МДК0201 Теплотехническое оборудование. Занятие №13.
При работе нагревательных печей с уходящими продуктами горения, имеющими высокую температуру, уносится до 25 - 60 % поступающей в рабочее пространство теплоты. Поэтому вопрос утилизации теплоты дымовых газов приобретает большое значение. С целью возвращения части теплоты в рабочее пространство печи устанавливают рекуператоры. Использование рекуператоров способствует повышению коэффициента полезного действия печи и снижению расхода топлива на технологический процесс.
Рекуператор представляет собой теплообменный аппарат, в котором передача теплоты происходит через стенку, по одну сторону которой движется греющий теплоноситель (отходящие продукты горения), а по другую - нагреваемый (воздух или газ). Характерной особенностью теплообменников рекуперативного типа является стационарный режим их работы.
Процесс варки стекла протекает при высоких температурах (1450-1600° С). Чтобы обеспечить необходимую температуру в рабочей камере и повысить КПД печи, воздух и низкокалорийное газообразное топливо (генераторный газ) подогревают до определенной температуры. При использовании высококалорийного природного газа или жидкого топлива подогревают только воздух. Воздух и газ, подаваемые для горения, подогревают за счет тепла отходящих из печи газов. Воздух и горючий газ подогревают перед их смешиванием и подачей в печь в регенераторах и рекуператорах.
В регенераторах и рекуператорах, которые служат утилизаторами тепла отходящих газов, используется до 50-60% тепла поступающих в них отходящих газов. Тепло отходящих газов может быть также использовано для получения пара, подогрева воды и сушки материалов. При достаточно высокой температуре (выше 300° С) отходящих газов за регенераторами перед дымовой трубой устанавливают котлы-утилизаторы или водоподогреватели.
Регенераторы представляют собой камеры прямоугольного сечения, заполненные насадкой из огнеупорного кирпича, которая выполняет роль аккумулятора тепла. Работа регенераторов основана на периодической аккумуляции тепла отходящих газов с последующей отдачей его нагреваемому воздуху. В каждый отдельный период через насадки проходит только одна среда -- или нагревающая, или нагреваемая. При отоплении стекловаренной печи высококалорийным газом или жидким топливом регенераторы служат только для подогрева воздуха. В регенераторах Воздух и низкокалорийный газ подогревают до 900-1000° C.
При использовании высококалорийного топлива воздух может быть подогрет до 1000-1150° С.
В вертикальном регенераторе отходящие газы движутся сверху вниз, а нагреваемый воздух-снизу вверх. Отходящие газы, проходя через всю насадку, нагревают ее и удаляются по общему каналу, расположенному под насадками. Насадки регенераторов по длине печи разогреваются неодинаково. Объясняется это тем, что в процессе эксплуатации печи огнеупорные кирпичи насадки в районе варочной части оплавляются и разрушаются под действием высоких температур, что препятствует поступлению воздуха в горелку. В связи с этим приходится периодически заменять насадки регенераторов, что нарушает нормальную работу печи и снижает ее производительность. Значительного улучшения работы вертикальных регенераторов можно добиться разделением их на отдельные секции соответственно расположению и количеству горелок с самостоятельным отводом отходящих газов и подводом воздуха.
Секционные регенераторы применяют в основном в крупных ванных печах, так как они позволяют регулировать количество подаваемого в печь газа и воздуха в зависимости от сопротивления насадки отдельных секций регенераторов. При оплавлении или разрушении одной из секций насадки регенераторов отключается только соответствующая горелка и насадку заменяют или ремонтируют. Для регулирования температур и давления в дымовоздушных и дымогазовых каналах каждой секции устанавливают поворотные шиберы.
Для нормальной работы стекловаренных печей необходимо, чтобы в рабочую камеру постоянно поступал подогретый воздух и горючий газ. С этой целью на печи устанавливают две пары регенераторов, насадка которых поочередно то нагревается отходящими газами, то передает аккумулированное насадкой тепло воздуху и газу. Продолжительность подачи воздуха или период отвода дымовых газов 30 мин. В течение 30 мин через насадки регенераторов проходят отходящие газы, отдавая кирпичной кладке свое тепло. Через 30 мин в эти нагретые насадки вместо отходящих газов поступает холодный воздух. Аккумулированное насадкой тепло передается воздуху, и оно нагревается до необходимой температуры. Постепенно, по мере отдачи тепла, насадка остывает, температура воздуха понижается и по достижении определенного предела (через 30 мин) процесс повторяется, т. е. через регенератор вновь пропускаются отходящие газы, насадка аккумулирует тепло, затем передает его воздуху и т. д. Таким образом, работа регенераторов характеризуется нестационарным тепловым режимом и колебаниями во времени температур подогрева воздуха в каждом цикле - от максимума до минимума. Отходящие газы поступают в регенераторы с температурой 1350-1500°С и уходят из них с температурой 300-500° С.
