Металеві рекуператори

 

Загальні умови надійної роботи металевих рекуператорів

Металеві рекуператори застосовують для високотемпературного нагрівання повітря (або повітря й газу); припустима гранична температура нагрівання дуття визначається жаростійкістю, а іноді й жароміцністю марок сталі й чавуну. Грубні металеві нагрівачі дуття в більшості випадків працюють при незначних механічних напругах, тому для них має значення жаростійкість металу. По цьому показнику звичайна вуглеводна сталь застосовується при робочій температурі металу , а простий сірий чавун – при .

Жаростійкість сталі й чавуну можна підвищити введенням у розплав легуючих елементів: хрому, кремнію, алюмінію. Основним легуючим елементом є хром. Жаростійкі хромисті сталі умовно ділять на три групи:

Вміст хрому, % 13 17 25 Допустима температура металу, К 950–1000 1100–1150 1250–1300

Приймаючи припустиму різницю температур метал – дуття, що дорівнює 475 К, можна вважати таким, що здійснив нагрівання дуття в металевому рекуператорі до 1075–1125 К, якщо в його елементах відсутні механічні напруги, зокрема, від тиску нагрівання.

Надійність роботи будь-якого металевого теплообмінника насамперед визначається температурним рівнем його теплоприймаючої стінки Тм. Рахуючи її для більшої наочності виводів плоскої й зневажаючи тепловим опором металу, можна записати при чистій поверхні нагрівання

де ТВЗ - температура повітря, що нагріває, (або іншого теплоносія) у зоні визначення, К;

q – питоме теплове навантаження в тій же зоні, Вт/м2; - коефіцієнт тепловіддачі від стінки до нагрітого повітря, .

Розглянемо залежність припустимого нагрівання повітря від питомого теплового навантаження q і коефіцієнта тепловіддачі  при незмінній максимальній температурі металу, рівній Тм = 1275 К (рис. 1). Якщо для нагрівання повітря до 1175 К при q = 5000 Вт/м2 досить мати  = 50 , то при тому ж коефіцієнті тепловіддачі припустиме нагрівання повітря знижується до 975 К при – 15000 Вт/м2 і становить усього 375 К при q = 45 000 Вт/м2. Для забезпечення нагрівання повітря (зберігаючи незмінною температуру металу 1275 К) до 1175 К при q = 15 000 і 45000 Вт/м2 необхідно підвищити  відповідно до 150 і 450 , що досить важко.

Рис. 1. Залежність допустимого нагріву повітря в металічному рекуператорі від його максимальної теплової нагрузки і коефіцієнта тепловіддачі

Таким чином, температура теплосприймаючої стінки є основним показником надійності металевого рекуператора, а коефіцієнти тепловіддачі і  – головними факторами її забезпечення. Це можна показати, якщо сумарний температурний напір розділити на дві частини:  – різниця температур продуктів, що гріють, згоряння металу і  – різницю температури металу й повітря, що нагрівається, зберігаючи при цьому щільність теплового потоку.

Тоді,

де  – сумарний коефіцієнт тепловіддачі продуктів згоряння шляхом конвекції і радіації, .

В цьому випадку температура металічної стінки є самостійним параметром і відношення  можна змінювати в залежності від якості металу і умов тепловіддачі з газовою і повітряною стороною рекуператора. Поверхня нагріву рекуператора Н визначають з формули

,

де К – коефіцієнт теплопередачі, ;  – середня логарифмічна різниця температур гріючих продуктів згорання і повітря.

Максимальна температура металічної стінки визначається не по середнім значенням температури і витрати продуктів згорання і повітря, а для найбільш гарячої сторони рекуператора і з обов’язковим розрахунком нерівномірності тепло сприймання по паралельно включеним елементам.

Нерівномірність теплосприйняття для системи паралельно включених нагрівальних елементів визначається коефіцієнтом

,

де і - більше й середнє теплове навантаження елементів рекуператора, Вт.

Нерівномірність теплосприйняття в багатьох конструкціях металевих рекуператорів часто досягає значень . ............