет теплового излучения. В конвективных – за счет конвекции. Передача тепла от разделительной стенки к нагреваемому воздуху – за счет конвекции.
По конструкции рекуператоры могут быть металлическими (из углеродистой и легированной стали и чугуна) и керамические – из огнеупорных материалов. Металлические рекуператоры – из цельнотянутых труб или литыми из чугуна.
При использовании металлических рекуператоров температуры дымовых газов на входе в рекуператор не должна превышать 700-750оС. Подбор рекуператора производится по площади нагрева – площади поверхности разделительной стенки из условия, что тепло отдаваемое д.г. на 90% идет на нагрев воздуха.
,
(105)
где
- энергия, воспринимаемая воздухом;
- расход топлива,
м3;
- теплоемкость
воздуха средняя в интервале температур
воздуха
и
;
- расход воздуха
для сжигания 1 м3
топлива.
Это количество составляет 90% тепла, передаваемого от дыма к воздуху разделительной стенкой рекуператора.
(106)
- коэффициент
теплопередачи рекуператора;
- средняя по объему
рекуператора разность температур дыма
и воздуха.
Сопоставляя оба
выражения
,
определяем площадь поверхности нагрева
(107)
Коэффициент теплопередачи рекуператора определяется из следующих соображений: удельный тепловой поток при передаче тепла из одной газовой среды (дыма) к другой (воздух) через разделительную стенку будет:
(108)
Учитывая, что
толщина разделительной стенки
металлических рекуператоров мала,
величиной
можно пренебречь и получить
(109)
определяется с
учетом начальной (на входе в рекуператор)
и конечной (на выходе из рекуператора)
разность температур дыма и воздуха
; 
для
прямоточного рекуператора
; 
для
противоточного рекуператора
Тогда
(110)
После определения площади поверхности нагрева производится проверка величины температуры разделительной стенки, которая не должна превысить допустимую для материала, из которого изготовлен рекуператор.
Исходя из равенства удельных тепловых потоков, на стороне дыма и воздуха определяется температура стенки.
(111)
(112)