Для уменьшения потерь тепла в окружающую среду стены камер регенераторов выкладывают в три слоя: внутренний - в один огнеупорный кирпич, средний - в один изоляционный (шамотный легковес или диатомовый) и наружный - в один или полтора красного кирпича. Для повышения газоплотности стены регенераторов снаружи покрывают обмазками.
Своды регенераторов выполняют обычно из крупноразмерного динасового огнеупора. В стенах регенераторов предусматривают отверстия для вставки термоэлектрических термометров, а также для просмотра насадок.
Насадку регенераторов обычно выкладывают из кирпича прямоугольной формы. Иногда для улучшения теплообмена и увеличения активной поверхности насадочному материалу придают более сложную форму.
Насадки вертикальных регенераторов
В стекольной промышленности применяют три системы насадок. Их характерными чертами являются простота кладки, применение кирпича стандартных форм и размеров, выполнение прямых вертикальных каналов без перебивки их смещенными рядами или выступающими концами кирпичей. Материалом для насадки регенераторов, работающих при температурах ниже 1300°С, служит в основном шамотный кирпич. Для насадок ванных печей, работающих при повышенных температурах (выше 1350-1400° С), наиболее эффективны основные огнеупоры - обжиговые форстеритовые и магнезитохромитовые. Их преимущества - высокая огнеупорность, стойкость к воздействию стекольной шихты, повышенная теплоаккумулирующая способность.
Толщина насадочного кирпича определяется его прочностью под нагрузкой и степенью участия в теплообмене. При небольшой толщине кирпича поверхность нагрева возрастает и уменьшается требуемая продолжительность нагрева и охлаждения. Кроме того, при малой толщине кирпича увеличиваются колебания температуры греющих и нагревающихся газов и уменьшается коэффициент теплопередачи. При слишком большой толщине кирпича его середина может не принимать участия в теплообмене, что бесполезно увеличивает объем насадки.
Обычно для кладки насадки регенераторов используют огнеупорные кирпичи толщиной 65-75 мм, выкладываемые на ребро. Кирпичи такой толщины могут выдерживать большую нагрузку в нижней части насадки и максимально участвовать в теплообмене. Расстояние между кирпичами (ширина ячейки) в вертикальных регенераторах 80-150 мм, площадь свободного сечения, а следовательно, и свободный объем насадки 50-60%.
Расположение регенераторов зависит от типа стекловаренной печи. В ванных печах с поперечным направлением пламени регенераторы располагают вдоль продольных сторон под горелками, а в ванных печах с подковообразным пламенем - с торца печи, параллельно или перпендикулярно ее оси.
Каналы под насадками регенераторов перекрывают опорными арками толщиной 230-300 мм и шириной 115 или 230 мм. Ширина промежутка между арками 115 мм. При ширине каналов более 1,5 м замковые кирпичи арок делают более длинными, чтобы они упирались друг в друга и препятствовали искривлению арок. При ширине каналов более 2 м поднасадочный канал делится стенкой на два, перекрываемые отдельными арками.
К огнеупорам для кладки арок поднасадочных каналов предъявляются повышенные требования, такие как: большая механическая прочность при высоких температурах; термостойкость с учетом значительных перепадов температур в поднасадочном канале (от 100 до 700° С); химическая стойкость к агрессивному воздействию уносов дымовых газов. Указанным требованиям соответствуют шамотные изделия с повышенным содержанием глинозема (Al2O3 от 45 до 60%).
К достоинствам регенераторов относятся простота их устройства и изготовления, а также возможность подогрева в них не только воздуха, но и газа. Недостаток регенераторов заключается в периодичности их работы.
Тепловые расчеты рекуператоров могут быть проектными и поверочными.
Проектные (конструктивные) расчеты выполняют при проектировании новых рекуператоров; целью расчета является определение поверхности теплообмена.
При выполнении поверочного расчета известны конструкция теплообменника и поверхность теплообмена; необходимо определить количество переданной теплоты и конечные температуры теплоносителей.
