Регенератор, обычно применяемый в металлургических печах, представляет собой камеру, заполненную кирпичной многорядной решеткой (насадкой), выложенной из огнеупорных кирпичей. Сначала через регенератор пропускают дым, а затем в обратном направлении - воздух или газообразное топливо. Существует оптимальное в теплотехническом отношении время между перекидкой клапанов, т.е. между следующими друг за другом изменениями поступления газообразных сред.

В начале дымового периода температура насадки относительно мала и перепад температур между дымовыми газами и кирпичами насадки значительный. Постепенно насадка нагревается, перепад температур уменьшается и наступает такой момент, когда необходима перекидка клапанов. К этому времени насадка настолько нагревается, что температура ее может находится на грани огнеупорности кирпича. Изменение температуры подогрева воздуха (газа) вызвано постепенным охлаждением насадки в течении воздушного (газового) периода. Наиболее высокая температура подогрева воздуха наблюдается в начале периода, когда температура насадки максимальна.

Требования теплового режима печи к работе регенераторов обусловлены тем, что понижение температуры подогрева воздуха или газа приводит к снижению температуры горения и неблагоприятно влияет на температуру в печи. Поэтому, когда необходимо поддержать температуру в печи достаточно высокой, следует часто делать перекидку клапанов.

Кирпич аккумулирует тепло дымовых газов и передает его нагреваемому воздуху, выполняя тем самым роль посредника в теплообмене между дымом и воздухом.

Количество тепла +Дq, которое кирпич аккумулирует в дымовой период, равно количеству теплоты - Дq, которое кирпич отдает воздуху в воздушный период. Внутренние слои кирпича претерпевают значительно меньшие температурные колебания, чем наружные. Поэтому масса кирпича, с точки зрения его теплоаккумулирующей и теплоотдающей способности, работает неодинаково.

К насадке предъявляются следующие требования, определяющие ее экономичность и эксплуатационные качества:

высокий общий коэффициент теплоотдачи;

минимальное аэродинамическое сопротивление;

максимальная удельная поверхность нагрева;

минимальная опасность засорения;

необходимая строительная устойчивость.

Материал, из которого выполняют насадку, должен характеризоваться соответствующей огнеупорностью, термостойкостью и обладать определенным сопротивлением деформации под нагрузкой при повышенных температурах.

Ячейкой регенеративной насадки называется сечение, свободное для прохода газов и заключенное между четырьмя кирпичами регенератора. Размер ячейки определяется видом и назначением насадки.

Расчет регенераторов проводят на период (цикл) их работы. Основной целью конструкторского расчета является определение общей поверхности нагрева F (и общего объема V_н) насадки регенератора. Из основного уравнения теплопередачи имеем:

(2.1),

, (2.2)

где F - общая поверхность нагрева регенератора, м², f₁ - см. табл. № 1;

, (2.3)

- средняя по высоте насадки разность температур дыма и воздуха. Здесь и далее нижний индекс "д" означает, что данная величина отнесена к горячему дыму (продуктам сгорания), а индекс "в" - к нагреваемому воздуху; верхний один штрих (') соответствует данной величине на входе в регенератор, а (") - на выходе (см. рис 2.1).

Рисунок 2.1 - Схема движения газов в регенераторе.

Тепловой поток Q находится из уравнения теплового баланса

кДж/цикл, (2.4)

где - тепловой поток, полученный от сгорания топлива в течение дымового периода, кДж;

V_д - объемный расход продуктов сгорания, м³/с;

i' и i" - энтальпия дыма на входе и выходе из регенератора, кДж/м³;

- теплота, полученная воздухом от разогретой насадки регенератора в воздушном периоде, кДж;

V_в - объемный расход воздуха через насадку; i_в - энтальпия воздуха кДж/м³;

и - продолжительность дымового и воздушного периодов, с.

Определение коэффициента теплопередачт К_ср составляет основную трудность теплового расчета регенератора. Эти затруднения в основном обусловлены существенным изменением температур газов и насадки в пространстве (по высоте) и времени. Согласно [2, с.180…186] средний за цикл, т.е. за период времени , коэффициент теплопередачи от дыма к насадке и от насадки к воздуху:

, Дж/ (м².К. цикл.) (2.5)

где и - коэффициент теплоотдачи от продуктов к поверхности стенки насадки и от стенки к воздуху, Вт/ (м²·К); - комплекс, по величине которого можно судить о совершенстве данного реального регенератора, при имеем идеальный регенератор, в котором средняя температура поверхности насадки в период нагрева будет такой же в период охлаждения;

- коэффициент теплопроводности материала кирпича, Вт/ (м· град);

- объемная плотность кирпича насадки, кг/м²; - теплоемкость кирпича насадки, кДж/ (кг·град);

Теплофизические и рабочие свойства кирпичей из различных огнеупорных материалов приведены в [1, 4].

