Регенеративные теплообменники

Регенератор обычно применяемый в металлургических печах представляет собой камеру заполненную кирпичной 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. Для мартеновских и нагревательных печей = , причем и в том и в другом случае продолжительность периодов составляет 5 - 10 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 грани огнеупорности 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 к 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. Изменение температуры кирпича в течение дымового и воздушного периодов показано на рис.1, из которого видно, что в течение дымового 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 не превзойдет температуры его центра.

Рис.1. Изменение температуры кирпича в течение дымового и воздушного периодов

Количество тепла + , которое кирпич аккумулирует в дымовой период, равно количеству тепла - , 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:

а) высокий общий коэффициент теплопередачи;

б) минимальное аэродинамическое сопротивление;

в) максимальная удельная поверхность нагрева;

г) минимальная опасность засорения;

д) необходимая строительная устойчивость.

Материал, из которого выполняют насадку, должен характеризоваться соответствующей огнеупорностью, термостойкостью и обладать определенным сопротивлением деформации под нагрузкой при повышенных температурах. В мартеновских печах крайне важное значение имеет способность кирпича насадки выдерживать воздействие железистых шлаков.

Ячейкой регенеративной насадки называется сечение, свободное для прохода газов и заключенное между четырьмя кирпичами регенератора. Размер ячейки определяется видом и назначением насадки. Наибольшее распространение получили насадки, представленные на рис.2.

Рис.2. Насадки регенераторов ( а –насадка Каупера; б – насадка Сименса; в, г – блочные насадки для доменных воздухонагревателей.

Их сравнительные характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1

Сравнительные характеристики насадок регенераторов

Показатели	Тип насадки
Каупера (рис.2, а)	Сименса (рис.2, б)	Блочная для доменных воздухоподогревателей
Рис.2, в	Рис.2, г
Удельная поверхность нагрева, м2/м3	13.5	13,5	38,1	36,8
Объем кирпича насадки, м3/м3	0,54	0,31	0,7	0,58
Живое сечение насадки, М2/м2	0,48	0,42	0,29	0,386

Конструкции регенераторов

Регенераторы состоят из трех конструктивных элементов:

1) основной камеры, ограниченной сводом, стенами и лещадью;

2) насадки, служащей для отбора тепла от продуктов сгорания, аккумуляции этого тепла и передачи его нагреваемому воздуху или газу;

3) наднасадочного и поднасадочного пространств, которые служат для подвода и отвода газов, поступающих в регенераторы.

Наиболее ответственным элементом регенераторов является их насадка. Правильно выбранное соотношение основных размеров насадки и сечения ее ячеек обеспечивает необходимый тепловой режим работы мартеновской печи.

К основным размерам насадок регенераторов относятся высота, ширина и длина. Важное значение для конструкции регенератов имеет правильно выбранное соотношение этих величин.

Высота насадки имеет решающее значение в конструкции и тепловой работе регенератора. При одинаковом объеме насадок и

чем больше ее высота, тем меньше площадь для прохода газов, больше скорость их движения по ячейкам насадки и лучше теплообмен между кирпичом насадки и газами. Поэтому в высоких насадках всегда достигается лучший подогрев воздуха или газа. В то же время у чрезмерно высоких насадок есть и ряд недостатков. С увеличением скорости движения продуктов сгорания в регенераторах стойкость насадки значительно снижается, кирпич быстрее изнашивается (оплавляется). Высокие насадки создают большое сопротивление прохождению дыма и для нормальной тяги требуют строительства более высоких дымовых труб или большего разрежения дымососа. Помимо этого, при высоких насадках приходится сооружать высокие рабочие площадки или заглублять регенераторы в землю, что удорожает строительство печи.

Высота насадки должна быть оптимальной, обеспечивающий необходимый подогрев газа и воздуха при хорошей стойкости кирпичной кладки. Высота насадки определяется «коэффициентом стройности» воздушной насадки:

где - высота насадки, м;

- площадь сечения камеры регенератора, м².

Для мартеновских печей, работающих на высококалорийном топливе (газе, мазуте), с подогревом только воздуха в регенераторах

Для печей, работающих с подогревом газа и воздуха в регенераторах

(меньшие значения относятся к печам максимальной мощности).

