Институт газа НАН Украины
Современные тенденции конструирования металлических рекуператоров со вставками для повышения энергоэффективности печных агрегатов
К.В. Агеев, с.н.с.
Аннотация
Рассмотрены основные подходы в конструировании и приведены типичные конструкции рекуператоров для нужд промышленности. Предложена классификация рекуператоров на основе аэродинамических схем движения нагреваемого воздуха для интенсификации теплообмена на воздушной стороне. Показано, что одной из современных тенденций в конструировании рекуператоров является комбинирование различных схем взаимного движения дымовых газов и воздуха в рекуператорах, создание многозаходных теплообменников, интенсификация теплоотдачи на воздушной стороне за счет использования теплообменных труб фасонного сечения и изогнутого профиля, установки оребрений, применения технологии импактных струй для создания общего турбулентного вихря.
Отмечено, что значительное повышение скоростей нагреваемого воздуха на входе в рекуператор (создание высокоскоростных теплообменников) применялось ранее лишь в системах горелочных устройств. Показано, что в конструировании высокотемпературных рекуператоров для крупногабаритных печей обычно прибегают к традиционной компоновке, а модернизация рекуператоров за счет установки в них активных перфорированных вставок может применяться для средних и компактных теплообменников. Приведены классификации рекуператоров по различным классификационным признакам, указаны трудности при их сравнении.
Предложена классификация конструкций рекуператоров, в основу которой положена аэродинамическая схема, используемая для повышения эффективности теплоотдачи на воздушной стороне, а также предложено конструктивное решение для формирования в рекуператоре турбулентного вихревого движения нагреваемого воздуха за счет совместного действия истекающих из перфорированной вставки струй и дополнительных завихрителей.
Ключевые слова: аэродинамическая схема рекуператора, турбулентный вихрь, импактные струи, распорки-завихрители.
Агеєв К.В. Сучасні тенденції конструювання металевих рекуператорів із вставками для підвищення енергоефективності пічних агрегатів
Розглянуто основні підходи в конструюванні та наведено типові конструкції рекуператорів для потреб промисловості. Запропоновано класифікацію рекуператорів на основі аеродинамічних схем руху повітря, що нагрівається, для інтенсифікації теплообміну на повітряній стороні. Показано, що однією із сучасних тенденцій у конструюванні рекуператорів є комбінування різних схем взаємного руху димових газів і повітря в рекуператорах, створення багатозаходних теплообмінників, інтенсифікація тепловіддачі на повітряній стороні за рахунок використання теплообмінних труб фасонного перетину і зігнутого профілю, установки ребер, застосування технології імпактних струменів для створення загального турбулентного вихору. Зазначено, що значне підвищення швидкостей повітря, що нагрівається, на вході в рекуператор (створення високошвидкісних теплообмінників) застосовувалося раніше лише в системах пальникових пристроїв.
Показано, що при конструюванні високотемпературних рекуператорів для великогабаритних печей зазвичай удаються до традиційного компонування, а модернізація рекуператорів за рахунок встановлення в них активних перфорованих вставок може застосовуватися для середніх і компактних теплообмінників. Наведено класифікації рекуператорів за різними класифікаційними ознаками, вказано на труднощі при їх порівнянні. Запропоновано класифікацію конструкцій рекуператорів, в основу якої покладено аеродинамічну схему, використовувану для підвищення ефективності тепловіддачі на повітряній стороні, а також запропоновано конструктивне рішення для формування в рекуператорі турбулентного вихрового руху повітря, що нагрівається, за рахунок спільної дії струменів, що витікають з перфорованої вставки, і додаткових завихрювачів.
Ключові слова: аеродинамічна схема рекуператора, турбулентний вихор, імпактні струмені, розпорки-завихорювачі.
Ageev K.V. Modern Design Trends of Metal Recuperators with Inserts for Furnaces Units Energy Efficiency Increase
The main approaches in recuperator designing are considered, and typical constructions of recuperators for the industrial needs are displayed. The classification of recuperators based on aerodynamic schemes of heated air movement to intensify the heat exchange on the air side is proposed. It is exhibited that one of the modern tendencies in recuperators design is a combination of different schemes of mutual motion of flue gases and air in the recuperators, the creation of multiple turning heat exchangers, heat transfer enhancement on the air side through the use of heat exchange tubes of shaped cross-section and a curved profile, installation of finning, the application of technology of impinging jets to create an overall turbulent vortex.