Основными расчетными уравнениями являются уравнение теплового баланса и уравнение теплопередачи. Поскольку тепловой поток, получаемый при охлаждении горячего теплоносителя, затрачивается на нагревание холодного теплоносителя, то уравнение теплового баланса без учета потерь имеет вид:
, (1)
где h' г, h" г - энтальпии горячего теплоносителя на входе и выходе теплообменника, кДж/кг;
h' х , h" х - то же холодного теплоносителя;
G г, G х - массовые расходы горячего и холодного теплоносителей, кг/с.
Так как dh = сР dt, уравнение (2.1) можно переписать в виде
, (2)
где сРг - средняя изобарная теплоемкость горячего теплоносителя, кДж/кг•К;
сРх - средняя изобарная теплоемкость холодного теплоносителя, кДж/кг•К;
t'г, t"г - температуры горячего теплоносителя на входе в теплообменник и на выходе из него, °С;
t'х, t"х - температуры холодного теплоносителя на входе в теплообменник и на выходе из него, ºС.
В реальном случае при составлении теплового баланса рекуператора необходимо учитывать потери теплоты в окружающую среду (обычно принимаемые равными 10% от количества теплоты, передаваемой от дымовых газов). Уравнение теплового баланса может быть представлено в виде
, (3)
где Vг, Vв - объемные расходы дымовых газов и воздуха, м3/с;
с'г, с"г – теплоемкости дымовых газов при их начальной и конечной температуре, кДж/м3•К;
с'в, с"в - теплоемкости воздуха при его начальной и конечной температуре, кДж/м3•К.
Уравнение теплопередачи может быть представлено в виде
, (4)
где k - коэффициент теплопередачи, Вт /м2•К;
F - поверхность теплообмена, м2;
- средний температурный напор, град.
Используя уравнение теплопередачи (4), определяют величину поверхности теплообмена в случае проектного расчета рекуператора
. (5)
Значение ∆` t зависит от взаимного направления движения теплоносителей. В теплообменных аппаратах движение теплоносителей осуществляется по трем основным схемам, показанным на рис.1. Если греющий и нагреваемый теплоносители перемещаются параллельно вдоль поверхности нагрева в одном направлении, то движение называется прямоточным (а); встречное параллельное движение теплоносителей называется противоточным (б). Если теплоносители перемещаются во взаимно перпендикулярных направлениях, то такое движение называется перекрестным (в). Могут быть теплообменники со сложным направлением движения теплоносителей.
1
1 1 2
2 2
а б в
Рис. 1. Схемы движения теплоносителей в теплообменниках:
1 - горячий теплоноситель; 2 - холодный теплоноситель
С теплотехнической точки зрения противоток имеет ряд преимуществ по сравнению с прямотоком. Основное преимущество – возможность нагрева холодного теплоносителя до более высоких температур: воздух может быть нагрет до температуры, превышающей конечную температуру уходящих продуктов горения. При прямотоке конечная температура нагреваемого теплоносителя всегда ниже конечной температуры греющего теплоносителя
|
Прямоток Противоток
Рис.2. Характер изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена
Средний температурный напор
Так как температуры теплоносителей и разность температур между горячим и холодным теплоносителем изменяются по длине теплообменника, то определяется среднелогарифмический температурный напор
, (6)
где 
- большая разность температур между теплоносителями, град;
- меньшая разность температур между теплоносителями, град.
Значения больших и меньших температурных напоров рассчитываются в зависимости от схемы движения теплоносителей следующим образом:
|
; 
; (7)
; 
; (8)
, (9)
– температурный напор для перекрестного движения;
температурный напор для противоточного движения;
e D t = f (P, R) – поправочный коэффициент, зависит от величин Р и R.
Значения вспомогательных величин Р и R рассчитываются по формулам:
; (10)
. (11)
Поправочный коэффициент определяется по графику, приведенному на рис.3, в зависимости от величин Р и R.
Рис.3. Значения поправки e D t = f (P, R)
Коэффициент теплопередачи
Коэффициент теплопередачи 
является основной характеристикой тепловой работы рекуператора. Чем выше коэффициент, тем большее количество теплоты будет передано через одну и ту же поверхность теплообмена. При заданном тепловом потоке рекуператор с большим коэффициентом теплопередачи компактнее.
В большинстве теплообменников рекуперативного типа разделительная поверхность имеет цилиндрическую форму.
Задание: 1. Подготовить конспект лекции в печатном word-документе.
2. Предоставить схемы рекуператора и регенератора,комплектуемые с ванной печью.
Срок выполнения 01.05.2020.