AITVD Curs 9-CURS 11

download AITVD Curs 9-CURS 11

of 23

Transcript of AITVD Curs 9-CURS 11

  • 7/31/2019 AITVD Curs 9-CURS 11

    1/23

    Note de curs AITVD

    4. SCHIMBATOARE DE CALDURA

    Noiuni teoretice ale recuperatoarelor de cldur

    4.1. Introducere

    Produsele arderii, evacuate din cuptoare cel mai adesea la temperaturi de peste1000C i coninnd deci cantiti apreciabile de energie termic, constituie o resursenergetic secundar important care se poate i trebuie recuperat ct mai complet.

    Recuperarea cldurii gazelor evacuate din cuptoare poate fi tehnologic(primar) i energetic (secundar):

    - recuperarea tehnologic const n reintroducerea cldurii evacuate cu gazele,

    n procesul tehnologic din care a provenit, adic rentoarcerea ei n cuptor. Acest felde recuperare se realizeaz prin recircularea gazelor n cuptor, prin utilizarea gazelorla prenclzirea arjei ntr-o camer separat de lucru sau prin prenclzirea pe seamacldurii gazelor evacuate a aerului de combustie sau (i) a combustibilului gazos.Prenclzirea aerului sau a combustibilului gazos se face n recuperatoare sauregeneratoare de cldur;

    - recuperarea energetic se face utiliznd cldura gazelor evacuate pentrutermoficare sau pentru producere de abur energetic n cazane utilizatoare.

    Este posibil i este bine s se aplice ambele metode de recuperare, adic, mai

    nti s se prenclzeasc aerul de combustie (i, eventual, combustibilul gazos), iarapoi gazele ieite din recuperator sau regenerator s fie introduse n cazanul utilizator.n felul acesta recuperarea cldurii gazelor evacuate din cuptoare va fi mai avansat.

    innd seama c la majoritatea cuptoarelor cu flacr cldura produselorarderii evacuate constituie n jur de 50% din cldura intrat n cuptor, recuperareaacestei clduri constituie o importanta surs de economisire a energiei i degospodrire raional a combustibililor.

    n cele ce urmeaz se va prezenta numai recuperarea primar prin prenclzireaaerului de combustie care este cea mai des utilizat metoda de recuperare a cldurii

    produselor arderii la cuptoarele metalurgice, respectiv construcia recuperatoarelor,care sunt utilaje asociate direct cuptoarelor.

    Efectele prenclzirii aerului de combustie

    Prin prenclzirea aerului de combustie se economisete combustibil, ntructcrete ponderea capitolului de bilan termic cldura iniial a aerului de combustie iscade cea a capitolului cldura de ardere a combustibilului.

    Calculul economiei de combustibil B ce se realizeaz prin trecereafuncionrii unui cuptor de la arderea debitului de combustibil B cu aer rece (a cruientalpie iniial o neglijm) la arderea cu aer prenclzit la temperatura ta respectiv

    1

  • 7/31/2019 AITVD Curs 9-CURS 11

    2/23

    Note de curs AITVD

    avnd entalpia iniial ia, se face scriind c aportul de cldur al combustibiluluieconomisit este acoperit de cel al aerului prenclzit, adic :

    B Hi = L(B - B) ia (4.1)unde: Hi - puterea calorific a combustibilului ;

    L - aerul necesar arderii;B economia de combustibil;Relaia (6.1) mai poate fi scris sub forma :

    B(Hi + Lia) =LBia (4.2)de unde rezult expresia de calcul a economiei de combustibil :

    a

    i

    iL

    H

    BB

    11+

    =(4.3)

    ntruct raportul Hi/L este o caracteristic a fiecrui combustibil, rezult c

    economia de combustibil este cu att mai mare cu ct are o valoare mai mare entalpiaia a aerului prenclzit, adic cu ct aerul este prenclzit la temperatur mai ridicat.Economia relativ de combustibil se determin cu relaia :

    100

    i

    1

    L

    H1

    1

    B

    B

    a

    i

    +

    =

    , [%] (4.4)

    Creterea temperaturii de ardere a combustibilului. Temperatura de ardere,cu aer prenclzit, a unui combustibil de putere calorific H i [kJ/kg)] se exprim curelaia :

    gg

    aiard

    Vc

    QHT

    += , [K] (4.5)

    unde : Qa - cantitatea de cldur adus de aerul prenclzit necesar arderii cantitii

    unitare de combustibil, [kJ/kg];

    Vg - volumul produselor arderii cantitii unitare de combustibil, [m3N /kg];cg - cldura specific a acestor produse de ardere (gaze arse), [kJ/(m3NK)].La arderea combustibilului cu aer rece Qa 0, deci temperatura de ardere

    crete prin prenclzirea aerului de combustie. Acest efect este mai pregnant lacombustibilii sraci (cu putere calorific mic).

    Creterea temperaturii de ardere atrage dup sine i creterea temperaturiicuptorului. Dac acest lucru nu este dorit atunci el poate fi contracarat prin mrireacoeficientului de exces de aer sau chiar prin aspirare de aer fals n cuptor. Aceastmsur poate fi aplicat i din considerentul c, prin reducerea debitului de

    combustibil scade i debitul gazelor de ardere, fapt ce ar putea nruti circulaiagazelor n incinta de lucru a cuptorului (acest efect poate fi compensat i prinreducerea volumului incintei).

