Регенеративные насадки

Размеры кирпича, из которого делают насадку, например его толщина, а также размеры, характеризующие взаимное расположение кирпичей в насадке (например, величина ячейки), наконец форма кирпичей и их общая компоновка должны обеспечивать:

1) максимальную теплоотдачу в единице объема насадки;

2) длительность срока службы насадки;

3) минимальные затраты на сооружение.

Ячейкой называют самый узкий проход для газов (в горизонтальной плоскости соприкосновения кирпичей). Обычно ячейки квадратные, поэтому их размер обозначают двумя одинаковыми цифрами, например 120х120 мм.

Самую простую насадку Сименса выкладывают из обыкновенного кирпича. Как видно на рис.4,а кирпичи кладут горизонтальными рядами на ребро.

Рис 4. Регенеративные насадки:

а – Сименса колодцами; б – Петерсена; в – Каупера гладкими каналами; г - брусковая

На рис.4, а изображена насадка колодцами – все ячейки расположены по одной вертикали и образуют как бы колодец.

Если ячейки сместить одну относительно другой на полшага, то получится насадка в разбежку или шахматная. Однако ее используют редко, так как она сильно заносится пылью.

Насадка Петерсена немного отличается от насадки Сименса; ее выкладывают из специальных кирпичей рис.4, б с уступами, фиксирующими положение кирпича при кладке.

Брусковую насадку рис.4, г выкладывают как и две предыдущие, но из специального, так называемого брускового кирпича квадратного сечения.

Насадка Каупера совсем другой конструкции и, как видно из рис.4,в ее поверхность нагрева представляет собой сплошные вертикальные колодцы. Горизонтальные поверхности кирпичей соприкасаются и в теплообмене не участвуют.

Насадка создает своеобразные условия для потока газов. Например, насадка Сименса, Петерсена и особенно брусковая сильно турбулизируют поток газов и интенсифицируют теплопередачу конвекцией. Поэтому известные формулы для труб не могут дать при расчете удовлетворительных результатов, и регенеративные насадки необходимо исследовать как самостоятельный объект конвективного теплообмена.

Для этих насадок была получена формула

Nu = A*Reⁿ ( 1)

где Re определяют по размеру кирпича и действительной скорости газов в самом узком сечении насадки.

Для насадки Каупера со сплошными гладкими каналами была получена формула

a_к = 0,021( l_т/0,045)Re^0,8 вт/(м²град) (2)

где l_т – коэффициент теплопроводности газа, вт/м*град).

Исследования показали, что размер ячейки очень слабо влияет на величину конвективного коэффициента теплопередачи.

Как показал опыт, уже в 8 – м ряду от входа газов в насадку теплообмен стабилизируется. Для этого ряда в таблице 2 приведены значения коэффициентов A и n в уравнении (1) для различных регенеративных насадок.

Таблица 2

Значения коэффициентов А и n

продолжениетаблицы 2

Тип насадки	Размер ячейки, мм	А	n	Значение критерия Re
Брусковая	120х120	0,072	0,74	550-14000
Сименса, шахматная насадка	120х120	0,149	0,68	650-16500
Каупера	Любого размера при	0,02¸0,018 0,046	0,8 0,8	Re>4500 Re=2500¸
Из блочного кирпича с горизонтальными проходами и вертикальными выступами d=0,031 (рис.2,в)	45х45	0,035	0,8	2240-18000
Из блочного кирпича со щелевыми канала-ми и горизонтальными проходами d=0,043 (рис.2,г )	125х25	0,022	0,8	4000-14000

В качестве определяющего размера d для насадки Каупера принимаем размер ячейки, а для насадок Сименса, Петерсена и брусковой – эквивалентный диаметр наименьшего поперечного сечения кирпича

где w_к – площадь наименьшего поперечного сечения кирпича, м²;

П_к – периметр того же сечения кирпича, м.

Для насадки из блочного кирпича с горизонтальными проходами рис.2.в, г) значения d приведены в таблице 2.

Для насадки Каупера при отношении используется формула

(3)

где Н – высота насадки.

Для насадок доменных воздухоподогревателей скорость продуктов сгорания при нормальных условиях принимаем в пределах w = 1,5 – 2 м/с, для насадок мартеновских и нагревательных печей w = 0,7 – 0,8 м/с. Некоторое повышение скорости может быть допустимо для мартеновских печей, снабженных котлами-утилизаторами, где допускается некоторое увеличение тяги, создаваемое дымососами котлов.

Как видно из рис.5, наилучший коэффициент теплопередачи a_v обеспечивает брусковая насадка, что объясняется наличием наибольшего количества горизонтальных щелей по ее длине, турбулизирующих поток. Необходимо отметить, что насадка Петерсона 2 (сплющенная по высоте) несмотря на сильно развитую поверхность нагрева рис.6 дает пониженный по сравнению с насадкой Петерсона 1 коэффициент теплопередачи a_v.

Рис.5Значения объемных коэффициентов теплопередачи конвекцией для различных регенеративных насадок (w_o=1 м/с, температура газов 1200^оС)

Рис 6. Удельная поверхность нагрева Н регенеративных насадок в зависимости от размера ячейки: b – толщина кирпича, мм

Это объясняется близостью горизонтальных поверхностей, слабо обдуваемых газами, и, следовательно, не принимающих активного участия в теплопередаче, а также тем, что узкие горизонтальные щели слабо турбулизируют поток газов.

Наименьшее значение a_v дает насадка Каупера с гладкими каналами, так как в ней отсутствуют турбулизирующие газовый поток элементы.

Там, где опасность засорения невелика, наиболее эффективной является брусковая насадка.

Однако окончательный выбор насадки определяется не только уровнем теплопередачи в ней, но и рядом других условий. Например, насадка Сименса сооружается быстрее, чем брусковая, так как надо меньше класть рядов кирпичей. В насадке Петерсона, кроме того, самим же кирпичом фиксируется при кладке размер ячейки.