CC BY
25
УДК 621.3.036
ПРОМЫШЛЕННЫЙ УНИФИЦИРОВАННЫЙ РЕКУПЕРАТОР
НА БАЗЕ МОДУЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ «СИЛАЛ» М-1115x460x860-05 И «СИЛАЛ» М-П 230x460x860-1,0 (ТИПОРЯД М-1 И М-П)
Докт. техн. наук, проф. НЕСЕНЧУК А. П., канд. техн. наук МАНДЕЛЬ Н. Л., инженеры ШИШКОВ В. Н., НОВГОРОДОВА Г. С., канд. техн. наук РЫЖОВА Т. В., канд. техн. наук, доц. ПШОНИК М. Г.
Белорусский национальный технический университет, РУП «Минский автомобильный завод»
Технологический коэффициент полезного действия Т||с,;|| печей заготовительного и механосборочного производств машиностроительных и автотракторных предприятий Республики Беларусь сегодня (за редким исключением) составляет 5-17 %. Как показывает анализ, при регенеративном теплоиспользовании он должен быть равен 35-37 %. С учетом внешнего (утилизационного) теплоиспользования при комбинированной схеме величина КПД может доходить до
Лэн = (& + бдопу в<& ~ 40-65 %,
где БОр - технологический коэффициент полезного действия высокотемпературной установки (нагревательная или термическая печь); 2доп -дополнительное количество теплоты, полученное от тепловых ВЭР в устройстве для внешнего теплоиспользования (утилизационная установка); Т|эн - энергетический КПД высокотемпературной установки, работающей по комбинированной схеме теплоиспользования; ^ - теплота, затраченная на нагрев садки перед горячим формообразованием или термообработкой.
Как видим, внедряя схему с регенеративным (внутренним) теплоис-пользованием (подогрев воздуха-окислителя органического топлива), можно сократить удельные затраты топлива в заводских теплотехнологиях нагрева на 10-15 %, помня, что подогрев окислителя до 100 °С позволяет снизить затраты теплоты в среднем на 5 %, а при нагреве до 200-250 °С -на 15 %. При этом достоверно установлено, что основной вклад в мероприятия по снижению удельного расхода органического топлива в теплотех-нологии при регенеративной схеме принадлежит подогреву воздуха-окислителя в металлических теплообменниках рекуперативного типа.
К сожалению, используемые на печах заготовительного и механосборочного производств заводов машиностроительного и автотракторного профилей рекуператоры имеют ряд недостатков технологического и конструкторского характера, что ограничивает их применение, создавая предпосылки для игнорирования регенеративного теплоиспользования. К таким недостаткам металлических рекуператоров следует отнести:
• ограниченное внедрение трубчатых металлических промышленных рекуператоров в высокотемпературных теплотехнологиях машинострои-
тельных и автотракторных заводов, что связано, в первую очередь, с отсутствием возможности его изготовления в условиях конкретного промышленного предприятия. Дело в том, что трубки рекуператора должны быть изготовлены из жаропрочной стали и выдерживать рабочую температуру порядка 700-900 °С. Такую сталь в условиях завода можно изготовить в электропечах. Однако на этом возможности изготовления заканчиваются, так как получить трубчатые элементы рекуператора из этой стали не представляется возможным без наличия трубопрокатного стана. Жаропрочные трубы приходится покупать на стороне, что связано с многими трудностями. В итоге внедрение трубчатого рекуператора в условиях машино- и автотракторостроения республики уже на стадии изготовления трубчатой поверхности теплообмена исключается полностью;
• отказ от стального трубчатого рекуператора (а он исключительно конструктивен и технологичен), обладающего высокой газоплотностью воздушного тракта и пониженной металлоемкостью в сравнении с другими металлическими рекуператорами, к примеру чугунными, имеет лишь одно альтернативное решение - использование чугунного рекуператора, производимого из вторичного (ваграночного) металла.
Такой рекуператор имеет очень много недостатков - это низкая газоплотность воздушного тракта и большая металлоемкость, недостатки эксплуатационного плана (засоряемость поверхности теплообмена окалиной, нетехнологичность сборки).
