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 Т_м . Рахуючи її для більшої наочності виводів плоскої й зневажаючи тепловим опором металу, можна записати при чистій поверхні нагрівання

де Т_ВЗ - 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 Т_м = 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 . Для зменшення коефіцієнта необхідно знизити теплову й гідравлічну нерівномірність теплосприйняття по паралельно включених нагрівальних елементах. При великій нерівномірності теплосприйняття першого трубного ряду, що перевантажує радіацією газового обсягу й кладки або догоранням газів, необхідно застосовувати попередньо включену захисну петлю.

Чавунні рекуператори

Чавунні рекуператори, переважно голчасті, виконуються з литих труб овального перетину з обтічними по ходу теплоносія голками, розташованими тільки з повітряної або з повітряної й газової сторін труби.

Таблиця 1. Коефіцієнт теплопередачі для умовної розрахункової поверхні чистих труб голчастого рекуператора,

Швидкість продуктів згорання, м/с	Швидкість повітря, м/с
	3	4	5	6
1,0	16,8	17,6	18,1	18,5
1,5	21,7	23,0	23,7	24,1
2,0	26,0	27,4	28,5	29,2
2,5	29,3	31,0	32,1	33,0
3,0	33,0	35,0	36,8	38,0

Більше надійними в експлуатації варто вважати рекуператори із гладкою поверхнею й голками, розташованими тільки з повітряної сторони.

Значення коефіцієнта теплопередачі для умовної розрахункової поверхні чистих труб голчастого рекуператора наведені в табл. 1. В експлуатаційних умовах дійсний коефіцієнт теплопередачі на 20–25% нижче значень, наведених у табл. 1.

Опір голчастих рекуператорів на повітряній стороні становить 300–500 Па, на газовій стороні воно значно менше.

Типове компонування чавунного голчастого рекуператора складається із двох секцій (повітряних ходів), набраних кожна з 12 паралельно включених труб (рис. 2). Численні фланцеві з'єднання складальних чавунних рекуператорів ущільнюють спеціальними прокладками й замазками з азбесту, графіту й рідкого скла. Однак задовільної газової щільності системи досягти при цьому не вдається. Серйозним і непереборним недоліком чавунних голчастих рекуператорів є також більша термічна твердість їхньої конструкції, що в сполученні з нерівномірністю температурних подовжень окремих трубних рядів викликає значні термічні напруги в металі. Ці напруги підсилюються градієнтом температури в голчастих елементах, що досягають 375–425 К.

До чавунних рекуператорів ставляться також так називані термоблоки, які в останні роки застосовуються для печей малої потужності. Термоблок являє собою систему сталевих трубок малого діаметра, залитих чавуном й утворюючим монолітним блоком з каналами для проходу газів. Ці канали розташовані перпендикулярно осям сталевих трубок, по яких нагрівається повітря, що (рис. 3).

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--