    2

  • 7/31/2019 AITVD Curs 9-CURS 11

    3/23

    Note de curs AITVD

    Creterea vitezei de ardere a combustibilului. Prin folosirea aerului de com-bustie prenclzit, crescnd temperatura de ardere se mrete i reactivitatea chimica componenilor participani la ardere, deci crete viteza de ardere. Aceasta are efectefavorabile, deoarece asigur arderea mai complet a combustibilului (excesul de aer

    poate fi redus la minim) i scade lungimea flcrii.

    4.2. Noiuni teoretice ale recuperatoarelor de cldur

    Recuperatoarele sunt schimbtoare de cldur care funcioneaz n regimstaionar. Cele dou fluide (gazele i aerul) circul pe de o parte i de alta a unui

    perete despritor i, n acelai timp, transmitor de cldur. Gazele cedeaz cldursuprafeei respective a peretelui, care o transmite prin conducie la cealalt suprafa,de aici ea fiind cedat aerului (fig.4.1). Caracterul staionar al funcionriirecuperatorului decurge din faptul c, dup intrarea n regim normal de funcionare(nclzirea recuperatorului), cmpul de temperatur rmne constant n timp, adicatt temperaturile celor dou fluide ct i cea a peretelui despritor, n orice punct alrecuperatorului, nu se modific.

    Fig.4.1. Schema transferului termic ntr-un punct al peretelui unui recuperator:T-temperatura gazelor n punctul considerat; Ta-temperatura aerului; Tpg- temperatura suprafeei

    peretelui n contact cu gazele; Tpa- temperatura suprafeei peretelui n contact cu aerul; -grosimeaperetelui; -conductivitatea termic a peretelui; gp- coeficientul de transfer termic de la gaze lasuprafaa peretelui, avnd componenta convectiv gpc i cea prin radiaie gpr; pa-coeficientul de

    transfer termic de la perete la aer.

    Dup direciile de circulaie ale celor dou fluide, recuperatoarele pot fi:- cu cureni paraleli;- cu cureni ncruciai.Dup sensul general al circulaiei fluidelor ele pot fi:- n echicurent ;- n contracurent.Schema de circulaie a fluidelor influeneaz intensitatea transferului termic de

    la gaze la aer, respectiv aspectul cmpului de temperaturii al recuperatorului. Pentruexemplificare se vor analiza acestea n cazul recuperatoarelor cu cureni paraleli nechi- i contracurent (fig.4.2). n ambele cazuri s-au considerat aceleai valori pentru

    3

  • 7/31/2019 AITVD Curs 9-CURS 11

    4/23

    Note de curs AITVD

    temperaturile iniiale a gazelor Tgi, i a aerului Tai i aceeai mrime a ariei suprafeeide transfer termic. Se observ c, n cazul contracurentului temperatura final aaerului este mai ridicat dect n cazul echicurentului (Tafc> > Tafe), iar temperaturafinal a aerului o poate depi pe cea final a gazelor (T afc> > Tafe). De asemenea Tgfe

    > Tgfc Toate acestea denot c, n cazul recuperatoarelor n contracurent, clduragazelor intrate n recuperator este utilizat mai complet, deci aceste recuperatoaresunt mai eficiente. n schimb, temperatura maxim a peretelui, n cazulcontracurentului, este mai ridicatdect n cazul echicurentului, ceea ce nseamn c,la construirea acestor recuperatoare, trebuie utilizate materiale cu proprietitermomecanice mai ridicate.

    a) b)Fig.4.2. Cmpul de temperaturi n recuperatorul cu cureni paraleli n echicurent i n

    contracurent:

    a) schemele recuperatoarelor; b) cmpul de temperatur;Tgi i Tai temperaturile de intrare a gazelor i aerului; Tgfe i Tgfc temperaturile finale ale gazelor larecuperatorul n echicurent, respectiv contracurent; Tafe i Tafc - temperaturile finale ale aerului; Tpe i

    Tpc temperaturile pereilor.

    Practic ns, recuperatoarele nu se construiesc (cu excepia celor prin radiaie)cu cureni. paraleli ; ele se construiesc dup scheme de cureni ncruciai (fig.4.3) cuuna sau mai multe ramuri de ncruciare.

    4

  • 7/31/2019 AITVD Curs 9-CURS 11

    5/23

    Note de curs AITVD

    Fig.4.3. Scheme de circulaie ncruciat a fluidelor n recuperatoare:a) cureni simplu ncruciai ; b) cureni ncruciai cu dou ramuri, n echicurent i contracurent;

    c) cureni ncruciai cu patru ramuri n echicurent i contracurent.