При меньшем значении К не обеспечивается достаточно равномерная работа объема насадки, что приводит к снижению подогрева воздуха (газа). Обычно применяемые толщины кирпичей: для насадок доменных воздухоподогревателей

2s = 40 – 60 мм, для насадок мартеновских и нагревательных печей 2s = 65-75 мм.

Для нормального расположения регенераторов в габаритах печного пролета и правильного распределения газов по всему сечению насадки длина насадки обычно принимается в 1,3 – 1,5 раза больше ширины. Получаемая при этом ширина насадки хорошо сопрягается с шириной примыкающего к ней шлаковика. Основные размеры насадки выбирают с учетом размеров кирпича, из которого ее выкладывают, и температурных швов для расширения насадки.

Отступление от оптимальных ширины и длины регенераторов приводит обычно к неравномерному распределению продуктов сгорания по сечению насадки и как следствие – к плохому подогреву в ней газа и воздуха или пониженной стойкости огнеупоров.

Регенераторы мартеновских печей работают в условиях высоких температур и интенсивной шлаковой атаки. Температура дымовых газов на входе в регенератор составляет 1500 – 1600^оС, температура подогрева газа и воздуха 1100 – 1250^оС. Температура продуктов сгорания отходящих из регенераторов составляет 500 – 650^оС. Для улавливания плавильной пыли перед регенераторами предусмотрены как стационарные, так и выдвижные шлаковики. В мартеновских печах устанавливают как однооборотные так и двухоборотные регенераторы. В однооборотных насадках (рис.3, б) верхние 20 рядов обычно выполняют из форстерита, хорошо сопротивляющегося воздействию окислов железа, в нижние – из шамота. Первую по ходу дыма (горячую) камеру двухоборотных насадок изготовляют из форстерита, вторую – из шамота. В однооборотных регенераторах обычно применяют насадку Сименса с ячейками размерами 150х150 и 180х180 мм.

Рис.3. Регенераторы (а – двухоборотный, б – однооборотный)

мартеновских печей.

Регенеративные насадки

Размеры кирпича, из которого делают насадку, например его толщина, а также размеры, характеризующие взаимное расположение кирпичей в насадке (например, величина ячейки), наконец форма кирпичей и их общая компоновка должны обеспечивать:

1) максимальную теплоотдачу в единице объема насадки;

2) длительность срока службы насадки;

3) минимальные затраты на сооружение.

Ячейкой называют самый узкий проход для газов (в горизонтальной плоскости соприкосновения кирпичей). Обычно ячейки квадратные, поэтому их размер обозначают двумя одинаковыми цифрами, например 120х120 мм.

Самую простую насадку Сименса выкладывают из обыкновенного кирпича. Как видно на рис.4,а кирпичи кладут горизонтальными рядами на ребро.

Рис 4. Регенеративные насадки:

а – Сименса колодцами; б – Петерсена; в – Каупера гладкими каналами; г - брусковая

На рис.4, а изображена насадка колодцами – все ячейки расположены по одной вертикали и образуют как бы колодец.

Если ячейки сместить одну относительно другой на полшага, то получится насадка в разбежку или шахматная. Однако ее используют редко, так как она сильно заносится пылью.

Насадка Петерсена немного отличается от насадки Сименса; ее выкладывают из специальных кирпичей рис.4, б с уступами, фиксирующими положение кирпича при кладке.

Брусковую насадку рис.4, г выкладывают как и две предыдущие, но из специального, так называемого брускового кирпича квадратного сечения.

Насадка Каупера совсем другой конструкции и, как видно из рис.4,в ее поверхность нагрева представляет собой сплошные вертикальные колодцы. Горизонтальные поверхности кирпичей соприкасаются и в теплообмене не участвуют.

Насадка создает своеобразные условия для потока газов. Например, насадка Сименса, Петерсена и особенно брусковая сильно турбулизируют поток газов и интенсифицируют теплопередачу конвекцией. Поэтому известные формулы для труб не могут дать при расчете удовлетворительных результатов, и регенеративные насадки необходимо исследовать как самостоятельный объект конвективного теплообмена.

Для этих насадок была получена формула

Nu = A*Reⁿ ( 1)

где Re определяют по размеру кирпича и действительной скорости газов в самом узком сечении насадки.

