Ïîâûøåíèå ýôôåêòèâíîñòè ðàáîòû ðàäèàöèîííîãî ùåëåâîãî ðåêóïåðàòî

ÏÐÎÌÛØËÅÍÍÀß
ÝÍÅÐÃÅÒÈÊÀ
¹ 1,
2014
17
Ïîâûøåíèå ýôôåêòèâíîñòè ðàáîòû
ðàäèàöèîííîãî ùåëåâîãî ðåêóïåðàòîðà
Ñîêîëîâ Á. À., êàíä. òåõí. íàóê, Àáàêèí Ä. À., áàêàëàâð
ÍÈÓ “ÌÝȔ, Ìîñêâà
Ïðåäëîæåíî èñïîëüçîâàòü îðåáðåíèå ðàäèàöèîííîãî ùåëåâîãî ðåêóïåðàòîðà ñî ñòîðîíû
âîçäóõà äëÿ ïîâûøåíèÿ ýôôåêòèâíîñòè åãî ðàáîòû. Ïðåäñòàâëåíà ìàòåìàòè÷åñêàÿ ìîäåëü òàêîãî ðåêóïåðàòîðà, ó÷èòûâàþùàÿ âëèÿíèå îðåáðåíèÿ íà êîýôôèöèåíò òåïëîïåðåäà÷è, íåðàâíîìåðíîñòü òåïëîâîãî ïîòîêà ïî âûñîòå ðåêóïåðàòîðà è ïåðåèçëó÷åíèå èç
ïå÷è. Ïîêàçàíî, ÷òî îðåáðåíèå ðåêóïåðàòîðà ìîæåò çíà÷èòåëüíî óëó÷øèòü åãî õàðàêòåðèñòèêè.
Êëþ÷åâûå ñëîâà: ùåëåâîé ðàäèàöèîííûé ðåêóïåðàòîð, îðåáðåíèå, ìàòåìàòè÷åñêîå ìîäåëèðîâàíèå, èíòåíñèôèêàöèÿ òåïëîîòäà÷è.
Âûñîêîòåìïåðàòóðíûå
òåïëîòåõíîëîãè÷åñêèå óñòàíîâêè çà÷àñòóþ õàðàêòåðèçóþòñÿ âûñîêîé òåìïåðàòóðîé îòõîäÿùèõ èç ðåàêòîðà
ãàçîâ. Äëÿ ïîâûøåíèÿ èõ ýíåðãåòè÷åñêîé ýôôåêòèâíîñòè òåïëîòó îòõîäÿùèõ ãàçîâ ìîæíî
ðåãåíåðèðîâàòü ñ òîïëèâîì èëè îêèñëèòåëåì,
èñïîëüçîâàòü äëÿ ïîäîãðåâà èñõîäíîãî ìàòåðèàëà ëèáî ñ öåëüþ ïîëó÷åíèÿ ïàðà èëè ãîðÿ÷åé âîäû â óñòàíîâêàõ âíåøíåãî òåïëîèñïîëüçîâàíèÿ. Îäèí èç ðàñïðîñòðàíåííûõ âàðèàíòîâ
— ïðèìåíåíèå ðàäèàöèîííûõ ñòàëüíûõ ðåêóïåðàòîðîâ äëÿ ðåãåíåðàöèè òåïëîòû îòõîäÿùèõ ãàçîâ âîçäóõîì, èäóùèì íà ãîðåíèå òîïëèâà.