    4.2.1. Transferul de cldur n recuperator

    Fluxul termic , transferat de la gaze la aer, prin peretele despritor secalculeaz cu relaia:

    TAK = , [W] (4.6)unde: K- coeficient global de transfer termic de la gaze la aer, [W/(m2 K)];

    A- aria suprafeei de transfer termic, [m2];T - diferena medie (pe parcursul ntregului recuperator) dintre temperatura

    gazelor i cea a aerului;Coeficientul global de transfer termic se calculeaz cu relaia:

    pagp

    111

    K

    +

    +

    =, [W/(m2 K)] (4.7)

    unde: gp- coeficientul de cedare a cldurii de la gaze la suprafaa respectiv aperetelui, [W/(m2 K)];

    - rezistena termic a peretelui;

    - grosimea peretelui, [m];- conductivitatea termic a peretelui, [W/(m K)];

    5

  • 7/31/2019 AITVD Curs 9-CURS 11

    6/23

    Note de curs AITVD

    pa- coeficientul de cedare a cldurii de la suprafaa respectiv a peretelui laaer, [W/(m2 K)].n timp ce pa este un coeficient pur convectiv, gp se compune din coeficientul

    de convecie i cel de radiaie:rgp

    cgpgp += (4.8)

    Pentru perei despritori cu rezisten termic practic nul (metalici cu grosimerelativ redus)

    pagp

    pagpK

    +

    = (4.9)

    Dac ntre ariile suprafeei n contact cu gazele Ag i celei n contact cu aerulAa exist o diferen mare, valoarea coeficientului global de transfer termic raportat laAg se calculeaz cu relaia:

    g

    apa

    gp

    A

    A11

    1K

    +

    +

    = (4.10)

    iar cea raportat la suprafaa Aa, cu relaia:

    a

    gpa

    gp

    A

    A11

    1K

    +

    +

    =

    (4.11)

    Avnd n vedere c temperaturile fluidelor i ale suprafeele peretelui variazpe parcursul recuperatorului rezult c nici valorile coeficienilor de transfer termicnu sunt aceleai n fiecare punct. De aceea ele se calculeaz cu valorii medii pentreaga suprafa de transfer termic a recuperatorului. De asemenea, din acelaimotiv, trebuie s se ia n considerare o diferen medie T dintre temperaturilegazelor i ale aerului.

    4.2.2. Calculul temperaturilor la recuperatoare

    Pentru exprimarea valorilor temperaturilor ce intervin n funcionarea unuirecuperator (a gazelor, a aerului, a peretelui despritor i diferena medie T )considerm, de exemplu, un schimbtor de cldur (recuperator) cu perei paraleli ncontracurent avnd aria suprafeei de transfer termic A, [m2] i variaia temperaturilorcelor dou fluide dup cum rezult din figura 4.4.

    Considerm o seciune curent a recuperatorului situat la captul ariei detransfer termic Ax, msurat de la seciunea de intrare a gazelor n recuperator, n caretemperaturile gazului i a aerului au valorile Tg i, respectiv, Ta. Lund o cretere a

    ariei suprafeei de transfer termic dAx n sensul circulaiei gazelor, pe parcursul creiavariaiile temperaturilor celor dou fluide sunt dTg i dTa (variaiile temperaturilor

    6

  • 7/31/2019 AITVD Curs 9-CURS 11

    7/23

    Note de curs AITVD

    sunt negative pentru variaia pozitiv a ariei), fluxul termic transferat de la gaze la aerpe parcursul lui dAx este:

    )TT(dAKd agx = , [kJ/h]. (4.12)

    Fig.4.4. Variaia temperaturilor gazelor i aerului de-a lungul suprafeei de transfertermic a unui recuperator cu cureni paraleli, n contracurent.

    n funcie de variaiile temperaturilor celor dou fluide exprimm fluxul termic

    elementar cedat de gaze, respectiv cel primit de aer:ggggg dTWdTcDd == (4.13)

    aaaaa dTWdTcDd == (4.14)relaii n care: Dg, Da- debitul de gaz, respectiv de aer, [m3N/h];

    cg, ca- cldurile specifice medii ale celor dou fluide pentru intervalelede temperatur considerate, [kJ/(m3N K)];dTg,, dTa intervalele de temperatur considerate;Wg = Dg cg i Wa = Da ca cifrele hidrometrice ale celor dou fluide,[kJ/(h K)].

    Din relaiile (4.13) i (4.14) rezult:

    g

    gW

    ddT

    = (4.15)

    ia

    a W

    ddT

    = (4.16)

    din care:

    =

    agag W

    1

    W

    1ddTdT (4.17)

    7

  • 7/31/2019 AITVD Curs 9-CURS 11

    8/23

    Note de curs AITVD

    sau

    =

    ag

    agW

    1

    W

    1d)TT(d (4.18)

    nlocuind relaia (4.12) n (4.18) rezult:

    ( )

    =

    agagxag W

    1

    W

    1TTdAK)TT(d (4.19)

    sau( )

    =

    agx

    ag

    ag

    W

    1

    W

    1dAK

    TT

    TTd(4.20)

    Prin integrarea acestei ecuaii diferenia ntre limitele A = 0 i A = Ax, rezult:

    ( ) CW

    1

    W

    1AKTTln

    ag

    xag +

    = (4.21)

    Pentru determinarea constantei de integrare C, scriem ecuaia (4.21) pentrucondiia Ax = 0 unde Tg = Tgi , Ta = Taf i Tgi Taf = Ti, rezult:

    C = ln Ti (4.22)i ecuaia (4.21) devine:

    ( ) iag

    xag TlnW

    1

    W

    1AKTTln +

    =

    sau:

    =

    agxi

    ag

    W

    1

    W

    1AK

    T

    TTln (4.23)

    Pentru Ax = A, deci pentru ntreaga suprafa de transfer termic, avem:Tg = Tgf i Ta = Tai iar Tg Ta = Tgf Tai = Tf

