Рис. 3. Елемент збірного термоблока конструкції Союзтеплобуду

Слід зазначити, що для виготовлення термоблоків потрібно така ж кількість сталевих труб, як для сталевих трубчастих рекуператорів рівної теплової потужності, а загальна маса одиниці поверхні нагрівання термоблоків в 2–3 рази більше, ніж у чавунних голчастих рекуператорів.

Сталеві трубчасті конвективні рекуператори

Сталь є найбільш перспективним матеріалом для виконання металевих рекуператорів, особливо трубчастих, що пояснюється наступним. Для сучасних нагрівачів дуття необхідно для застосування; підвищеної й високої теплової форсировки, що обумовлює різниця тиску з повітряної й газової сторін рекуператора приблизно 2000–4000 Н/м² . У цих умовах газощільність рекуператора в найбільшій мірі забезпечується звареним трубчастим його виконанням.

Рис. 4. Порівняльна ефективність радіаційного (1) і конвективного (2) теплосприйняття для сталевого рекуператора, в залежності від початкової температури газів

Найбільш доцільна температурна зона застосування, трубчастих конвективних рекуператорів визначається початковою температурою газів не вище 1075–1175 К, оскільки при більш високій температурі газів радіаційна тепловіддача починає перевищувати по інтенсивності конвективну (рис. 4). Ці графіки виконані для наступних умов роботи рекуператора: .

Інтенсифікація тепловіддачі в рекуператорі можлива в основному двома способами: збільшенням швидкості газів або повітря й зменшенням діаметра труб або еквівалентного діаметра каналу – при поздовжньому русі теплоносія в пучку труб або в каналі довільного перетину. Тому в останні роки чітко проявляється тенденція до зменшення діаметра труб з 60–75 до 25–30 мм.

Рекуператори за схемою рис. 5 являють собою вертикальний пучок труб, по яких проходять гази, що гріють. Із зовнішньої сторони труби обмиваються нагрітим повітрям, що, в 3–5 поперечних ходів. Дана схема рекуператора має ряд переваг:

а) мінімальну нерівномірність теплосприйняття при якій практично виключається теплогідравлічна розвірка нагрітої системи;

б) можливість самообдування газової поверхні, особливо, ефективної при вертикальному опускному русі газів і підвищенні їхньої швидкості до 6–8 м/с і більше;

в) сприятливі умови відводу тепла при зовнішньому омиванні повітрям шахового або коридорного пучка труб малого діаметра, оскільки при цьому коефіцієнт тепловіддачі з боку повітря значно вище тепловіддачі газів.

При конструктивній розробці трубчастого конвективного металевого рекуператора необхідно забезпечити необхідну компенсацію температурних подовжень, захист від перегріву вхідної трубної дошки й початкових ділянок труб (див. рис. 5)і захист від низькотемпературної корозії. Останнє здобуває особливе значення при наявності в продуктах згоряння з'єднань сірки (SO₂ iSO₃ ). У цьому випадку варто підвищувати температуру металу у хвостовій секції Т_м до 375–400 К. За комбінованою схемою трубчастого рекуператора (рис. 6) холодне повітря надходить спочатку в першу по ходу газів попередньо включену секцію рекуператора меншого прохідного перетину. Захист від низькотемпературної корозії тут здійснюється за рахунок великої різниці температур T_г-м (газ – метал), тобто більше високої щільності теплового потоку в цій частині поверхні нагрівання. Повітря, нагріте у першої попередньо включеній секції до 350–370 К, повертається у хвостову секцію основного рекуператора, де захист від корозії досягається завдяки зазначеному підвищенню температури повітря. Остаточне нагрівання повітря до необхідної температури відбувається далі в основних секціях рекуператора за схемою противопотоку. При такій схемі одночасно забезпечуються кращі умови охолодження холодним повітрям при великій його швидкості.

Другий спосіб його захисту від низькотемпературної корозії хвостової секції рекуператора можливий при рециркуляції в його системі 20–30% повітря, що подається вентилятором.

Сталеві радіаційні й комбіновані рекуператори

Для того щоб нагрівання дуття довести до 1075–1125 К, рекуперативну установку, або частину її розташовують в області високої температури продуктів згоряння. Тут переважає радіаційна тепловіддача від продуктів згоряння, тому необхідно забезпечити досить інтенсивний відвід тепла повітрям і припустимою температурою металевої стінки.

Рис. 7. Температурні діаграми для одноступінчастої схеми включення високотемпературного рекуператора (а) і двоступінчастої (б)

При температурі 1075–1175 К радіаційна тепловіддача продуктів згоряння втрачає свої переваги в порівнянні з конвективною (див. мал. 5), чим і визначається доцільна кінцева температура продуктів згоряння в радіаційній частині рекуператора Т_п.с 975–1075 К. Разом з тим максимальна початкова температура продуктів згоряння Т_п.с не повинна перевищувати 1275–1375 К, щоб уникнути шлакування поверхонь нагрівання. При більш високій температурі виникають також утруднення при відводі потужних теплових потоків повітрям. Із цього треба, що доцільний перепад температури продуктів згоряння в радіаційній частині рекуператора становить приблизно = 575 К. У цих умовах, виходячи зі співвідношення водяних чисел газів, що гріють, і нагрівання середовища, 1,25–1,35, можливе нагрівання дуттєвого повітря до температури = 675 К.