Ðàäèàöèîííûå ðåêóïåðàòîðû îáëàäàþò ñëåäóþùèìè
ïðåèìóùåñòâàìè:
âîçìîæíîñòüþ
óòèëèçàöèè òåïëîòû ãàçîâ ñ âûñîêîé òåìïåðàòóðîé, íåöèêëè÷íûì ðåæèìîì ðàáîòû, ãàçîïëîòíîñòüþ, ìàëûì àýðîäèíàìè÷åñêèì ñîïðîòèâëåíèåì, íèçêîé çàãðÿçíÿåìîñòüþ òåõíîëîãè÷åñêèì óíîñîì. Âìåñòå ñ òåì îíè
èìåþò ðÿä ñåðüåçíûõ íåäîñòàòêîâ: ãðîìîçäêîñòü êîíñòðóêöèè, áîëüøàÿ ìåòàëëîåìêîñòü,
îòíîñèòåëüíî íèçêèå òåìïåðàòóðû ïîäîãðåâà
âîçäóõà (äî 600 °C), ìàëûå êîýôôèöèåíòû òå3
10
30
Ðåáðà
15
Îáå÷àéêà
30
Ðèñ. 1. Îðåáðåíèå ñòàëüíîé ñòåíêè ðåêóïåðàòîðà
ïëîîòäà÷è ñî ñòîðîíû âîçäóõà è, êàê ñëåäñòâèå, âûñîêèå òåìïåðàòóðû ñòàëüíîé ñòåíêè,
÷òî âûçûâàåò íåîáõîäèìîñòü ïðèìåíåíèÿ äîðîãîñòîÿùèõ ëåãèðîâàííûõ ñòàëåé.
Äëÿ óñòðàíåíèÿ ýòèõ íåäîñòàòêîâ ïðåäëàãàåòñÿ âûïîëíèòü îðåáðåíèå âíóòðåííåé ïîâåðõíîñòè îáå÷àéêè ùåëåâîãî ðåêóïåðàòîðà
ïðîäîëüíûìè ïðÿìîóãîëüíûìè ðåáðàìè (ðèñ. 1).
Ýòî ïîçâîëèò èíòåíñèôèöèðîâàòü òåïëîîòäà÷ó ñ âíóòðåííåé ïîâåðõíîñòè îáå÷àéêè êàê
áëàãîäàðÿ óâåëè÷åíèþ ïëîùàäè ïîâåðõíîñòè
òåïëîîáìåíà, òàê è çà ñ÷åò ÿâëåíèÿ ñðûâà
ïîãðàíè÷íîãî ñëîÿ [1].
Ðåêóïåðàòîð (ðèñ. 2) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé
äâà âåðòèêàëüíî óñòàíîâëåííûõ ñòàëüíûõ
êîíöåíòðè÷åñêèõ öèëèíäðà (1 è 2 ). Âî âíóòðåííåì öèëèíäðå 1 ñíèçó ââåðõ äâèæóòñÿ ãîðÿ÷èå ãàçû èç ïå÷è.  êîëüöåâîì çàçîðå 3
ìåæäó öèëèíäðàìè ñíèçó ââåðõ äâèæåòñÿ
âîçäóõ. Äëÿ åãî ïîäà÷è èñïîëüçóåòñÿ ðàñïðåäåëèòåëüíûé êîðîá 4. Ñ öåëüþ óëó÷øåíèÿ
òåïëîîòäà÷è ñî ñòîðîíû âîçäóõà ê âíóòðåííåìó öèëèíäðó ïðèâàðåíû ïðÿìîóãîëüíûå ðåáðà 5. Äëÿ çàùèòû ðåêóïåðàòîðà îò èçëó÷åíèÿ
ïîäâîäÿùåãî ãàçîõîäà èëè ïå÷íîãî ïðîñòðàíñòâà ñëóæèò âîäîîõëàæäàåìàÿ ãîðëîâèíà [2],
âûïîëíåííàÿ èç ñòàëüíûõ òðóá 6 è êîëëåêòîðîâ 7. Ñíàðóæè ðåêóïåðàòîð ïîêðûò ñëîåì
òåïëîèçîëÿöèè 8, êîíñòðóêöèÿ îïèðàåòñÿ íà
ñòàëüíîé êàðêàñ 9.
