ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛИ
По принципу работы воздухоподогреватели делятся на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных передача теплоты от потока продуктов сгорания к нагреваемому воздуху происходит непрерывно через разделяющие эти потоки металлические стенки поверхностей нагрева (труб или пластин). В регенеративных воздухоподогревателях имеющаяся металлическая набивка (пластины, шары и т. п.) попеременно то нагревается в потоке дымовых газов, то охлаждается в воздушном потоке, отдавая ему полученную аккумулированную теплоту. Рекуперативные воздухоподогреватели подразделяют по виду применяемого материала на чугунные, стальные и неметаллические, а по конструктивному оформлению — на пластинчатые и трубчатые. У чугунных воздухоподогревателей толщина теплопередающей поверхности обычно равна 6 мм, а у стальных 0,5—2,0 мм. Поверхность нагрева чугунного воздухоподогревателя состоит чаще всего из горизонтальных овальных чугунных труб. Продукты сгорания проходят между трубами, а воздух — внутри труб. Трубы снабжены наружными и внутренними ребрами, увеличивающими их поверхность нагрева. В последние годы чугунные воздухоподогреватели в котлостроении практически не применяются, так как они громоздки, имеют большую массу, обладают плохой технологичностью (невозможность сварки), хрупкостью. К их преимуществу относятся стойкость против коррозии и жаростойкость, позволяющие обеспечить нагрев воздуха до 450 °С.
По уровню нагрева воздуха все воздухоподогреватели делят на низкотемпературные (150—200°С), среднетемпературные (200 — 350 °С), высокотемпературные (350—450 °С) и радиационные (450—700 °С). Одной из первых конструкций стальных воздухоподогревателей были пластинчатые, представляющие собой систему чередующихся вертикальных и горизонтальных каналов из стальных листов толщиной 2—3 мм. По вертикальным каналам протекают газы, а по горизонтальным — воздух вниз или вверх в зависимости от расположения воздухоподогревателя. Ввиду значительной неравномерности температурного поля по всей поверхности отдельных листов происходят их коробление, разрыв сварных швов, уменьшение отверстий, что приводит к их забиванию летучей золой. Все эти недостатки привели к тому, что в настоящее время пластинчатые воздухоподогреватели практически не применяются.
Трубчатые воздухоподогреватели являются наиболее распространенными в СССР для котлов малой и средней мощности. Для их изготовления обычно применяют стальные трубы из Ст20 диаметром 51x1,5; 40Х Х1,5 или 25x1,5 мм. При меньшем диаметре труб воздухоподогреватель имеет меньшие наружные размеры. Тонкостенные трубы нельзя вальцевать и их приваривают к трубным доскам. Трубчатый воздухоподогреватель состоит из пучка параллельных труб, расположенных в шахматном порядке и присоединенных к трубным доскам. Трубы вместе с верхней и нижней трубными досками составляют секцию или куб. Поверхность нагрева зависит от числа труб в кубе и их длины. Воздухоподогреватель может состоять из одного или нескольких кубов. Снаружи воздухоподогреватель имеет плотные стенки и воздухоперепускные короба (рис. 5.8). В вертикальном воздухоподогревателе газ движется внутри труб, а воздух — в межтрубном пространстве; в горизонтальном воздухоподогревателе — наоборот. Для создания поперечого обтекания труб воздухом в вертикальном воздухоподогревателе устанавливают промежуточные трубные доски.
Трубы вставляют в отверстия трубных досок, а концы их приваривают. Промежуточные доски прикрепляют к отдельным трубам на хомутах. Такое крепление промежуточных досок не обеспечивает полной плотности, поэтому наблюдается частичный переток воздуха из одного хода в другой. Это снижает коэффициент использования, который составляет: в воздухоподогревателе без промежуточных досок 0,75—0,8, при одной промежуточной доске 0,7—0,75, при двух — 0,65—0,7. Толщину трубных досок рассчитывают из условия прочности. Доска тем толще, чем меньше промежуток между трубами; обычно его величина около 9 мм. В среднем толщина верхней и нижей досок находится в пределах 15—25 мм, а промежуточных — 5—10 мм. В собранном виде воздухоподогреватель представляет собой жесткую конструкцию.
В зависимости от количества нагреваемого воздуха, требуемой температуры и величины поверхности трубчатые воздухоподогреватели имеют различную компоновку. Нагрев воздуха до 200—250 °С можно достигать в одноходовом воздухоподогревателе, до 350—400°С — в двухходовом или в двухъярусном многоходовом, выполняемом обычно в рассечку с водяным экономайзером (см. рис. 5.8). При нагревании трубы воздухоподогревателя удлиняются в большей мере, чем короба, а тем более колонны каркаса, поэтому крепления трубных досок к каркасу котла и коробам должны быть подвижными, чтобы компенсировать разницу в удлинении. Трубчатый воздухоподогреватель состоит из отдельных секций, которые иногда называют кубами (рис. 5.9). Каждый куб представляет собой законченную конструкцию со своими трубными досками, размеры которых являются кратными ширине газохода. Деление воздухоподогревателя на секции позволяет транспортировать их и упрощает монтаж. При сборке секции воздухоподогревателя устанавливают рядом, чтобы заполнить все сечение газохода. Во избежание перетока воздуха в газы через зазоры между трубными досками соседних секций ставят уплотнительные полосы (компенсаторы).