Таким чином, металевий рекуператор для нагрівання повітря до 1075–1125 К повинен складатися із двох частин: високотемпературної, у якій переважає радіаційна тепловіддача, і низькотемпературної – конвективної. Ці дві частини рекуператора можна розташовувати по газовому тракті безпосередньо одну за іншою або з розривом по температурі газів, створюваним яким або іншим проміжним тепловикористовуючою ланкою агрегату.

На рис. 7. показана температурна діаграма для одноступінчастої схеми включення високотемпературного рекуператора, у якому радіаційна й конвективні частини безпосередньо з'єднуються ода з одною. У цих умовах при початковій температурі газів 1375 К кінцева температура становить 725–775 К. Така температура недостатньо висока для економічно виправданого наступного енергетичного використання тепла, але висока для викиду продуктів згоряння в атмосферу. Слід також зазначити, що при одноступінчастій схемі включення рекуператора в зоні підвищеної температури продуктів згоряння виявляється і конвективна його частина, що ставить під сумнів можливість застосування для неї простої вуглеводної сталі.

Рис. 8. Можливі варіанти комбінованого відводу тепла в радіаційному рекуператорі: а – кільцевий циліндричний, б – трубчатий одноходовий з радіаційною вставкою, в-трубчастий з подвійною циркуляцією повітря

На рис. 7 б показана двоступінчаста схема включення високотемпературного рекуператора (1–2) із проміжним тепловою ланкою (3), що прохолоджує продукти згоряння на завдяки чому температура продуктів, що йдуть в атмосферу, згоряння знижена до 475–525 К.

Для радіаційного металевого рекуператора основним завданням, вирішенням якого визначається його експлуатаційна надійність, а також теплова й економічна ефективність, є інтенсифікація тепловіддачі від стінки до нагріває повітря. При початковій температурі продуктів згоряння Т_п.с. = 1275–1375 К питоме теплове навантаження складає при Т_вз = 1075 К q =15 000–20000 Вт/м² . У цих умовах для забезпечення температури металу Т_м > 1275 К необхідний коефіцієнт тепловіддачі до повітря = 75–100 Вт/(), що в 2,5–3,0 вище, ніж у конвективних рекуператорах. Забезпечити таку інтенсивність відводу тепла підвищенням швидкості повітря важко. У зв'язку із цим, великого значення набуває метод інтенсифікації тепловіддачі від стінки до нагріває середовище (повітря, газ).

Інтенсифікація тепловіддачі здійснюється пропущенням нагріваючого середовища (повітря) по вузькому кільцевому каналі, утвореному двома концентричними циліндричними поверхнями, одна з яких безпосередньо обігрівається продуктами згоряння, а інша одержує від її тепло радіацією. Обидві ці поверхні прохолоджуються повітрям, що рухається з підвищеною швидкістю по вузькому кільцевому каналі з еквівалентним діаметром ( - ширина кільцевої щілини). Таким чином, відвід тепла інтенсифікується розвитком приблизно вдвічі охолоджуваної поверхні, застосуванням гранично малих еквівалентних діаметрів повітряного каналу й деяким підвищенням швидкості повітря, що нагріває.

Існує кілька варіантів такого комбінованого відводу тепла, що розрізняються внутрішнім або зовнішнім обігрівом кільцевого повітряного каналу й пов'язаним із цією зміною співвідношень і ( – діаметр циліндричної поверхні, що обігрівається газами, – діаметр додаткової радіаційної поверхні, що бере участь у тепловіддачі повітря.

Найбільше поширення одержав кільцевий циліндричний радіаційний рекуператор (рис. 8). Він виконується з листової сталі відповідної марки вальцюванням і зварюванням двох концентрично розташованих циліндрів із внутрішніми діаметрами і . При малій товщині стінки й великому діаметрі цих циліндрів (1000–2000 мм) радіусом їхньої кривизни можна зневажити й вважати, що . Ширина кільцевого зазору, по якому повітря рухається найчастіше по спіралі, становить 15–20 мм, тому можна вважати = 1.

Трубчастий одноходовий радіаційний рекуператор (рис. 8.) складається із труб невеликого діаметра, що обігрівають із, зовнішньої сторони (50–75 мм), якими екранується вертикальний газохід. Глуху радіаційну вставку можна виконати з будь-якого жаростійкого матеріалу, зокрема з кераміки.

У трубчастому рекуператорі з подвійною циркуляцією повітря (рис. 8) вплив радіаційної тепловіддачі в комбінованому відводі тепла підсилюється ще більше. Завдяки інтенсивному охолодженню трубчастої вставки необхідна величина знижується вже в 1,5–1,6 рази. У зв'язку із цим опір повітря зменшується більш ніж в 3 рази в порівнянні з рівнопотужним рекуператором із труб того ж діаметра, що використовує для відводу тепла тільки конвективну тепловіддачу. Для розрахунку трубчастих рекуператорів з подвійною циркуляцією повітря можна скористатися методом, запропонованим Ю.И. Розенгартом.