Äëÿ îïèñàíèÿ ðàáîòû ðåêóïåðàòîðà ñîñòàâëåíà ìàòåìàòè÷åñêàÿ ìîäåëü, ñ ïîìîùüþ
êîòîðîé ðàññ÷èòûâàåì ñëåäóþùèå ïðîöåññû:
1. Òåïëîîáìåí èçëó÷åíèåì. Âûïîëíÿåì ïîçîííûé ðàñ÷åò ñ ïîìîùüþ ðàçðåøàþùèõ óãëîâûõ êîýôôèöèåíòîâ èçëó÷åíèÿ ïî ìåòîäèêå,
îïèñàííîé â [3]. Âñå òåëà ñ÷èòàåì ñåðûìè.
Ñòåïåíü ÷åðíîòû ãàçîâ âû÷èñëÿåì ïî ôîðìóëàì [4] â çàâèñèìîñòè îò òåìïåðàòóðû ãàçîâ
è äîëè òðåõàòîìíûõ ãàçîâ. Ïðè ðàñ÷åòå ðàç-
18
ÏÐÎÌÛØËÅÍÍÀß
ÝÍÅÐÃÅÒÈÊÀ
¹ 1,
2014
Îòõîäÿùèå ãàçû
D3 = D1
Ãîðÿ÷èé
âîçäóõ
B
1
2
3
H2
8
9
5
D2
4
Õîëîäíûé
âîçäóõ
H1
6
D1
Îõëàæäàþùàÿ âîäà
7
Ãîðÿ÷èå ãàçû èç ïå÷è
Ðèñ. 2. Ñõåìà ðàäèàöèîííîãî ðåêóïåðàòîðà
ðåøàþùèõ óãëîâûõ êîýôôèöèåíòîâ èñïîëüçóåì ìåòîä îäíîêðàòíîãî îòðàæåíèÿ. Ãåîìåòðè÷åñêèå óãëîâûå êîýôôèöèåíòû ðàññ÷èòûâàåì
àíàëèòè÷åñêèì ìåòîäîì [5].
2. Ïåðåäà÷à òåïëîòû îò îðåáðåííîé ïîâåðõíîñòè âíóòðåííåãî öèëèíäðà ê âîçäóõó. Ðàñ÷åò
ïðîâîäèì ïî ôîðìóëàì [1].
3. Ïîòåðè òåïëîòû â îêðóæàþùóþ ñðåäó
÷åðåç èçîëÿöèþ. Ðàññìàòðèâàåì îäíîìåðíóþ
çàäà÷ó. Èçîëÿöèÿ — äèàòîìèòîâàÿ, òîëùèíà
— 0,2 ì.
4. Ïîòåðè òåïëîòû ÷åðåç îõëàæäàåìóþ ãîðëîâèíó. Çàäàåìñÿ òåìïåðàòóðîé îõëàæäàåìîé
ïîâåðõíîñòè.
Ìàòåìàòè÷åñêàÿ ìîäåëü ðåàëèçîâàíà â
âèäå ïðîãðàììû íà ÿçûêå Visual Basic íà îñíîâå ìåòîäîâ êîíòðîëüíîãî îáúåìà è ïîñëåäîâàòåëüíûõ ïðèáëèæåíèé. Ïðè çàäàííûõ
ïîëüçîâàòåëåì ãåîìåòðè÷åñêèõ ïàðàìåòðàõ è
âõîäíûõ òåìïåðàòóðàõ ñ ïîìîùüþ ïðîãðàììû
ìîæíî ðàññ÷èòàòü ïîëÿ òåìïåðàòóð, ñêîðîñòåé è äð.
