7.5. Рекуперативные теплообменники

Любой рекуператор представляет собой теплообменный аппарат, работающий в условиях близких к стационарному тепловому состоянию, когда тепло постоянно передаётся от остывающих дымовых газов к нагревающемуся воздуху (газу) через разделительную стенку.

Полное количество тепла, Вт, переданного в рекуператоре, определяют по уравнению

где —• суммарный коэффициент теплопередачи от дыма к воздуху (газу), характеризующий общий уровень теплопередачи в рекуператоре, Вт/(м2·К); — средняя (по всей поверхности нагрева) разность температур между дымовыми газами и воздухом (газом), К; — поверхность нагрева, через которую происходит передача тепла от дымовых газов к воздуху (газу), м2.

Передача тепла в рекуператорах осуществляется в три ступени:

а) от дымовых газов к стенкам рекуперативных элементов;

б) через разделительную стенку;

в) от стенки к нагреваемому воздуху или газу.

На дымовой стороне рекуператора тепло от дымовых газов к стенке передается конвекцией и излучением. Следовательно, коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне

,

где — коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке конвекцией, Вт/(м² К); — коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке излучением, Вт/(м²·К).

Передача тепла через разделительную стенку зависит от теплового сопротивления стенки и состояния ее поверхности.

На воздушной стороне рекуператора при нагреве воздуха тепло от стенки к воздуху передается только конвекцией, при нагреве газа — конвекцией и излучением. Таким образом, при нагреве воздуха теплоотдача определяется локальным коэффициентом теплоотдачи конвекцией ; если нагревается газ, то коэффициент теплоотдачи

Все отмеченные локальные коэффициенты теплоотдачи объединены в суммарном коэффициенте теплопередачи, Вт/(м2·К)

В трубчатых рекуператорах суммарный коэффициент теплопередачи следует определять для цилиндрической стенки, Вт/(м·К)

.

Коэффициент называется коэффициентом теплопередачи трубы. Если же необходимо отнести количество тепла к площади внутренней или наружной поверхности трубы, то суммарные коэффициенты теплопередачи, Вт/(м2·К), можно определить следующим образом:

и

где — коэффициент теплопередачи на внутренней и наружной сторонах трубы, Вт/(м²·К); — соответственно радиусы внутренней и наружной поверхностей трубы, м.

В металлических рекуператорах, в которых толщина стенки мала, а весьма велико, можно пренебречь величиной теплового сопротивления стенки и тогда суммарный коэффициент теплопередачи Вт/(м·К) можно записать в следующем виде:

.

Все локальные коэффициенты теплоотдачи, необходимые для определения величины К, можно получить на основании законов теплообмена конвекцией и изучением.

Поскольку между воздушной и дымовой сторонами рекуператора всегда есть перепад давлений, наличие неплотностей в насадке керамических рекуператоров приводит к утечке воздуха, достигающей иногда 40—50 %. Прососы резко снижают эффективность рекуперативных установок; чем больше прососанного воздуха, тем меньше доля тепла, полезно использованного в керамическом рекуператоре. Ниже приведена эта зависимость:

Утечка, % от количества воздуха, поданного в рекуперато 0 25 50

Температура дымовых газов на выходе из рекуперато­ра, °С 660 615 570

Температура подогрева воздуха, °С 895 820 770

Утечка воздуха влияет на величину локальных коэффициентов теплоотдачи, причём воздух, попавший в дымовые газы, не только снижает их температуру, но и уменьшает процентное содержание С0₂ и Н₂0, вследствие чего ухудшается излучательная способность газов.

Как при абсолютно газоплотном рекуператоре, так и при утечке локальные коэффициенты теплоотдачи изменяются по поверхности нагрева, поэтому при расчете рекуператоров определяют отдельно величины локальных коэффициентов теплоотдачи для верха и низа и затем уже по усредненному значению находят суммарный коэффициент теплопередачи.