ÏÐÎÌÛØËÅÍÍÀß ÝÍÅÐÃÅÒÈÊÀ ¹ 1, 2014 17 Ïîâûøåíèå ýôôåêòèâíîñòè ðàáîòû ðàäèàöèîííîãî ùåëåâîãî ðåêóïåðàòîðà Ñîêîëîâ Á. À., êàíä. òåõí. íàóê, Àáàêèí Ä. À., áàêàëàâð ÍÈÓ ÌÝÈ, 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.  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 ãàçîâ 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.