Ñ èñïîëüçîâàíèåì ìàòåìàòè÷åñêîé ìîäåëè
áûë ðàçðàáîòàí ðåêóïåðàòîð äëÿ ïå÷è, ïî3
òðåáëÿþùåé 0,5 ì /ñ ïðèðîäíîãî ãàçà. Òåì-
ïåðàòóðà îòõîäÿùèõ èç ïå÷è ãàçîâ ðàâíà
1700 °C. Òåõíîëîãè÷åñêèå ãàçû îòñóòñòâóþò. Â
ðåçóëüòàòå ðàñ÷åòîâ ïîëó÷åíû:
1. Ïàðàìåòðû ðàáîòû ðåêóïåðàòîðà: òåìïåðàòóðà ãàçîâ íà âõîäå — 1700, íà âûõîäå
— 1106 °C, íà÷àëüíàÿ òåìïåðàòóðà âîçäóõà —
15 °C, òåìïåðàòóðà ïîäîãðåâà âîçäóõà — 835 °C,
ìàêñèìàëüíàÿ òåìïåðàòóðà ñòàëüíîé ñòåíêè —
947 °C, ñêîðîñòü âîçäóõà (íà âõîäå è âûõîäå)
— 14,7 è 41,7 ì/ñ, ñêîðîñòü ãàçîâ (íà âûõîäå
è âõîäå) — 10,7 è 18,9 ì/ñ, êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è îò ïëîñêîé ñòåíêè ê âîçäóõó —
34,4 ¸ 43, êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è ñ ïîâåðõíîñòè ðåáåð ê âîçäóõó — 107 – 153 Âò/(ì × Ê),
îò âíóòðåííåé ïîâåðõíîñòè îáå÷àéêè ê âîç2
äóõó (ñ ó÷åòîì îðåáðåíèÿ, îòíåñåííûé ê 1 ì
2
íåîðåáðåííîé ñòåíêè) — 314 ¸ 394 Âò/(ì × Ê),
âûñîòà
îáå÷àéêè
H2 – 10 ì,
ãîðëîâèíû
H1 – 0,5 ì, äèàìåòð ãîðëîâèíû D2 – 1,7 ì,
îáå÷àéêè D1 – 1,9 ì, øèðèíà êîëüöåâîãî çàçîðà äëÿ ïðîõîäà âîçäóõà B — 0,09 ì (ñì.
ðèñ. 2).
2. Òåïëîâîé áàëàíñ ðåêóïåðàòîðà, ÌÂò (%):
ïðèõîä — òåïëîòà ãàçîâ íà âõîäå â ðåêóïåðàòîð — 15,29 (89,2), ïåðåèçëó÷åíèå èç ïå÷è —
ÏÐÎÌÛØËÅÍÍÀß
ÝÍÅÐÃÅÒÈÊÀ
¹ 1,
2014
19
2000
Òåìïåðàòóðà, °Ñ
1600
1
1200
3
800
2
400
4
0
2
4
6
Âûñîòà ðåêóïåðàòîðà, ì
8
10
Ðèñ. 3. Ãðàôèêè èçìåíåíèÿ òåìïåðàòóð îòõîäÿùèõ ãàçîâ (êðèâàÿ 1 ), âîçäóõà (êðèâàÿ 2 ), âíóòðåííåé îáå÷àéêè (êðèâàÿ 3 ) è îõëàæäàåìîé ãîðëîâèíû (êðèâàÿ 4 ) ïî âûñîòå ðåêóïåðàòîðà
1,86 (10,8); ðàñõîä — òåïëîòà îòõîäÿùèõ èç
ðåêóïåðàòîðà ãàçî⠗ 10,01 (58,4), òåïëîòà,
ïåðåäàííàÿ âîçäóõó, — 6,24 (36,4), ïîòåðè òåïëîòû ñ îõëàæäåíèåì íèæíåé ÷àñòè ðåêóïåðàòîðà — 0,84 (4,9), ïîòåðè òåïëîòû ÷åðåç
íàðóæíûå îãðàæäåíèÿ ðåêóïåðàòîðà — 0,05
(0,3).