It is noted that a significant increase in velocities of the heated air entering the recuperator (the creation of high-speed heat exchangers) was used previously only in burner devices systems. It is displayed that the designers usually resort to the traditional layout in the high-temperature recuperators designing for large-sized furnaces and the modernization of recuperators by installing of active perforated inserts can be applied for medium and compact heat exchangers. The classifications of recuperators on various classification criteria are given, the difficulties when comparing them is demonstrate. The classification of the recuperator designs, which is based on aerodynamic scheme, used to improve the efficiency of heat transfer on the air side, is proposed, and also a design solution to generate in the recuperator a turbulent vortex motion of heated air through the joint action of the jets which outflow from the perforated insert and additional swirlers is suggested.
Key words: recuperator aerodynamic scheme, turbulent vortex, impinging jets, cross-bar swirlers, energy efficiency.
Согласно анализу докризисных показателей потребления природного газа отраслями национальной экономики Украины, основными его потребителями в порядке убывания являются горно-металлургический комплекс, химическая и нефтехимическая промышленность, машиностроение [1]. В настоящее время в машиностроении работают тысячи печных агрегатов для нагрева заготовок под ковку, штамповку, термическую обработку: закалку, отпуск, нормализацию.
Плавильные и нагревательные печи промышленных предприятий являются одними из наиболее крупных потребителей топлива в стране. По данным Министерства промышленной политики Украины, в докризисное время потребление природного газа в прокатном производстве составляло 1,2 млрд м, такие же объемы, из которых значительная часть использовалась в нагревательных и термических печах, потреблялись на предприятиях машиностроения. Большинство печей имеют низкий термический КПД, иногда в пределах 15-25%, что обусловлено большими потерями теплоты с отходящими продуктами сгорания, которые составляют 50-60% теплоты, подводимой в печь [2].
Согласно докладу Института экономики и прогнозирования НАН Украины, экономический рост Украины в 2000-2008 гг. происходил за счет восстановительных процессов и не был связан со структурными преобразованиями в экономике, а базировался на созданных в советское время производственных мощностях, консервировал устаревшую производственную структуру [3]. Указанные процессы экономического роста определялись внешней благоприятной конъюнктурой краткосрочного характера на внешних рынках химической и металлургической продукции - основных товарных группах украинского экспорта [4].
Однако в настоящее время высокозатратные и капиталоемкие мероприятия экономии энергоносителей - природного газа в промышленности такие, как переход при выплавке стали с мартеновского на конвертерный процесс, частичная или полная замена природного газа на пылеугольное топливо и введение в строй систем непрерывного литья заготовок, использование внутренних энергоресурсов, - не подкреплены бюджетным финансированием, следовательно, перекладываются на оборотные средства хозяйствующих субъектов и являются невыполнимыми в краткосрочной перспективе.
Поэтому в качестве малозатратных энерготехнологических мероприятий, экономически рентабельных даже в условиях перманентного экономического кризиса, согласно "Отраслевой программе энергоэффективности и энергосбережения на период до 2017 г." Минпромполитики, предлагаются следующие: повышение эффективности использования топлива в печах для нагревания и выплавки металла и в других печных агрегатах посредством подогрева воздуха для горения за счет использования теплоты уходящих газов в рекуператорах, рекуперативная утилизация тепла на стендах подогрева ковшей и в хозяйстве прокатных станов, утилизация физической теплоты внутренних энергоресурсов и др. [5].
Поскольку срок окупаемости данных предложений составляет, по докризисным оценкам [1], меньше 1 года, изучение современных тенденций их конструирования, основных принципов повышения эффективности теплообмена на воздушной стороне, а также разработка и внедрение таких малозатратных энергосберегающих предложений, в частности рекуперативных легких высокотемпературных теплообменников, является актуальной научной задачей.