В итоге к недостаткам, присущим исключительно лишь чугунным рекуператорам, можно отнести:
низкую газоплотность, присущую всем жестким металлоконструкциям. При нагреве отдельных жестко связанных между собой элементов поверхности нагрева до 600 °С в результате неоднородности условий работы и жесткости конструкции в целом возникают чрезмерные напряжения, нарушается газоплотность воздушного тракта на многих (подавляющем большинстве) участках поверхности теплообмена. При этом до 30-40 % воздуха-окислителя направляется в дымовой тракт рекуператора, повышая энергоемкость нагрева;
нетехнологичность сборки и плохие эксплуатационные характеристики, вызванные загрязнением поверхности теплообмена со стороны продуктов сгорания. Они приводят к нарушению первоначальной схемы теплообмена, что выражается в снижении коэффициента теплопередачи с 30-40 до 6-10 Вт/(м2 К). Механизм теплопередачи, лимитируемый теплоотдачей на горячей и холодной сторонах а! и а2 (к = а\а21(о.\ + а2)), теперь уже управляется термическим сопротивлением теплопроводности загрязняющего насоса окалины, полностью исключая определяющее влияние на теплообмен и
Однако, несмотря на, казалось бы, неустранимые и очень серьезные недостатки чугунного рекуператора, сегодня он остается единственным вариантом внедрения на промышленном предприятии регенеративного теп-лоиспользования тепловых отходов (продукты сгорания органического топлива на выходе из рабочего пространства печи) промышленных нагре-
вательных и термических печей. В основу мероприятий по внедрению чугунного рекуператора положено его единственное достоинство - возможность изготовления в условиях завода с использованием ваграночного (вторичного) модифицированного чугуна и отливкой в заводскую форму. Модифицированный жаростойкий и жаропрочный чугун получается за счет добавки в него до 7 % кремния (силал). При этом возможность изготовления промышленного рекуператора непосредственно в заводских условиях полностью решает вопрос в пользу выбора чугунной конструкции. Остается решить проблемы, связанные с общеизвестными недостатками такой конструкции.
Авторами разработан чугунный рекуператор (рис. 1), в котором ранее отмеченные недостатки устранены. По принципу составного металлического литейного кокиля, собранного из большого числа малых элементов взамен массивного литого, поверхность теплообмена авторы представили свободными (не защемленными) многочисленными элементами-модулями (всего предложено две разновидности модулей: «Силал» М-1 115х460х Х860-05 и «Силал» М-П 230x460x860-1,0). Из этих многочисленных модулей собирается поверхность теплообмена. Как и каждый модуль в отдельности, рекуператор в сборе (поверхность теплообмена) не защемлен и при нагреве может перемещаться по направляющим (склизам), не вызывая при этом напряжений ни в модулях, ни в сборной конструкции. Холодный и горячий коллекторы воздуха также могут перемещаться свободно в любом направлении (рис. 2). Свободное размещение модулей и коллекторов (а равно и всей конструкции) обеспечивает начальную (исходную) газоплотность в процессе эксплуатации промышленного рекуператора.
Рис. 1. Общий вид модульного унифицированного промышленного рекуператора
Рис. 2. Общий вид горячего (холодного) коллектора унифицированного промышленного рекуператора (модуль II, «Силал» M-II 230x460x860-1,0)
Для рекуператоров любой тепловой производительности (типоряд по температуре подогрева воздуха: 100; 150; 200; 250 (300) °С и производительности печи по садке: 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 (4,0) и 6,0 т/ч) предлагается только два модуля: М-1 («Силал» М-1 115x460x860-05) и M-II («Силал» M-II 230x460x860-1,0). Модули соответственно состоят из двух и четырех унифицированных чугунных элементов, которые должны изготовляться в виде мелких серий на специализированном участке ориентированного для этих целей промышленного предприятия республики. Сборка модулей выполняется на «мягкой» газоплотной сборке типа МКРВ, исключающей нарушение газоплотности в пределах как модуля (М-I и М-II), так и конструкции в собранном виде.
Сборка модулей М-I и М-II в единое целое достигается с помощью горячего и холодного коллекторов (рис. 2). Нужно заметить, что коллекторы холодного и нагретого воздуха конструктивно не отличаются и взаимоза-менимы (различие наблюдается только в пределах модулей М-I и М-II). Более того, конструкция коллекторов позволяет изменить компоновку поверхности нагрева в части числа ходов (одно- и многоходовой рекуператор). Компоновка рекуператора из модулей М-I и М-II также позволяет обеспечить скорость продуктов сгорания в рекуператоре на уровне 0,5-2,0 м/с, что в свою очередь устраняет немаловажный недостаток рекуператора, обусловленный высоким гидромеханическим сопротивлением дымового тракта (при числе рядов труб п > 4).
Модули поверхности теплообмена «Силал» М-1 115x460x860-05 и «Силал» M-II 230x460x860-1,0 выполнены без оребрения со стороны большего значения коэффициента теплоотдачи (продукты сгорания топлива), что увеличивает проходное сечение газового тракта, снижает вероятность загрязнения поверхности окалиной и улучшает условия ее периодической чистки дробеструйным аппаратом или механическими щетками. Оребре-
(модуль II, «Силал» M-II 230x460x860-1,0)
ние выполнено только на воздушной стороне элементов модулей М-1 и М-11 (трапециевидное либо треугольное продольное ребро).
Итак, конструкция унифицированного чугунного рекуператора собирается из свободно покоящихся модулей, которые не защемлены по отношению друг к другу, а также холодному и горячему коллекторам, свободно покоящимся на специальных каркасных опорах, что позволяет выполнять сочленения коллектора и модуля путем сварки или с помощью специальных соединительных элементов (рис. 3), обеспечивающих газоплотность при температурах до 400 °С включительно (нагретый же воздух имеет температуру на уровне 250-300 °С).
Рис. 3. Соединительный патрубок унифицированного промышленного рекуператора (модуль I, «Силал» М-1 115x460x860-05 и модуль II, «Силал» М-П 230x460x860-1,0)
Как видно, гидродинамическое сопротивление соединительных элементов (рис. 3) по величине не превышает сопротивление трения поверхности с литейной шероховатостью.
Работа воздушного тракта (скорость воздуха-окислителя - 4-7 м/с) обеспечивается высоконапорным (как обычно) вентилятором ВР-12-26 или В-Ц6-28 (рис. 4).
Производительность, тыс м /ч
Рис. 4. Характеристика вентиляторов высокого давления (ВР-12-26 и В-Ц6-28) для модульного унифицированного промышленного рекуператора (модуль I, «Силал» М-1 115х460х Х860-05 и модуль II, «Силал» М-П 230x460x860-1,0) Электропривод к вентиляторам ВР-12-26 (В-Ц6-28) приведен в табл. 1.
Таблица 1
К выбору электрического привода к вентиляторам ВР-12-26 и В-Ц6-28 [1, 2]
Вентилятор Двигатель Масса венти-
Обозначение Номер Диаметр колеса Dном, % Частота вращения идв, мин-1 Тип Мощность, кВ Частота вращения идв, мин-1 лятора (с двигателем), кг
Вентиляторы ВР-12-26 (исполнение 1)
М2,5-1а 2810 4А71А2 0,75 2810 55,7
М2,5-1б 2,5 - 2810 4А71В2 1,1 2810 55,7
М2,5-1в 2810 4А80А2 1,5 2810 58,3
М3,15-1а 2840 4А80В2 2,2 2840 74,3
М3,16-1б 3,15 - 2840 4A90L2 3 2840 83
М3,15-1в 2840 4A100S2 4 2840 90
М4-1а 4 2905 4А112М2 7,5 2905 156
М4-1б 2905 4А132М2 11 2905 195
М5-1а 2940 4A180S2 22 2940 340
М5-1б 5 - 2940 4А180М2 30 2940 360
М5-1в 2940 4Д200М2 37 2940 430
Вентиляторы В-Ц6-28 (исполнение 1)
Л5.090-1а 2850 AHP90L2 3 2850 103
Л5.090-1б 90 2850 АИР10082 4 2850 109
Л5.090-1в 2850 AJHP100L2 5,5 2850 115
Л5.090-1г 2895 АИР112М2 7,5 2895 131
Л5.095-1а 2850 АИР10052 4 2850 109
Л5.095-1б 5 95 2850 АИР1001.2 5,5 2850 115
Л5.095-1в 2895 АИР112М2 7,5 2895 131
Л5.100-1а 2850 АИР100Ь2 5,5 2850 11
Л5.100-1б 100 2895 АИР112М2 7,5 2895 131
Л5.100-1в 2910 АИР132М2 11 2910 157
Л5.105-1а 105 2895 АИР112М2 7,5 2895 131
Л5.105-1б 2910 АИР132М2 11 2910 157
Л6,3.090-1а 2910 АИР132М2 11 2910 226