- эффективная полутолщина кирпича насадки, м; для прямоугольного кирпича толщиной под понимается /2. Для насадок сложной геометрии вводят понятие эффективной полутолщины, вычисляемой по следующей формуле:

, (2.6)

где: v - удельный объем насадки, м³ /м³;

f₁ - удельная поверхность нагрева, м² /м^3.

Значения , и v для насадок различных типов могут быть определены из табл.1.1 или по [4, рис.62…65].

Если размеры ячейки насадки Каупера выходят за пределы значений, представленных в графиках, то можно использовать следующие формулы [6]:

,

.

где a - сторона квадратной ячейки; 2 - толщина кирпича, м.

Обычно применяемые в практике толщины кирпичей для насадок Каупера доменных воздухонагревателей =40… 60 мм.

- коэффициент гистерезиса температуры насадки, средний по массе в дымовой и воздушный периоды [2].

Для насадок доменных воздухонагревателей значение снижается до 5,0 и менее. Обработка результатов экспериментальных исследований, произведенных на воздухонагревателе доменной печи объемом 2000 м³, дала значение = 2,3 и 5,1 соответственно для верха и низа насадки.

Обычно значение K вычисляют отдельно для верха и низа насадки, затем полученные значения усредняют.

- коэффициент, корректирующий внутреннее тепловое сопротивление насадки при реальных циклических условиях ее работы, зависит от коэффициента аккумуляции тепла з.

В теплотехническом отношении целесообразно, чтобы вся толщина кирпича принимала участие в процессе аккумуляции тепла. Для этого необходимо, чтобы коэффициент аккумуляции тепла в кирпиче насадки >1/3 [2]. Значение , по И.Д. Семикину, находят из выражения

(2.7)

где - число Фурье; - суммарная длительность цикла, с;

а = л/c·с - коэффициент температуропроводности, м²/с.

Если при расчете окажется <1/3, то целесообразно уменьшить толщину кирпича. Даже в практике мартеновских печей известны случаи, когда толщина кирпича уменьшалась до 40…50 мм.

В случае >1/3 для всех насадок рекомендуется принимать значение Ш=1/3, кроме брусковой, для которой Ш=1/4 [1].

Коэффициент теплоотдачи в дымовой период определяют по формуле:

, Вт/ (м²·К), (2.8)

то есть он слагается из лучистой и конвективной составляющих.

Коэффициент лучистой теплоотдачи [2]:

, (2.9)

где - температура продуктов сгорания (дыма) и поверхности (стенки) насадки в К и в ^оС.

Температуру поверхности насадочного кирпича приближенно вычисляют как среднеарифметическую между температурой продуктов сгорания и воздуха , т.е. .

; - приведенная степень черноты;

- степень черноты стенки насадки при температуре и продуктов сгорания при температуре .

Обычно принимают в расчетах = 0,8, а степень черноты дыма находят по графикам [2, с.156 - 157], либо по формуле А.М. Гурвича [9]: без использования диаграмм:

_{г. верх}= 1 - exp ( - Кр S_эф),

где К= (0,8 + 1,6Р_н2о) (1 - 0,00038Т) - спектральный коэффициент ослабления, 1/м;

р= Рсо2 + Рн2о - суммарное парциальное давление излучающих газов, атм.

При известном составе продуктов сгорания (Н₂О и СО₂) и эффективной длине луча, определяемой по формуле:

= 0,15 м, (2.10а)

где эквивалентный (гидравлический) диаметр поперечного сечения насадки:

, м, = 4 (1-0,31) /16,5=0,167 (2.11)

где щ_к - площадь наименьшего поперечного "живого" сечения насадки, м²;

П - "смоченный периметр того же сечения, м. Для квадратной ячейки эквивалентный диаметр равен стороне (размеру) квадратной ячейки.