В зависимости от скорости воздуха и величины поверхности нагрева воздухоподогреватели выполняют одно- и многоходовыми (рис. 5.10). Число ходов и скорость воздуха связаны: при увеличении числа ходов увеличивается скорость воздуха. Применение труб малого диаметра привело к созданию конструкции так называемого малогабаритного воздухоподогревателя. Для сохранения прежнего значения скорости газов с уменьшением диаметра труб необходимо увеличить их число, которое определяется отношением живого сечения для прохода газов к сечению трубы:
При уменьшении диаметра труб коэффициент теплопередачи увеличивается пропорционально изменению диаметра в степени 0,2. Поэтому при снижении диаметра поверхность нагрева несколько уменьшается.
В последние годы иногда применяют так называемые обращенные воздухоподогреватели, в которых в отличие от обычных продукты сгорания проходят в межтрубном пространстве, а нагреваемый воздух — внутри труб (рис. 5.11). Преимущество обращенных трубчатых воздухоподогревателей состоит в том, что трубные доски вынесены из зоны обогрева и работают при более низких температурах. К недостаткам их можно отнести более высокую по сравнению с традиционными загрязненность золой. В ряде случаев при необходимости нагрева воздуха до более высоких температур (400 °С и выше) применяют различные нетрадиционные конструкции воздухоподогревателей: змеевиковые воздухоподогреватели — из плоских и спиральных змеевиков (см. рис. 5.11, в и д), преимущества которых состоят в высокой компактности при относительно большой длине труб и в удачном решении вопросов компенсации температурных удлинений, и радиационные панельные воздухоподогреватели, располагаемые в топке или другой зоне высоких температур.
В последние годы в котлах большой производительности получили широкое распространение регенеративные воздухоподогреватели. Регенеративный вращающийся воздухоподогреватель (РВП) состоит из цилиндрического ротора, медленно вращающегося вокруг вертикальной оси, и из патрубков, через которые к ротору подводятся и отводятся дымовые газы и воздух (рис. 5.12). Находящиеся в роторе вертикальные стальные пластины попеременно то нагреваются проходящим потоком продуктов сгорания, то, попадая в воздушный поток, отдают воздуху полученную от газов теплоту и охлаждаются. Основными преимуществами таких воздухоподогревателей являются их сравнительно малые масса и наружные размеры; главными недостатками — повышенная стоимость изготовления и трудность их уплотнения, вследствие чего в продукты сгорания попадает больше воздуха, чем в воздухоподогревателях трубчатого типа.
Ротор регенеративного вращающегося воздухоподогревателя состоит из большого числа клиновидных секций. Каждая секция представляет собой ряд вертикальных пластин, скрепленных рамкой. Пластины имеют различную форму, обеспечивающую наличие между ними щелей для прохождения продуктов сгорания и воздуха. В показанной на рис. 5.12 конструкции воздухоподогревателя электродвигатель установлен сбоку от ротора. Ротор регенеративного воздухоподогревателя имеет частоту вращения 2—5 мин-1, так что набивка попеременно находится то в газовом, то в воздушном потоке; движение газа и воздуха противоточное.
Поверхность нагрева состоит из специальных пакетов, расположенных по высоте в 2—3 ряда. Каждый пакет установлен в соответствующие ячейки ротора. Такое устройство воздухоподогревателя позволяет легко заменять изношенные элементы. В качестве набивки применяют волнистые листы с толщиной 0,5—1,25 мм (рис. 5.14). Более толстые листы обычно используют только для наиболее холодной части подогревателя, где наблюдается большая опасность газовой коррозии. Конфигурация листов должна обеспечить определенное расстояние между ними для прохода газа и воздуха и хороший коэффициент теплопередачи.
Регенеративные воздухоподогреватели имеют ряд преимуществ: малые габариты и массу, меньшую опасность газовой коррозии. Последнее объясняется тем, что температура набивки в регенеративных подогревателях мало отличается от средней величины температур газа и воздуха даже при загрязнении летучей золой теплопередающих листов. Главное же то, что в этих подогревателях допускается большой износ листов, так как возникающие сквозные отверстия в набивке не являются очагом перетока воздуха. Поэтому набивку меняют лишь при износе, равном 20 % ее массы. По сравнению с трубчатыми эти воздухоподогреватели дают несколько больший присос воздуха в продукты сгорания.
Широкое применение РВП получили благодаря ряду их преимуществ по сравнению с трубчатыми: 1) меньшим затратам металла; 2) возможности использования неметаллической антикоррозийной поверхности нагрева без ухудшения теплообмена; 3) меньшим габаритам по высоте; 4) простоте организации обдувки и промывки поверхности нагрева от золовых отложений. В качестве поверхности нагрева (набивки) используют керамические блоки, эмалированные листы стали, стеклянные и керамические шарики и т. п. Однако вследствие ряда эксплуатационных недостатков эти набивки пока еще не получили широкого распространения. Наряду с достоинствами РВП имеют существенные конструктивные и эксплуатационные недостатки: 1) наличие вращающихся элементов; 2) наличие системы водяного охлаждения ротора и подшипников; 3) сложность уплотнений и повышенные перетоки воздуха в газовый поток (от 10 до 20%).