    Relaia (4.23)devine n acest caz:

    =

    agi

    f

    W

    1

    W

    1AK

    T

    Tln (4.24)

    Din relaia (4.6) rezult c:

    TAK = (4.25)expresie care, nlocuit n (7.24) face ca aceast relaie s devin:

    =

    agi

    f

    W

    1

    W

    1

    TT

    Tln

    sau:

    i

    f

    ga

    i

    f

    ag

    TT

    ln

    WW

    TT

    ln

    WW

    T

    =

    =

    8

  • 7/31/2019 AITVD Curs 9-CURS 11

    9/23

    Note de curs AITVD

    Dar din relaiile:

    gfgig TTW = i

    ( )aiafa TTW = rezult:

    gfgi

    g

    TTW

    =

    aiafa

    TTW

    =

    care, nlocuite n relaia (7.26) fac ca aceasta s devin:( )

    i

    f

    if

    i

    f

    afgiaigf

    i

    f

    gfgiaiaf

    T

    Tln

    TT

    T

    Tln

    TTTT

    T

    Tln

    TTTTT

    =

    =

    =

    sau

    f

    i

    fi

    T

    Tln

    TTT

    =

    Fig.4.5. Nomogram pentru determinarea diferenei medii de temperatur.

    relaie cu ajutorul creia se poate calcula diferena medie dintre temperaturile gazelori a aerului din recuperator, n funcie de temperaturile de intrare i ieire dinrecuperator a celor dou fluide.

    Relaia (4.31) poate fi reprezentat grafic sub forma unei monograme,prezentat n figura 4.5. Relaia (4.31) este valabil i pentru cazul curenilor paraleli

    9

  • 7/31/2019 AITVD Curs 9-CURS 11

    10/23

    Note de curs AITVD

    n echicurent ca i pentru acela al curenilor ncruciai cu cel puin trei ramuri dencruciare.

    Pentru cureni ncruciai simpli sau cu dou ramuri, valorii lui T calculat curelaia (4.31) i se aplic un coeficient de corecie , a crui valoare se determin dingraficele prezentate n figura 4.6, n funcie de parametrii:

    aigi

    aiafTT TTP = i

    aiaf

    gfgi

    TTTTR

    =

    Fig.4.6. Diagrame pentru determinarea coeficientului de corecie pentru

    determinarea diferenei medii de temperatur T la recuperatoarele cu curenincruciai:a- cu dou ramuri, n echicurent; b- cu dou ramuri n contracurent; c- simplu;

    d- simplu, cele dou fluide circulnd prin fascicule de evi separateDeci:

    TTi = (4.26)

    iT fiind diferena medie de temperatur pentru recuperatoarele cu cureni ncruciaicu una sau dou ncruciri, iar T cea rezultat din relaia (4.31).

    n cazul n care 5,0T

    T

    f

    i

    >

    variaia temperaturilor gazelor i a aerului estepractic liniar, rezultnd:

    ( )fi TT5,0T += (4.27)Pentru determinarea valorilor curente ale temperaturilor gazelor i aerului

    (adic acelea corespunztoare unei suprafee de schimb de cldur Ax msurat de laintrarea gazelor n recuperator) facem apel la relaia (4.23), care prin anti-logaritmare,devine:

    =

    agx

    i

    ag

    W

    1

    W

    1

    AKexpT

    TT

    sau

    10

  • 7/31/2019 AITVD Curs 9-CURS 11

    11/23

    Note de curs AITVD

    +=

    agxiag W

    1

    W

    1AKexpTTT (4.28)

    Pe parcursul suprafeei Ax, gazele cedeaz fluxul termic:

    ggigx TTW = (4.29)

    iar aerul primete fluxul (de aceiai valoare):( )aafa

    'x TTW = (4.30)

    Din egalitatea celor dou fluxuri rezult:

    ( )ggia

    gaaf TTW

    WTT = ,

    sau

    ( )ggia

    gafa TTW

    WTT = (4.31)

    nlocuind relaia (7.37) n (7.34) rezult expresia temperaturii curente agazelor:

    ( )

    +=

    agxiggi

    a

    gafg W

    1

    W

    1AKexpTTT

    W

    WTT

    sau

    ga

    ag

    xiagigafa

    g WW

    W

    1

    W

    1AKexpTWTWTW

    T

    +

    = (4.32)

    Fcnd n relaia (7.38) pe Ax = A, obinem temperatura gazelor la ieirea lordin recuperator:

    ga

    agiagigafa

    gf

    WW

    W

    1

    W

    1AKexpTWTWTW

    T

    +

    =(4.33)

    Pentru a se obine expresia temperaturii curente a aerului :

    ga

    ag

    xiagi

    a

    2g

    afa

    gi

    a

    g

    afaWW

    W

    1

    W

    1AKexpTWT

    W

    WTW

    TW

    WTT

    +

    =(4.34)

    11

  • 7/31/2019 AITVD Curs 9-CURS 11

    12/23

    Note de curs AITVD

    Temperaturile peretelui despritor. Valoarea densitii fluxului termic transmis dela gaze la aer ntr-un punct oarecare al peretelui despritor se exprim cu relaia:

    apapaagpgggp TTTTKTTq === (4.35)din care se poate obine:

    gp

    aggpg

    TTKTT

    = (4.36)

    i

    pa

    agapa

    TTKTT

    = (4.37)

    n cazul pereilor metalici a cror rezisten termic poate fi neglijat avemTpg Tpa = Tp . Din egalarea relaiilor (7.42) i (7.43) rezult:

    ( )pagp

    pagpagag TTTTK +

    = (4.38)

    expresie care, nlocuit succesiv n (7.42) i (7.43) face ca aceasta s devin:

    pa

    gp

    ag

    gp

    1

    TTTT

    +

    =

    (4.39)

    gp

    pa

    agap

    1

    TTTT

    +

    +=

    (4.40)

    Temperatura maxim pe care o are peretele despritor dintr-un recuperator trebuie sfie cunoscut pentru c, n funcie de valoarea ei, se alege materialul peretelui, caretrebuie s prezinte proprieti termo-mecanice corespunztoare acestei temperaturi.La recuperatoarele n contracurent, temperatura maxim se nregistreaz la ntrareagazelor, n timp ce la recuperatoarele n echicurent ea poate fi la ieirea gazelor. nrelaiile ce exprim temperatura peretelui se vor introduce deci valorilecorespunztoare ale temperaturilor gazelor i aerului, precum i valorilecorespunztoare ale coeficienilor de cedare a cldurii gp i pa.

    4.3 Tipuri constructive de recuperatoare de cldur

    Criteriile principale de clasificare a recuperatoarelor sunt dup felul

    transferului de cldur de la gaze la perete i dup natura materialului de construcie.Dup felul transferului termic recuperatoarele pot fi :

    12

  • 7/31/2019 AITVD Curs 9-CURS 11

    13/23

    Note de curs AITVD

    - convective, la care transferul de cldur de la gaze la perete are loc,preponderent, prin convecie ;

    - prin radiaie, la care acest transfer se face, mai ales, prin radiaie.Dup natura materialului din care sunt construite recuperatoarele pot fi:- metalice, care sunt construite din produse metalice (evi, table, piese turnate);- ceramice, care sunt nzidite din produse refractare.Recuperatoarele metalice pot fi att convective ct i prin radiaie, n timp ce

    recuperatoarele ceramice sunt; de regul, convective.Att recuperatoarele metalice ct i cele ceramice se prezint ntr-o varietate

    destul de mare de tipuri constructive.Principalele tipuri constructive de recuperatoare metalice convective sunt:

    recuperatoarele din evi netede din oel i recuperatoarele din elemente turnate, cuproeminene aciculare i termobloc.

    4.3.1.Recuperatoare metalice

    4.3.1.1. Recuperatoare din evi netede din oel

    La aceste recuperatoare suprafaa de transfer termic este constituit din pereiiunui fascicul de evi, cele doua fluide circulnd unul printre evi, iar cellalt prin evi.evile sunt din oel carbon obinuit sau din otel aliat, cu proprieti refractare,

    laminate. Sortimentul dimensional cuprinde diametre ntre 15 i 100 mm i grosimide perete ntre 1,5 i 5 mm. Asamblarea evilor cu plcile tubulare se face prin sudaresau mandrinare, oferind o bun etanare. Asamblarea plcilor tubulare frontale cucarcasa lateral se face cu uruburi, etanarea realizndu-se cu garnituri din azbestlegtura dintre una dintre plcile frontale cu carcasa se face prin intermediul unorcompensatoare de dilatare, elastice.

    Recuperatoarele din evi de oel se folosesc la diverse cuptoare de nclzire.Temperatura maxim de intrare a gazelor n recuperator este n jur de 900C, iar aerulse prenclzete la maximum 600C. Din cauza semifabricatelor uzuale folosite la

    construirea lor precum i a tehnologiei de execuie relativ simple, acest tip derecuperatoare este destul de rspndit.Recuperatoarele din evi se realizeaz cu cureni ncruciai, cu dou sau patru

    ramuri de ncruciare, de obicei n contracurent. Pot fi amplasate n canale de fumverticale i orizontale.

    Recuperatoarele amplasate n canale de fum verticale se prezint n dou tipuriconstructive de baz :

    -cu evile verticale, prin ele circulnd gazele, iar aerul, n cureni ncruciai,printre evi (fig.4.7.) ;

    13

  • 7/31/2019 AITVD Curs 9-CURS 11

    14/23

    Note de curs AITVD

    Fig.4.7. Recuperator cu evi verticale, cu patru treceri.

    - cu evile orizontale, aerul circulnd prin fasciculul de evi, care formeazramurile de ncruciare, iar gazele circulnd printre evi (fig.4.8.).

    Fig.4.8. Recuperator cu evi orizontale, montat n canal de fum vertical

    Primul tip este propriu recuperatoarelor mari, iar al doilea mai multrecuperatoarelor mici (asociate cuptoarelor mici), acestea putnd fi amplasatedeasupra cuptorului. La recuperatoarele mari, de primul tip, circulaia gazelor se face,de regul, de sus n jos, iar la celelalte, evident, n sus.

    Recuperatoarele amplasate n canale de fum orizontale au evile montate npoziie vertical, formnd de obicei numai dou ramuri de ncruciare. i aici suntdou tipuri de baz :

    - recuperatoare cu evi drepte (fig.4.9.), la care fasciculele de evi ce formeaz

    cele dou ramuri comunic, la partea inferioar, printr-o cutie de distribuie, cutiilecolectoare, de intrare i ieire a aerului, fiind la partea superioar.