Излучением воздуха пренебрегаем, ввиду малого содержания в нем трехатомных газов Н₂О и СО₂, поэтому .

Для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией служит расчетная формула [1]:

. (2.12)

Значения А и n приведены в табл.2.1.

Таблица 2.1 - Значение коэффициентов А и n в формуле (2.12)

*Н - высота насадки.

**При меньших значениях Рейнольдса Re значение числа Нуссельта Nu для блочной насадки может быть найдено по [4, рис.59].

В качестве определяющего размера d для насадки Каупера принимаем размер ячейки, а для насадок Сименса, Петерсена и брусковой - эквивалентный диаметр поперечного сечения насадки, определяем по уравнению (2.11):

Для насадки Каупера при отношении H/d<80 вместо формулы (2.12) используем формулу [1]:

, (2.12а)

где Н - высота насадки.

Для насадок доменных воздухонагревателей скорость продуктов сгорания при нормальных условиях принимаем в пределах =1,5…2 м/с, для насадок мартеновских и нагревательных печей =0,7 … 0,8 м/с.

Общая площадь поперечного сечения насадки: м^2,где - удельное живое сечение насадки, м²/м²; - площадь поперечного сечения насадки в свету, м²; - расход продуктов сгорания, проходящих через насадку, м³/с (при нормальных условиях); - скорость дыма в насадке, м/с. Высота насадки

. (2.13)

Масса кирпича в насадке:

, (2.14)

где с - плотность кирпича насадки, кг/м³; v - удельный объем насадки, м³/м³ - смотри таблицу 1 v_н - общий объем, м³ смотри уравнение (2.2).;

Желательно, чтобы коэффициент стройности насадок был в пределах следующих величин:

, (2.15)

Щ - площадь поперечного сечения насадки, м².

При меньшем значении не обеспечивается достаточно равномерная работа объема насадки, что приводит к снижению подогрева воздуха (газа).

Существует оптимальное в теплотехническом отношении время между перекидками клапанов [1].

У воздухонагревателей доменных печей длительность воздушного и дымового периодов связана соотношением

, (2.16)

где - длительность перекидки клапанов; n - число воздухонагревателей в системе.

Для различных воздухонагревателей колеблется в пределах 36…210 мин, а n = 3…4. Время перекидки = 6…9 мин (при полностью автоматизированной перекидке).

Существует оптимальное время между перекидками клапанов, которое определяется по формуле [3]:

? (2.17)

где - потери тепла при перекидке клапанов (с нагретым воздухом или газом, выбрасываемым при перекидке в дымовую трубу), МДж;

- максимальная тепловая мощность, усвоенная насадкой (в начале дымового периода), МВт;

- полная теплоёмкость всей насадки, кДж/град;

F - поверхность нагрева насадки, м²;

- водяной эквивалент или теплоёмкость потока продуктов сгорания, кВт/К;

- расход дыма, м³/с;

, - энтальпия дымовых газов на входе и выходе из насадки, кДж/м³;

, - температура дымовых газов на входе и выходе из насадки, ⁰С;

- поправочный коэффициент для кауперовской насадки (для остальных типов насадок h = 1);

а - размер ячейки, мм; - полутолщина кирпича, мм;

- находим по рис.4.7 приложения 3, взято из [1];

- теплоёмкость потока воздуха, кВт/град;

V_в - расход воздуха, м³/с;

- энтальпия воздуха на входе и выходе из насадки, кДж/кг·⁰С;

- температура воздуха на входе и выходе из насадки, ⁰С.

Найденное по формуле (2.17) значение не должно отличатся от исходного значения , принятого для расчета K на величину более 30%. В противном случае должен быть выполнен повторный расчет K и F с использованием значения .

Как уже отмечалось (см. стр.10) температура дутья на выходе из насадки t"_в в начале воздушного периода максимальна, в конце периода уменьшается на величину ?t"_в = 150…200⁰С. При расчетах обычно задаются перепадом температур ?t"_в, а затем его уточняют по уравнению [1]:

Где постоянная

Если принятая величина ?t"_{в. прин.} Будет отличаться более чем на ± 5% от величины, рассчитанной впоследствии по уравнению) 2.18), то задается новое значение, например, среднеарифметическое ?t"_в= 0.5 (?t"_{в. прин}+ ?t"_в), и делается повторный расчет поверхности нагрева.

3. Соображения об улучшении работы воздухонагревателей