Современные теоретические представления о процессе теплопередачи в рабочем пространстве печи как о радиационно-конвективном режиме теплообмена, в отличие от представлений этого процесса как основанного преимущественно на передаче лучистой энергии (радиационный режим), показывают, что основной вклад в интенсификацию теплообмена вносит аэродинамика движения газов, определяющая линии их тока, степень турбулентности в определенных местах дымовых каналов и местные аэродинамические сопротивления печи [6].
Повышение энергоэффективности работы металлических трубчатых рекуператоров на стороне дымовых газов может достигаться за счет увеличения поверхности теплообмена (диаметров либо длины нагреваемых труб рекуператоров), изготовления рекуператоров с фасонными нагреваемыми поверхностями, использования изогнутых трубных пучков [7]. Повышение энергоэффективности рекуператоров может достигаться в том числе за счет размещения нагреваемых труб рекуператоров в дымовых каналах печей под углами, обеспечивающими максимально эффективный теплообмен с дымовыми газами (обычно перпендикулярно их движению), за счет интенсификации процессов конвективного теплообмена на воздушной стороне рекуператора посредством увеличения скоростей воздуха либо увеличения пути его движения вдоль нагретой стенки (рекуператоры для больших металлургических печей и многозаходные рекуператоры) [8] или посредством размещения различных вставок в рекуператоры и оребрений для повышения турбулентности потока.
Известны классификации теплообменного оборудования, основанные на различных отличительных характеристиках. Так, по принципиальной конструкции теплообменников выделяют следующие типы теплообменников: типа "труба в трубе", кожухотрубные, пластинчатые теплообменники, пластинчато-ребристые или матричные теплообменники, теплообменники со вспомогательными техническими средствами и теплообменники специализированных конструкций (других типов) [9].
По схеме движения дымовых газов и воздуха в рекуператорах выделяют рекуператоры, построенные по схеме прямотока, противотока, перекрестного тока и комбинации перекрестного тока с прямотоком либо противотоком [10]. По материалу рекуператоров и режимам теплообмена выделяют конвективные рекуператоры из чугунных труб, термоблоки (чугунно-стальные рекуператоры), чугунные рекуператоры из гладких стальных труб, радиационные и комбинированные рекуператоры [8].
При анализе рассмотренных конструкций рекуператоров используется предлагаемая автором классификация на основе применяемых в них аэродинамических схем движения нагреваемого воздуха для интенсификации теплообмена на воздушной стороне рекуператора.
Традиционные рекуператоры
Обзор по изобретениям России (данные Федерального института промышленной собственности, РФ), Украины (данные ГП "Украинский институт промышленной собственности", стран СНГ и дальнего зарубежья (European Patent Office), а также обзор литературы дает основание говорить о том, что до 1970-х годов металлические рекуперативные теплообменники в СССР разрабатывались на основе традиционных подходов, использовалась аэродинамическая схема, где нагретый и нагреваемый воздух подаются на разных уровнях либо попеременно, подобно регенераторной системе мартеновских печей, в пространство теплообменника [11]. В подобном направлении двигалось и зарубежное научное сообщество [12].
Схема рекуператора "обдув пластины"
Так, известен пластинчатый рекуперативный теплообменник с перекрестным током (рис. 1), представляющий собой конструкцию из теплообменных пластин 5, соединенных известным способом (болтами либо сваркой) с холодными 3 и горячими 4 переборками (пластинами) [12]. Теплообменные пластины и переборки формируют перекрестно расположенные каналы: горячий 1 для потока дымовых газов и холодный 2 для охлаждающего воздуха. В рекуператор подают перекрестно направленные потоки газов и воздуха, при этом за счет теплопередачи и конвекции достигается утилизация тепла дымовых газов за счет разогрева и охлаждения теплообменных пластин 5.
Пластинчатые рекуператоры используются при температурах подогрева теплоносителя до 150-273°С, состоят из ряда параллельных гофрированных пластин, обеспечивающих турбулизацию потока, а также обладающих достаточной жесткостью. Последнее условие требует изготовления самих пластины в ограниченной номенклатуре толщин (0,1-1 мм), типоразмеров для строго определенной области применения [9].