    14

  • 7/31/2019 AITVD Curs 9-CURS 11

    15/23

    Note de curs AITVD

    Fig.4.9. Recuperator cu evi verticale drepte , montate n canale de fum orizontale.

    - recuperatoare cu evi curbate n form de U (fig.4.10.).Recuperatoarele cu evi curbe sunt foarte simple, ca execuie i exploatare ; ele

    sunt compuse din elemente puine (dou cutii colectoare, placa tubular i fascicululde evi), nu necesit compensatoare de dilatare din cauza curburii evilor, iarmontarea n canalul de fum i scoaterea nu prezint complicaii.

    Fig.4.10. Recuperator cu evi n form de U, montate n canale de fum orizontale.

    evile recuperatoarelor pot fidispuse n rnduri decalate (dispunere neichier,fig.4.11, a) sau n rnduri aliniate (dispunere n paralel, fig.4.11., b). Dispunerea neichier determin o turbulen mai mare a circulaiei fluidului printre evi,determinnd i o cretere a valorii coeficientului de transfer termic prin convecie lasuprafaa exterioar a pereilor evilor; de aceea acest mod de dispunere este preferatceluilalt.

    La recuperatorul reprezentat n figura 4.7.(care este n contracurent), la parteasuperioar, pe unde intr gazele, s-a prevzut o seciune, mai mic, de intrare a unuidebit redus de aer rece, seciune ce are scopul de a proteja evile i placa tubularcontra supranclzirilor periculoase (aici apar temperaturile cele mai ridicate). Aerul

    prenclzit n aceast seciune la o temperatur mai sczut dect a celui ce strbatepartea de baz a recuperatorului se amestec apoi cu cellalt, formnd un amestec de

    temperatur potrivit.

    15

  • 7/31/2019 AITVD Curs 9-CURS 11

    16/23

    Note de curs AITVD

    Fig.4.11. Dispunerea evilor:a) n rnduri decalate(eichier); b) n rnduri aliniate (paralele);

    Recuperatoare cu proeminene aciculare

    Constau din nite tuburi turnate din font ale cror perei prezint proemineneaciculare, de fapt nite aripioare, fie pe ambele pri fie numai pe o parte.

    Prezena proeminenelor confer acestor recuperatoare o arie a suprafeei detransfer termic mai mare, iar construcia turnat din font asigur o rezistentermomecanic mai mare i, deci, temperaturi de lucru destul de ridicate, mai alescnd tuburile sunt turnate din font refractar.

    Recuperatoarele aciculare sunt constituite din tuburi de seciune ovalprevzute cu flane la ambele capete care permit asamblarea n paralel a mai multortuburi, care formeaz o trecere, precum i asamblarea cutiilor de distribuie i acutiilor-racord de admisie i evacuare a aerului. Aerul circul prin interiorul tuburiloriar gazele printre tuburi, realizndu-se o circulaie ncruciat.

    Suntdou feluri de tuburi: unele cu proeminene pe ambele fee, deci n contactatt cu aerul ct i cu gazele iar altele cu proeminene numai la interior, deci ncontact cu aerul. Acestea din urm au avantajul c suprafaa neted, exterioar, ncontact cu gazele, este mai puin expus depunerilor de funingine i praf.

    Forma i dimensiunile tuburilor, precum i a proeminenelor sunt tipizate saustandardizate. n fig.4.12. este reprezentat un element tubular cu proemineneaciculare.

    Fig.4.12. Element tubular cu proeminene aciculare

    16

  • 7/31/2019 AITVD Curs 9-CURS 11

    17/23

    Note de curs AITVD

    n fig.4.13. este reprezentat un element tubular cu recuperator acicular.Proeminenele de pe suprafaa interioar sunt dirijate longitudinal, dup direcia isensul circulaiei aerului i au aceleai dimensiuni i dispunere, n timp ce

    proeminenele exterioare difer, la cele dou tipuri de elemente, ca dimensiuni idesime. Aceasta difereniere este determinat de tendinele de depuneri diferite pecare le manifest produsele deardere ale diferiilor combustibili: la gazele curate cususpensii puine, decicu pericolul cel mai redus de depunere, se folosesc tuburi cu

    proeminene exterioare dese, iar la gazele bogate n suspensii care prezint pericolulde depuneri masive cu formare de crust se potrivesc tuburile fr proemineneexterioare. Evident c proeminenele exterioare sunt dirijate perpendicular fa de axatubului, dup direcia de circulaie a gazelor. Pentru fiecare tip de tub, caracterizat

    printr-o anumita seciune i mod de dispunere a proeminenelor, se prevd anumitelungimi.

    Fig.4.13. Element tubular curecuperator acicular.

    Recuperatoarele aciculare se construiesc n una din urmtoarele scheme:- cureni ncruciai simplu (fig.4.14), putndu-se atinge temperaturi de

    prenclzire a aerului pn la 150...200 0C;

    Fig.4.14. Recuperator acicular cu o singur trecere.