Для насадки Каупера со сплошными гладкими каналами была получена формула

a_к = 0,021( l_т/0,045)Re^0,8 вт/(м²град) (2)

где l_т – коэффициент теплопроводности газа, вт/м*град).

Исследования показали, что размер ячейки очень слабо влияет на величину конвективного коэффициента теплопередачи.

Как показал опыт, уже в 8 – м ряду от входа газов в насадку теплообмен стабилизируется. Для этого ряда в таблице 2 приведены значения коэффициентов A и n в уравнении (1) для различных регенеративных насадок.

Таблица 2

Значения коэффициентов А и n

Тип насадки	Размер ячейки, мм	А	n	Значение критерия Re
Сименса сплошными каналами	165х165 120х120 50х50	0,2 0.193 0,045	0,61 0,62 0,78	600-13500 650-15000 900-18000
Петерсена 1 полка 20 мм) Петерсена 2 (с полкой 40 мм и уменьшенной высотой)	120х120   120х120	0,034   0,025	0,79   0,8	650-17000   2000-17000

продолжениетаблицы 2

Тип насадки	Размер ячейки, мм	А	n	Значение критерия Re
Брусковая	120х120	0,072	0,74	550-14000
Сименса, шахматная насадка	120х120	0,149	0,68	650-16500
Каупера	Любого размера при	0,02¸0,018 0,046	0,8 0,8	Re>4500 Re=2500¸
Из блочного кирпича с горизонтальными проходами и вертикальными выступами d=0,031 (рис.2,в)	45х45	0,035	0,8	2240-18000
Из блочного кирпича со щелевыми канала-ми и горизонтальными проходами d=0,043 (рис.2,г )	125х25	0,022	0,8	4000-14000

В качестве определяющего размера d для насадки Каупера принимаем размер ячейки, а для насадок Сименса, Петерсена и брусковой – эквивалентный диаметр наименьшего поперечного сечения кирпича

где w_к – площадь наименьшего поперечного сечения кирпича, м²;

П_к – периметр того же сечения кирпича, м.

Для насадки из блочного кирпича с горизонтальными проходами рис.2.в, г) значения d приведены в таблице 2.

Для насадки Каупера при отношении используется формула

(3)

где Н – высота насадки.

Для насадок доменных воздухоподогревателей скорость продуктов сгорания при нормальных условиях принимаем в пределах w = 1,5 – 2 м/с, для насадок мартеновских и нагревательных печей w = 0,7 – 0,8 м/с. Некоторое повышение скорости может быть допустимо для мартеновских печей, снабженных котлами-утилизаторами, где допускается некоторое увеличение тяги, создаваемое дымососами котлов.

Как видно из рис.5, наилучший коэффициент теплопередачи a_v обеспечивает брусковая насадка, что объясняется наличием наибольшего количества горизонтальных щелей по ее длине, турбулизирующих поток. Необходимо отметить, что насадка Петерсона 2 (сплющенная по высоте) несмотря на сильно развитую поверхность нагрева рис.6 дает пониженный по сравнению с насадкой Петерсона 1 коэффициент теплопередачи a_v.

Рис.5Значения объемных коэффициентов теплопередачи конвекцией для различных регенеративных насадок (w_o=1 м/с, температура газов 1200^оС)

Рис 6. Удельная поверхность нагрева Н регенеративных насадок в зависимости от размера ячейки: b – толщина кирпича, мм

Это объясняется близостью горизонтальных поверхностей, слабо обдуваемых газами, и, следовательно, не принимающих активного участия в теплопередаче, а также тем, что узкие горизонтальные щели слабо турбулизируют поток газов.

Наименьшее значение a_v дает насадка Каупера с гладкими каналами, так как в ней отсутствуют турбулизирующие газовый поток элементы.

Там, где опасность засорения невелика, наиболее эффективной является брусковая насадка.

Однако окончательный выбор насадки определяется не только уровнем теплопередачи в ней, но и рядом других условий. Например, насадка Сименса сооружается быстрее, чем брусковая, так как надо меньше класть рядов кирпичей. В насадке Петерсона, кроме того, самим же кирпичом фиксируется при кладке размер ячейки.