3. Íà ðèñ. 3 ïîêàçàíû ãðàôèêè èçìåíåíèÿ
òåìïåðàòóð. Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà ñâèäåòåëüñòâóþò: îðåáðåíèå ñòåíêè ðåêóïåðàòîðà ïîçâîëÿåò
íà ïîðÿäîê óâåëè÷èòü êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è ñî ñòîðîíû âîçäóõà è, ñëåäîâàòåëüíî,
èñïîëüçîâàòü òåïëîòó ãàçîâ ñ áîëåå âûñîêîé
òåìïåðàòóðîé, ïîäîãðåâàòü âîçäóõ äî áîëåå
âûñîêèõ òåìïåðàòóð, ñíèçèòü òåìïåðàòóðó
ñòåíêè ðåêóïåðàòîðà è óìåíüøèòü åãî ðàçìåðû. Âñå ýòî ïîäòâåðæäàåò âûñîêóþ ýôôåêòèâíîñòü îðåáðåíèÿ ñòàëüíîãî ðàäèàöèîííîãî
ùåëåâîãî ðåêóïåðàòîðà ñî ñòîðîíû âîçäóõà.
Ðàçðàáîòàííàÿ ïðîãðàììà ðàñ÷åòà ìîæåò
áûòü
èñïîëüçîâàíà
ïðè
ïðîåêòèðîâàíèè
Âíèìàíèþ
ñòàëüíûõ ðàäèàöèîííûõ ðåêóïåðàòîðîâ
ðàçëè÷íûõ ïðîìûøëåííûõ ïå÷åé.
äëÿ
Ñïèñîê ëèòåðàòóðû
1. Åôèìîâ À. Ë., Áåðåæíàÿ Î. Ê., Äàíèëèíà À. Â. Ðàñ÷åò è èíòåíñèôèêàöèÿ òåïëîîáìåíà â ïðîìûøëåííûõ òåïëîîáìåííèêàõ: Ó÷åá. ïîñîáèå. — Ì.:
Èçä-âî ÌÝÈ, 2005.
2. Òåáåíüêîâ Á. Ï. Ðåêóïåðàòîðû äëÿ ïðîìûøëåííûõ
ïå÷åé. — Ì.: Ìåòàëëóðãèÿ, 1975.
3. Âûñîêîòåìïåðàòóðíûå òåïëîòåõíîëîãè÷åñêèå ïðîöåññû è óñòàíîâêè: Ó÷åá. äëÿ âóçîâ / È. È. Ïåðåëåòîâ, Ë. À. Áðîâêèí, Þ. È. Ðîçåíãàðò è äð. Ïîä ðåä.
À. Ä. Êëþ÷íèêîâà. — Ì.: Ýíåðãîàòîìèçäàò, 1989.
4. Òåïëîâîé ðàñ÷åò êîòåëüíûõ àãðåãàòîâ (íîðìàòèâíûé
ìåòîä) / Ïîä ðåä. Í. Â. Êóçíåöîâà è äð. — Ì.:
Ýíåðãèÿ, 1973.
5. Èñà÷åíêî Â. Ï., Îñèïîâà Â. À., Ñóêîìåë À. Ñ. Òåïëîïåðåäà÷à: Ó÷åá. äëÿ âóçîâ. 4-å èçä., ïåðåðàá. è
äîï. — Ì.: Ýíåðãîèçäàò, 1981.
AbakinD@yandex.ru
÷èòàòåëåé!
Âû ìîæåòå ïðèîáðåñòè
ýëåêòðîííóþ âåðñèþ æóðíàëà “Ïðîìûøëåííàÿ ýíåðãåòèêà”
(äî 2014 ã.).
Çàÿâêè ñëåäóåò ïðèñûëàòü ïî àäðåñó:
115280, Ìîñêâà, 3-é Àâòîçàâîäñêèé ïðîåçä, ä. 4, êîðïóñ 1.
Òåëåôîíû äëÿ ñïðàâîê: (495) 234-74-49, 234-74-18, 234-74-20.