7.2. Характеристика теплообменных устройств
Как уже указывалось, утилизацию тепла отходящих дымовых газов с возвратом их в печь можно осуществить в теплообменных устройствах регенеративного и рекуперативного типов. Регенеративные теплообменники работают при нестационарном тепловом состоянии, рекуперативные — при стационарном.
Теплообменники регенеративного типа имеют следующие основные недостатки:
1) не могут обеспечить постоянную температуру подогрева воздуха или газа, которая падает по мере остывания кирпичей насадки, что ограничивает возможность применения автоматического регулирования печи;
2) прекращение питания печи теплом при перекидке клапанов;
3) при подогреве топлива имеет место вынос газа через дымовую трубу, величина которого достигает 5—6 % полного расхода;
4) весьма большие объем и масса регенераторов;
5) неудобно расположены — располагают керамические регенераторы всегда под печами. Исключение составляют только кауперы, помещаемые около доменных печей.
Однако, несмотря на очень серьезные недостатки, регенеративные теплообменники иногда еще применяют на высокотемпературных печах (мертеновских и доменных печах, в нагревательных колодцах). Это объясняется тем, что регенераторы могут работать при весьма высокой температуре дымовых газов (1500—1600 °С). При такой температуре рекуператоры работать устойчиво пока не могут.
Рекуперативный принцип утилизации тепла отходящих дымовых газов более прогрессивен и совершенен. Рекуператоры обеспечивают постоянную температуру подогрева воздуха или газа и не требуют никаких перекидных устройств—это обеспечивает более ровный ход печи и большую возможность для автоматизации и контроля ее тепловой работы. В рекуператорах отсутствует вынос газа в дымовую трубу, они меньшего объема и массы. Однако рекуператорам свойственны и некоторые недостатки, основными из которых являются низкая огнестойкость (металлических рекуператоров) и низкая газоплотность (керамических рекуператоров).
7.3. Регенеративные теплообменники
Регенератор,
обычно применяемый в металлургических
печах, представляет собой камеру,
заполненную многорядной решеткой
(насадкой), выложенной из огнеупорных
кирпичей. Сначала через регенератор
пропускают дым, а затем в обратном
направлении — воздух или газообразное
топливо. В этот период регенеративная
насадка отдает воздуху (газу) ранее
аккумулированное тепло. Существует
оптимальное в теплотехническом отношении
время между перекидкой клапанов, т.е.
между следующими друг за другом
изменениями поступления газообразных
сред. У воздухонагревателей доменных
печей длительность воздушного
и дымового
периодов связана следующим образом:
где
— длительность
перекидки клапанов;
— число
воздухонагревателей на одну печь.
Для
мартеновских и нагревательных печей
,
причём и в том
и другом случае продолжительность
периодов лежит чаще всего в пределах
от 5 до 15 мин и определяется особенностями
работы регенеративной насадки в целом
и каждого кирпича в отдельности. В начале
дымового периода температура насадки
относительно мала и перепад температур
между дымовыми газами и кирпичами
насадки значительный. Постепенно насадка
нагревается, перепад температур
уменьшается и наступает такой момент,
когда необходима перекидка клапанов.
К этому времени насадка настолько
нагревается, что температура ее может
находиться на пределе стойкости кирпича.
Изменение температуры подогрева воздуха
(газа) вызвано постепенным охлаждением
насадки в течение воздушного (газового)
периода. Наиболее высокая температура
подогрева воздуха наблюдается в начале
воздушного периода, когда температура
насадки максимальна.
Требования теплового режима печи в работе регенераторов обусловлены тем, что понижение температуры подогрева воздуха или газа приводит к снижению температуры горения и неблагоприятно влияет на температуру в печи. Поэтому, когда необходимо поддержать температуру в печи достаточно высокой; следует часто делать перекидку клапанов.
Кирпич аккумулирует тепло дымовых газов и передает его нагреваемому воздуху, выполняя тем самым роль посредника в теплообмене между дымом и воздухом. Изменение температуры кирпича в течение дымового и воздушного периодов видно, что в течение дымового периода температура поверхности кирпича интенсивно повышается, а температура центра сначала даже несколько понижается, а потом начинает расти. Это объясняется тем, что к концу воздушного периода температура поверхности кирпича становится ниже температуры его центра. При этом наблюдается отток тепла от середины к поверхности кирпича. В начале дымового периода процесс передачи тепла от центра к поверхности также имеет место до тех пор, пока температура поверхности кирпича не превзойдет температуры его центра.
Количество тепла +Δq, которое кирпич аккумулирует в дымовой период, равно количеству тепла –Δq, которое кирпич отдает воздуху в воздушный период. Внутренние слои кирпича претерпевают значительно меньшие температурные колебания, чем наружные. Поэтому масса кирпича, с точки зрения его теплоаккумулирующей и теплоотдающей способности, работает неодинаково.
К насадке предъявляют следующие требования, определяющие ее экономичность и эксплуатационные качества:
высокий общий коэффициент теплопередачи;
- минимальные аэродинамическое сопротивление;
максимальная удельная поверхность нагрева;
минимальная опасность засорения;
необходимая строительная устойчивость.
Материал, из которого выполняют насадку, должен характеризоваться соответствующей огнеупорностью, термостойкостью и обладать определенным сопротивлением деформации под нагрузкой при повышенных температурах.