3. Механическая часть

В данном разделе подобран материал для изготовления рекуператоров на тепловых трубах для печей П-1 и П-2 установки АВТ-1, проведен расчет на прочность единичного элемента рекуператора, расчет устойчивости листа с отверстиями для тепловых труб, разделяющего секции рекуператора.

Воздухоподогреватели (рекуператоры) предназначены для использования тепла дымовых газов, уходящих из печи, для нагревания поступающего в печь воздуха.

Рекуператор на тепловых трубах (рис.3.1) представляет собой конструкцию, состоящую из теплопроводящих элементов – тепловых труб, герметически закрытых с обоих концов металлических труб, в которых находится небольшое количество воды и из которых откачен воздух. Теплопередача осуществляется путем переноса массы теплоносителя, сопровождающегося изменением его фазового состояния. Пучок тепловых труб наполовину находится в борове, наполовину – в корпусе, смонтированном над боровом, где происходит нагревание воздуха. Подземная и воздушная секции рекуператора разделены стальным листом с отверстиями для труб. По причине большого количества труб (для проектируемых аппаратов – 3861), а также для удобства монтажа и ремонта трубы не привариваются к листу, а ставятся прямо на дно за счет стержней, приваренных к нижним концам труб. На каждую трубу надевается прижимная шайба во избежание подсоса воздуха в боров и, как следствие, потерь тепла.

Конструкции рекуператоров для П-1 и П-2 идентичны.

Рис.3.1. Схема рекуператора на тепловых трубах

3.1. Выбор материала

Эксплуатация рекуператоров происходит при температурах ниже 470°С, при давлениях ниже 5 МПа, при контакте со средами средней коррозийности. Следовательно, в качестве материала для изготовления корпуса и труб можно использовать сталь 20. [15]

3.2. Расчет на прочность единичного элемента рекуператора

Единичным элементом рекуператора является тепловая труба, посредством которой происходит теплообмен между отходящими дымовыми газами и нагревающимся воздухом. Согласно методики [15] для тонкостенных цилиндров, работающих под внутренним избыточным давлением, толщина стенки рассчитывается по формуле

где P – избыточное давление, МПа;

D_вн – внутренний диаметр цилиндра, мм;

[σ] – допускаемое напряжение для условий работы, МПа;

φ – коэффициент прочности, φ = 1;

с – прибавка на коррозию, мм;

s – толщина стенки трубы, мм.

Если же рассматривать тепловую трубу как толстостенный цилиндр, работающий под внутренним избыточным давлением, тогда толщину стенки необходимо рассчитывать по формуле

где R_вн – внутренний радиус цилиндра, мм.

Для расчетов используем следующие данные:

• температура дымовых газов перед пучком труб 300°С;

• равновесное давление водяного пара внутри тепловой трубы при данной температуре P = 8,75 МПа;

• внутренний диаметр трубы D_вн = 21 мм;

• допускаемое напряжение для стали 20 при данной температуре 113 МПа;

• прибавка на коррозию с = 1 мм.

По результатам расчетов по формулам (3.1) и (3.2) получены следующие значения толщины стенки тепловой трубы:

• по методике для тонкостенных цилиндров s = 1,85 мм;

• по методике для толстостенных цилиндров s = 1,92 мм.

Следовательно, за толщину трубы принимаем 2 мм как ближайшее значение из стандартных, отсюда внешний диаметр трубы 25 мм. Кроме того, для каждой трубы предусмотрим прижимную шайбу. Для обеспечения достаточной герметичности работы внутренний диаметр шайб должен быть близок к внешнему диаметру труб, также шайбы должны иметь достаточный вес. Исходя из этого выбираем специально изготовленные шайбы с внутренним диаметром 26 мм, внешним диаметром 30 мм и толщиной 10 мм. Зная плотность стали ( ), рассчитаем массу одной шайбы: