Конструкция и расчет регенеративного вращающегося воздухоподогревателя

1. Конструкция и расчет регенеративного вращающегося воздухоподогревателя.

Воздухоподогреватели по конструкции  выполняются трубчатыми (рекуперативные) и пластинчатыми (регенеративные).

Рекуперативные воздухоподогреватели имеют неподвижную трубчатую поверхность нагрева, через которую непрерывно передается теплота от продуктов сгорания к нагреваемому воздуху.

В регенеративных воздухоподогревателях  пластинчатая поверхность нагрева  вращается и омывается попеременно  продуктами сгорания и воздухом, вначале  нагреваясь и затем охлаждаясь, отдавая  теплоту нагреваемому воздуху.

Воздухоподогреватель работает с  наименьшим температурным напором между греющими продуктами сгорания и нагреваемым воздухом и имеет низкий коэффициент теплопередачи по сравнению с другими поверхностями котла. Поэтому поверхность нагрева воздухоподогревателя превышает суммарную поверхность нагрева всех элементов водопарового тракта и для котла мощного блока достигает десятков и сотен тысяч квадратных метров.

Трубчатый воздухоподогреватель (ТВП) имеет вертикально расположенную  трубную систему (рис. 2.13), выполненную из стальных труб наружным диаметром 30…40 мм при толщине стенки 1,2…1,5 мм. Трубы прямые вертикальные, концами приварены к трубным доскам и расположены в шахматном порядке.

Внутри труб движутся продукты сгорания (продольное омывание), теплота которых передается воздуху, движущемуся между трубами (поперечное смывание). Для образования перекрестного тока воздуха трубная система по высоте делится на несколько ходов промежуточными перегородками - досками; в местах поворота

Рис. 2.13. Конструкция трубчатого воздухоподогревателя: 1 - стальные трубы; 2, 6 - верхняя и  нижняя трубные доски; 3 - компенсатор  тепловых расширений; 4 - воздухоперепускной короб; 5 - промежуточная трубная доска; 7 - опорные колонны; 8 - горизонтальные балки.

установлены воздушные перепускные короба. Воздухоподогреватель с боков имеет наружные стальные плотные стенки. Нижняя трубная доска опирается на металлическую раму, связанную с каркасом котла.

Трубы расширяются при нагревании, при этом верхняя трубная доска  имеет возможность перемещений  и в то же время обеспечивается плотность газохода за счет установки  линзового компенсатора по всему  ее периметру (рис. 2.13).

Трубчатый воздухоподогреватель выполняется  в виде отдельных кубов (секций), удобных для монтажа и транспорта, которые заполняют все сечение  газохода. Трубные доски секций между  собой уплотняются линзовыми  компенсаторами.

Воздух в воздухоподогреватель обычно подается одним потоком по его широкой стороне (см. рис. 2.13). Такая схема называется однопоточной.

Двухпоточная по воздуху схема (рис. 2.14, а) позволяет уменьшить высоту хода, увеличить число ходов и соответственно повысить температурный напор. При большой мощности котла переходят к многопоточной схеме движения воздуха (рис. 2.14, б). Из-за невысокого коэффициента теплопередачи 15…20 Вт/(м² К) и низкого температурного напора между газами и нагреваемым воздухом (50…80°С) трубчатый воздухоподогреватель имеет большую теплообменную поверхность и габариты, особенно при большой тепловой мощности котла.

При последовательном размещении вдоль  газового тракта экономайзера и воздухоподогревателя - одноступенчатой компоновке поверхностей в конвективной шахте, возникает  ограничение температуры подогрева  воздуха.

Рис. 2.14. Компоновки трубчатых воздухоподогревателей  с различным подводом воздуха: а - двухпоточная; б - четырехпоточная; в - двухпоточная и двухступенчатая; 1 - вход холодного воздуха; 2 - выход горячего воздуха; 3, 4 - первая и вторая ступени экономайзера.

Поскольку масса и теплоемкость воздуха меньше, чем эти показатели в газовом потоке, повышение температуры  воздуха происходит в большей  мере, чем снижение температуры газов, и перепад температур между газами и воздухом по мере нагрева воздуха  снижается. Предельная температура  подогрева воздуха в воздухоподогревателе соответствует достижению минимального перепада температур газ-воздух Δt = 30°С и составляет 250…320 °С (значения 300…320°С относятся к газоплотным котлам и топливам, имеющим Δt_ВХ = θ_УХ - t'_В.П≈ 100°С).

Для подогрева воздуха до более  высокой температуры (350…450°С) трубчатые  воздухоподогреватели выполняются  двухступенчатыми, с расположением второй ступени воздухоподогревателя выше поверхности экономайзера в зоне более высоких температур газов (рис. 2.14, в). Этим достигается значительное увеличение начального перепада температур газ - воздух, что обеспечивает дальнейший нагрев воздуха и способствует снижению габаритов второй ступени воздухоподогревателя.

Трубчатые воздухоподогреватели выполняются  из углеродистой стали, для которой  максимально допустимая температура  металла не превышает 500°С, что при температуре подогрева воздуха до 400°С соответствует температуре продуктов сгорания не более 600°С. Обычно температура продуктов сгорания за пароперегревателем высокого давления выше, а поэтому для защиты металла второй ступени воздухоподогревателя, если в схеме котла нет промежуточного перегревателя, располагают вторую ступень экономайзера.

Трубчатые воздухоподогреватели просты по конструкции, надежны в работе, значительно более плотны в сравнении  с воздухоподогревателями других систем. Однако в большей мере подвергаются коррозии при конденсации влаги  и паров H₂SO₄, в результате чего в трубках образуются сквозные отверстия и воздух перетекает на газовую сторону, увеличивая потери теплоты с уходящими газами и затраты на перекачку увеличенного объема продуктов сгорания.

Защита труб от коррозии достигается  подогревом поступающего холодного  воздуха в паровых калориферах (при подогреве воздуха свыше 50°С) либо путем рециркуляции части горячего воздуха на вход в трубчатый воздухоподогреватель (при нагреве до 50°С). Однако при этом снижается экономичность работы котла, так как одновременно происходит повышение температуры уходящих газов и рост потери теплоты.

В последнем случае ограничиваются частичными мерами снижения скорости коррозии (обеспечение так называемой допустимой скорости коррозии), а первый ход воздуха отделяют от других, чтобы в случаях коррозии нижнего  трубного пакета иметь минимальную  замену металла трубчатого воздухоподогревателя.

Пластинчатый воздухоподогреватель - регенеративный вращающийся воздухоподогреватель (РВП), в котором поверхность теплообмена  во вращающемся корпусе (роторе) попеременно  находится в газовом потоке, нагреваясь от высокотемпературных газов, а  затем поступает в холодный воздушный  поток и греет воздух, отдавая  избыточную теплоту. Поверхностью теплообмена  служат тонкие гофрированные и плоские  стальные листы (пластины) образующие каналы малого эквивалентного диаметра (d_Э = 8…9 мм) для прохода продуктов сгорания и воздуха (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Конструктивное выполнение РВП: а - общий вид аппарата; б - вид сверху на секцию холодной части; в - листы набивки горячей и холодной частей; 1 - вал; 2, 3 - нижняя и верхняя опоры; 4 - секции горячей части ротора, 5 - то же холодной части; 6 - электропривод; 7 - наружная металлическая обшивка (кожух); 8 - периферийное уплотнение ротора РВП

Пластины объединяются в секции и заполняют цилиндрический пустотелый ротор, который по сечению разделен глухими радиальными перегородками  на изолированные друг от друга сектора. Ротор воздухоподогревателя медленно вращается с частотой 1,5 …2,2 об/мин, его вал имеет привод от электродвигателя через шестеренчатую передачу. Диаметр ротора РВП в зависимости от типоразмера составляет от 5,4 до 9,8 м, а высота от 1,4 до 2,4 м.

Применение волнистых (гофрированных) листов-пластин обеспечивает интенсификацию конвективного теплообмена и  тем самым более быстрый нагрев пластин и затем более глубокое их охлаждение, хотя удельное аэродинамическое сопротивление такой поверхности увеличивается. Поверхность нагрева пластин, располагаемая в 1 м³ объема, составляет 300…340 м²/м³, в то время как в трубчатых воздухоподогревателях этот показатель составляет около 50 м²/м³.

Регенеративные воздухоподогреватели конструктивно сложнее, но они компактны, требуют меньшего расхода металла, имеют невысокое общее аэродинамическое сопротивление.

При значительном перепаде давлений между воздушным и газовым  потоками и невозможности полной их герметизации в условиях вращающегося ротора имеют место перетоки воздуха по радиусу ротора на газовую сторону, а также потери воздуха по периферии воздушной части ротора и одновременно присосы окружающего воздуха в газовый поток по периферии ротора в газовой его части (в условиях, когда газовый поток находится под разрежением). Утечки воздуха и присосы его в газовый поток примерно равны и их можно условно также рассматривать как перетоки.

Суммарные нормированные перетоки воздуха в регенеративных воздухоподогревателях составляют до 20% при номинальной нагрузке и заметно возрастают при снижении ее. Перетоки воздуха приводят к перегрузке дымососов и дутьевых вентиляторов (на входе в РВП расход воздуха больше, чем необходимо для котла), снижается тепловая эффективность работы и несколько увеличивается температура газов на выходе.

Защита от перетоков достигается уплотнениями, устанавливаемыми в верхней и нижней частях ротора. Уплотнения различают: периферийное кольцевое на внешней поверхности ротора, внутреннее кольцевое вокруг вала РВП и радиальное, разделяющее воздушный и газовый потоки.

Для уменьшения отрицательного эффекта  присосов и утечки воздуха на крупных  РВП применяется отсос воздуха  из общего корпуса РВП. При этом в корпусе устанавливается пониженное давление и доля присоса воздуха в продукты сгорания может быть сведена к минимуму. Для исключения перегрузки дутьевого вентилятора отсос из корпуса направляется в короб воздуха после РВП.

В отличие от трубчатого регенеративный воздухоподогреватель располагается вне пределов конвективной шахты (рис. 2.16).

Рис. 2.16. Установка регенеративного  вращающегося воздухоподогревателя на котле: 1 - регенеративный вращающийся  воздухоподогреватель; 2 - каркас корпуса  воздухоподогревателя; 3 - экономайзер  парового котла; 4 - горелка топки котла

Предварительный подогрев воздуха  до 70…100°С перед его поступленим в воздухоподогреватель котла (трубчатый или регенеративный) обеспечивается в паровом калорифере, который выполняется в виде трубчатого теплообменника. Внутри вертикальных труб движется слабоперегретый пар с температурой около 120°С. Пар конденсируется на стенках труб и отдает теплоту конденсации потоку холодного воздуха, омывающему трубы снаружи перекрестным потоком.

Для усиления теплообмена трубы  с воздушной стороны имеют  оребрение (кольцевое или прутковое). По принципу работы паровой калорифер близок к трубчатому воздухоподогревателю, в котором газовая теплоотдающая среда заменена конденсирующимся паром.

Предварительный подогрев воздуха  необходим при сжигании в котле  сернистых твердых топлив и мазута для снижения низкотемпературной коррозии металла воздухоподогревателя (см. §7.6). Подогрев воздуха в паровых калориферах осуществляется также в зимнее время при использовании малосернистых или бессернистых топлив (природный газ), чтобы обеспечить температуру металла воздухоподогревателя не ниже 50°С для исключения конденсации водяных паров из газового потока.

2) Тепловой расчет экономайзера.

Экономайзеры выполняются подобно  пароперегревателям с горизонтальными змеевиками в конвективной шахте, их применяют при любом рабочем давлении.

Для интенсификации теплообмена и  уменьшения загрязнения змеевики экономайзера выполняются из стальных труб уменьшенного диаметра: наружный 28…32 мм при толщине  стенки 2,5…3,5 мм. Концы змеевиков, как  и в других поверхностях нагрева, объединены входным и выходным коллекторами (рис. 2.12, а). В паровых котлах, работающих под разрежением, для обеспечения газовой плотности (исключения присоса воздуха в газоход через зазоры между трубами и обмуровкой) и уменьшения потерь теплоты входные и выходные коллекторы помещены в теплоизолирующие камеры (рис. 2.12, б), а заданный шаг труб в пакете обеспечивается опорными стойками, которые крепятся к специальным воздухоохлаждаемым балкам, находящимся внутри газохода, и передают на них нагрузку от змеевиков экономайзера (рис. 2.12, б, в).

В газоплотных котлах почти всегда внутри газохода помещены и коллекторы, служащие одновременно опорой для змеевиков экономайзера (рис. 2.12, г). Расположение труб экономайзера обычно шахматное, коридорное расположение по условиям теплообмена нецелесообразно.

Движение воды в экономайзере - восходящее, что обеспечивает свободный  выход с водой выделяющихся при  нагреве газов и образующегося  в случае кипения воды в экономайзере пара. Для удобства ремонта и эксплуатации поверхность экономайзера по ходу продуктов сгорания разделена на пакеты высотой до 1 м. Разрывы между пакетами 650…800 мм.

Рис. 2.12а Общий вид пакета экономайзера: 2 - трубные змеевики; 3 - коллектор; 7 - опорная балка; 8 - опорные стойки.

Рис. 2.12 б, в: 1 - обмуровка конвективной шахты; 2 - трубные змеевики; 3 - коллектор; 4 - теплоизоляционная засыпка камеры; 5 - металлическая обшивка; 6 - огнеупорная обмазка; 7 - опорная балка; 8 - опорные стойки.