    17

  • 7/31/2019 AITVD Curs 9-CURS 11

    18/23

    Note de curs AITVD

    - cureni ncruciai cu dou treceri (fig.4.15) putndu-se atinge temperaturide prenclzire a aerului pn la 300...400 0C;

    - cureni ncruciai cu patru treceri, tuburile fiind dispuse de regul peorizontal (deci gazele avnd o circulaie vertical), fiecare trecere constnddintr-un numr oarecare de elemente paralele, care permite obinerea unortemperaturi de prenclzire peste 400 0C.

    Fig.4.15. Recuperator acicular cu dou treceri.

    Pe lng avantajele artate la nceput, recuperatoarele aciculare prezint iunele neajunsuri cum ar fi etaneitatea sczut (din cauza numrului relativ mare dembinri ntre flanele tuburilor), depunerile de funingine i praf pe tuburi, precum i

    pierderile de presiune ale fluidelor n recuperator mai mari. Pentru a se asigura o

    etanare mai bun, ntre suprafeele n contact ale mbinrilor se pun garnituri deetanare rezistente la temperaturile de regim. Totui pierderile de aer n acesterecuperatoare variaz ntre 3...5 % lacele mici i 20. . .30 % la cele mari. ntructdepunerile de pe tuburi reduc transferul de cldur, recuperatoarele aciculare trebuiesa fie curate periodic.

    Recuperatoare termobloc

    Recuperatoarele termobloc sunt blocuri paralelipipedice turnate din font sau

    oel i care sunt strbtute de dou fascicule de alezaje reciproc perpendiculare, unuldup direcie vertical prin care circul gazele i cellalt, orizontal, prin care circul

    18

  • 7/31/2019 AITVD Curs 9-CURS 11

    19/23

    Note de curs AITVD

    aerul. Prin urmare sunt schimbtoare de cldur cu cureni ncruciai simplu (mai rarcu dou ramuri pe partea aerului).

    Recuperatoarele termobloc se execut prin montarea a dou fascicule de evi,reciproc perpendiculare, ntr-o carcas paralelipipedic din tabl i care se umpleapoi, prin turnare, cu font sau oel. De asemenea sunt construcii la care se monteaznumai fasciculul de evi orizontal, pentru aer, iar canalele pentru gaze au seciunedreptunghiular, fiind realizate cu ajutorul unor miezuri (fig.4.16).

    Fig.4.16. Recuperator termobloc.

    Recuperatoarele termobloc se caracterizeaz printr-o rezisten termomecanicmare; pe baza datelor rezultate din exploatare se poate estima c, la o temperatur deintrare a gazelor n recuperator de 800. . .1000C, durata de funcionare fr reparaieeste de 4...5 ani. Ele pot s suporte radiaia direct din spaiul anterecuperator, deci se

    pot monta la orificiul de evacuare a gazelor din cuptor. De asemenea nu sunt sensibilela faptul c arderea, neterminndu-se n cuptor, poate continua n recuperator.

    Dintre dezavantajele recuperatoarelor termobloc trebuie amintit n primulrnd greutatea mare, din care cauz se construiesc de obicei la dimensiuni mici, careasigur prenclzirea unui debit de aer de 250...300 m3N /h. De asemenea eleutilizeaz destul de puin cldura gazelor, temperatura acestora la ieirea dinrecuperator fiind de 600...700C, deci destul de ridicat. Mai au neajunsul cmanifest tendin de nfundare prin depunerea funinginei n canale de gaze.

    n mod uzual, recuperatoarele termobloc asigur prenclzirea aerului latemperaturi n jur de 200C, temperatura maxim a gazelor la intrare fiind de1000. . .1100C.

    Aceste caliti i defecte fac ca recuperatoarele termobloc s fie potrivite a semonta la cuptoare mici de forj, chiar deasupra cuptorului, sau s fie utilizate caseciune de protecie pentru recuperatoarele aciculare cu care se asociaz.

    19

  • 7/31/2019 AITVD Curs 9-CURS 11

    20/23

    Note de curs AITVD

    Recuperatoare metalice prin radiaie

    Recuperatoarele metalice prin radiaie sunt astfel construite nct cea mai mareparte din fluxul termic cedat de gaze se transmite prin radiaie. Acest lucru serealizeaz n primul rnd prin valoarea ridicat a temperaturii gazelor n recuperator,tiut fiind c fluxul radiat de gaze este proporional cu (Tg/100)3,8. Pe de alt parte seasigur gazelor o seciune relativ mare, astfel nct raza medie de radiaie a corpuluigazos din recuperator s fie ct mai mare, pentru a rezulta o valoare ct mai mare afactorului energetic de emisie, g, al gazelor. De asemenea, pentru intensificareatransferului de cldur de la perete la aer, acesta trebuie s circule cu viteze deordinul a 20...30 m/s. Prin aceasta, ncrcarea termic a peretelui la recuperatoarele

    prin radiaie poate fi de circa 5 ori mai mare dect la recuperatoarele convective.Cu condiia ca recuperatorul s fie construit din oeluri ce rezist la temperaturi

    depind 1000C, temperatura maxim de intrare a gazelor se poate apropia de1600C, iar aerul se poate nclzi pn la 800...1000C. Datorit acestui fapt,recuperatoarele prin radiaie pot nlocui cu succes recuperatoarele ceramice iregeneratoarele, fa de care prezint destul de multe avantaje.

