1.1.7 Установки для регенерации тепла отходящих газов
В высокотемпературной теплотехнологии осуществляется нагрев дутья в широком диапазоне температур: от 200 до 1100-1300ºС. Весь диапазон температур может быть разделен условно на 3 уровня:
Ø 300-400ºС –
обеспечивает наибольший прирост технологической эффективности и достигается использованием
трубчатых металлических рекуператоров;
Ø до 700-800ºС –
обеспечивает интенсификацию процесса горения (соответствует температуре
воспламенения большинства видов топлива) и достигается применением
металлических рекуператоров, выполненных из специальных сталей;
Ø до 1100- 1300ºС –
применяется для плавильных печей и достигается применением керамических
(огнеупорных) теплообменников.
Керамические теплообменники выполняются из фасонных огнеупорных изделий (рисунок 1.22). Принцип работы таких теплообменников одинаков с металлическими рекуператорами и регенераторами.
1 – керамическая трубка, 2 –хвостовик, 3 – гнездо
основания
Рисунок 1.22 – Нагревательный
элемент керамического рекуператора
Поверхность керамического рекуператора набирается из отдельных фасонных элементов. Из-за хрупкости керамических изделий высота отдельных элементов ограничивается, поэтому для получения теплообменника большой высоты хвостовик одного элемента (позиция 2) вставляется в гнездо основания (позиция 3) другого элемента и т.д. Для герметизации места стыковки уплотняется огнеупорной массой.
К недостаткам керамических теплообменников относится:
Ø интенсивное шлакование и разрушение расплавленным уносом (образование легкоплавким уносом);
Ø малая удельная производительность (низкая теплопроводность керамических материалов);
Ø низкая газоплотность (разрушение уплотнительной огнеупорной массы в стыковочных узлах при нагреве и охлаждении теплообменников).
Негерметичность является основным недостатком керамических рекуператоров. Переток воздуха в продукты горения, определяемое его более высоким давлением, может достигать 20-25 %, что увеличивает расход электроэнергии на тягу (дымососы) и дутье (вентиляторы), снижает температурный уровень в рабочей камере (из-за уменьшения коэффициента избытка воздуха в горелочных устройствах), увеличивает потери тепла с уходящими газами.
На величину перетока воздуха влияет схема включения рабочей камеры по тяге и дутью (рисунок 1.23).
Вариант
1 Вариант
2
Рисунок 1.23 – Схемы включения
рекуператора по тяге и дутью
В варианте 1 дутьевой вентилятор и дымосос подключены по холодной (низкотемпературной) стороне. В варианте 2 дутьевой вентилятор подключен со стороны нагретого воздуха (по горячей стороне).
К достоинствам варианта 1 следует отнести малый расход электроэнергии на нагнетание воздуха (дутьевой вентилятор). Однако в этом случае имеет место большая разность абсолютных давлений по воздушной и газовой стороне, определяющая значительные перетоки воздуха в уходящие газы.
Достоинством варианта 2 является малая разность давлений между воздушной и газовой сторонами. К недостаткам следует отнести ограничения по температуре подогрева воздуха (до 300-350ºС) по условиям работы дутьевого вентилятора.
Металлические рекуператоры, в отличие от керамических, обладают высокой (100 %) газоплотностью, химически не взаимодействуют с уносом, имеют высокую теплопроизводительность, что определяет меньшие габариты и, как следствие меньшую стоимость.
Надежность работы металлических рекуператоров
определяется температурой тепловоспринимающей поверхности, которая должна быть
меньше температуры жаростойкости металла 
, из которого выполнен рекуператор:
, (1.68)
где 
- максимальная температура подогрева воздуха в регенераторе,
- плотность
теплового потока,
- коэффициент
теплоотдачи от металлической стенки к воздуху.
Для обеспечения надежной работы металлического рекуператора при прочих равных условиях необходимо увеличивать коэффициент теплоотдачи, который равен:
, (1.69)
где 
- массовая скорость воздуха,
- эквивалентный диаметр
труб металлического рекуператора,
- эмпирические
коэффициенты.
Коэффициент теплоотдачи определяется из критериального уравнения:
, (1.70)
где 
- критерии Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля,
- эмпирические
коэффициенты.
Увеличение массовой скорости 
и уменьшение
эквивалентного диаметра трубок 
позволяет увеличить
коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху. Однако возможность интенсификации
конвективного теплообмена ограничена из-за малой величины эмпирического
коэффициента 
. Лучистый теплообмен в рекуператорах конвективного типа
играет незначительную роль.
Принципиально новым методом интенсификации теплообмена со стороны воздуха является использование радиационного теплообмена от металлической стенки.
Метод заключается в пропуске воздуха по узкому кольцевому каналу, образованному двумя коаксиальными цилиндрами (рисунок 1.24).
Рисунок 1.24 – Металлический
рекуператор радиационного типа
Внутренняя цилиндрическая поверхность нагревается отходящими из ВТТУ газами в основном за счет излучения. Другая поверхность получает тепло от первой за счет радиации (лучистый теплообмен между двумя параллельными бесконечными пластинами). Обе поверхности охлаждаются воздухом, протекающим в кольцевом зазоре, за счет конвекции.
Интенсификация теплообмена достигается:
Ø развитием поверхности охлаждения, так как в передаче тепла воздуху участвуют оба цилиндра;
Ø
применением предельно малых эквивалентных диаметров
(малых размеров зазора 
мм);
Ø высоких скоростей движения воздуха в зазоре (до 25 м/сек).
В радиационных рекуператорах достигается максимальный для металлических подогревателей подогрев воздуха (700-800ºС).
Регенеративные подогреватели (регенераторы) непрерывного и периодического действия выполняются металлическими или из керамических (огнеупорных) материалов (раздел 1.2.1.4). В керамических подогревателях достигается более высокий, чем в металлических, подогрев воздуха (до 1100-1300ºС).