Л6,3.090-1б 90 2910 AHP160S2 15 2910 272
Лб,3.090-1в 2910 АИР160М2 18,5 2910 287
Лб,3.090-1г 2925 AHP180S2 22 2925 305
Лб,3.095-1а 2910 АИР132М2 11 2910 226
Л6.3.095-1б 6,3 95 2910 AHP160S2 15 2910 272
Л6,3.095-1в 2910 АИР160М2 18,5 2910 287
Лб,3.095-1г 2925 AHP180S2 22 2925 305
Л6,3.100-1а 2910 AHP160S2 15 29)0 272
Л6,3.100-1б 100 2910 АИР160М2 18,5 2910 287
Лб,3.100-1в 2925 АИР18082 22 2925 305
Л6,3.100-1г 2925 АИР180М2 30 2925 325
Л8-а 8 1460 4A132M4 11 1460 375
Л8-б 1465 4A160S4 15 1465 417
Л10-а 10 1470 4A180M4 30 1470 685
Л10-б 1475 4A200M4 37 1475 760
Вентиляторы В-Ц6-28 (исполнение 6)
Л8-1а 1430 4A132M4 11 1460 635
Л8-1б 8 - 1430 4A160S4 15 1465 677
Л8-2а 1600 4A160S4 15 1465 685
Л8-2б Л8-3а Л8-3б 1600 1750 1750 4А160М4 4А160М4 4A180S4 18,5 18,5 22 1465 1470 1470 720 740 760
Окончание табл. 1.
Вентилятор Двигатель Масса венти-
Обозначение Номер Диаметр колеса Dном, % Частота вращения идв, мин-1 Тип Мощность, кВ Частота вращения идв, мин-1 лятора (с двигателем), кг
Л8-4а Л8-4б Л8-5а Л8-5б Л8-6а Л8-6б 8 - 1900 1900 2200 2200 2400 2400 4A180S4 4A180M4 4A200M4 4A200L4 4A200L4 4А225М4 22 30 37 45 45 55 1470 1470 1475 1475 1475 1480 740 760 855 895 895 940
Л10-1а Л10-16 Л10-2а Л10-2б Л10-2в Л10-3а Л10-3б Л10-4а Л10-46 10 - 1440 1440 1600 1600 1600 1800 1800 1875 1875 4A180M4 4A200M4 4A200M4 4A200L4 4А225М4 4А225М4 4A250S4 4А225М4 4A250S4 30 37 37 45 55 55 75 55 75 1470 1475 1475 1475 1475 1475 1480 1475 1480 915 990 1000 1040 1085 1095 1230 1095 1230
Следует отметить, что предлагаемый промышленный рекуператор собирается только из двух модулей поверхности теплообмена М-I и М-II, что делает его унифицированным для всех без исключения высокотемпературных установок (печей, сушил и т. п.) Республики Беларусь, создает предпосылки для организации изготовления централизованного промышленного рекуператора (модули «Силал» M-I 115x460x860-05 и «Силал» M-II 230x460x860-1,0), имеющего типоряд по температуре: 100; 150; 200; 250 (300) °С и по производительности оборудования (промышленной печи): 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 (4,0) и 6 т/ч.
В Ы В О Д
Анализ указывает на необходимость существования на данном этапе заготовительных и механосборочных теплотехнологий машиностроительных и автотракторных предприятий, конструкции чугунного рекуператора, модифицированного кремнием.
При сохранении чугунной конструкции необходимость унификации элементов (модулей) промышленного рекуператора для всего парка печного хозяйства заводов очевидна. В этом плане предлагаются унифицированные единые модули («Силал» M-I 115x460x860-05 и «Силал» M-II 230x460x860-1,0).
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Р а с ч е т нагревательных и термических печей / С. Б. Василькова [и др.]; под ред. В. М. Тымчака, В. Л. Гусовского. - М.: Металлургия, 1983.
2. С п р а в о ч н и к конструктора печей прокатного производства: в 2 т. / А. И. Бергауз [и др. ]; под ред. В. М. Тымчака. - М.: Металлургия, 1970.
Представлена кафедрой промышленной
теплоэнергетики и теплотехники Поступила 10.01.2007