    Recuperatoarele metalice prin radiaie se pot asocia att cuptoarelor mari ct icelor mici, care pot asigura produselor arderii temperaturi de evacuare de cel puin900C. Ele mai prezint avantajul unei pierderi nensemnate de presiune a gazelor,care pot circula cu viteze reduse deoarece transferul termic prin radiaie nu esteinfluenat de valoarea vitezei. De asemenea, depunerile gazelor se pot nltura maiuor.

    Un dezavantaj al recuperatoarelor metalice prin radiaie l constituie faptul c

    gazele prsesc recuperatorul cu temperaturi destul de ridicate, rezultnd, nconsecin, un grad redus de recuperare.

    Cel mai simplu tip de recuperator metalic prin radiaie const, n principiu dindoi cilindri concentrici, confecionai din tabl, ce1 exterior fiind izolat termic fa demediul ambiant cu material termoizolant (fig.4.17.). Gazele circul prin tubul central,iar aerul prin spaiul inelar dintre cei doi cilindri. Gazele cedeaz cldur prin radiaiecilindrului interior care, la rndul su o transmite, prin convecie, aerului. O parte dincldura primit de cilindrul interior este radiat la cilindrul exterior care retransmite o

    parte aerului, restul pierzndu-se spre exterior. ntruct fluxul termic transmis aerului

    de cilindrul exterior este practic neglijabil, se poate considera c nclzirea aeruluieste unilateral.Pentru intensificarea transferului termic recuperatoarele din tuburi concentrice

    se construiesc din trei cilindri concentrici care realizeaz nclzirea bilateral astratului de aer, gazele circulnd prin cilindrul central precum i prin spaiul inelardintre cilindrul exterior i cel mijlociu (fig.4.18.).

    Dimensiunile uzuale, mai importante, ale recuperatoarelor din cilindriconcentrici sunt: diametrul cilindrului interior - 600. . .1 600 mm , limea spaiuluiinelar de circulaie a aerului - 10...70 mm ,grosimea tablei cilindrilor - 4. . .6 mm.

    Lungimea recuperatoarelor este funcie de parametrii funcionali (debite,temperaturi). Unele recuperatoare pot ajunge i la lungimi de 10 m fapt ce pune,

    20

  • 7/31/2019 AITVD Curs 9-CURS 11

    21/23

    Note de curs AITVD

    innd cont de dispunerea vertical a recuperatorului, probleme mai dificile derezisten stabilitate i compensri de dilataii termice.

    Recuperatoarele prin radiaie se prezint ca schimbtoare de cldur cu cureniaproximativ paraleli, n echi- i contracurent. S-a constatat c cele n contracurent nudetermin o cretere sensibil a temperaturii finale a aerului, n schimb creteapreciabil temperatura maxim a peretelui. n schimb nclzirea bilateral a aeruluiare ca urmare o intensificare apreciabil a transferului termic, rezultnd o scderesubstanial a lungimii recuperatorului.

    Pentru mrirea gradului de recuperare a cldurii gazelor se pot cupla un

    recuperator prin radiaie cu un recuperator convectiv, cele dou fiind montate n serieatt pe traseul gazelor ct i pe cel al aerului (fig.4.19).

    21

    Fig.4.17. Schema recuperatorului prin

    radiaie cu nclzire unilateral.

    Fig.4.18. Schema recuperatorului prin

    radiaie cu nclzire bilateral.

    Fig.4.19. Recuperator combinatradiaie-convecie:

    a- recuperatorul prin radiaie; b-recuperatorul convectiv.

  • 7/31/2019 AITVD Curs 9-CURS 11

    22/23

    Note de curs AITVD

    Recuperatoare ceramice

    Recuperatoarele ceramice, fiind nzidite din produse refractare care au ogrosime relativ mare, se prezint ca i construcii voluminoase, cu inerie termicmare. Din acest motiv aceste recuperatoare se instaleaz pe lng cuptoare mari, cufuncionare continu (cuptoare de nclzire n seciile de laminare). Pe lng grosimea

    peretelui, conductivitatea termic redus a produselor refractare determin valorisczute ale coeficientului global de transfer termic, ceea ce explic dimensiunile mariale recuperatoarelor ceramice.

    Ca materiale de construcie se utilizeaz amote superaluminoase, car-boamota, carborundul i altele.amota este cel mai ieftin material dar, n acelai timp, are proprietile cele maisczute: conductivitate termic sczut, temperatura de utilizare maxim 1300C,rezisten chimic mic i permeabilitate la gaze destul de mare. Aceste proprieti

    tehnologice sczute fac ca recuperatoarele construite din produse de amot s admittemperaturi mai sczute, presiuni ale fluidelor, respectiv viteze de circulaie, reduse.

    La polul opus se situeaz carborundul care are conductivitate termic de8. . .10 ori mai mare ca a amotei, se poate utiliza la temperaturi pn la 1 500C, arerezisten mai mare la oc termic i este mai puin permeabil la gaze; n schimb estemult mai scump ca amota.

    Carboamota care este un amestec de amot cu carborund (39 % SiC) areproprieti intermediare ntre amot i carborund.

    Produsele refractare din care se construiesc recuperatoarele manifest tendin

    de reinere a depunerilor de pe suprafeele n contact cu gazele, ceea ce face necesarcurirea periodic a recuperatorului.

    Fig.4.20. Recuperator sistem Chapman-Stein:a- aer; b- vederea unui bloc ceramic; c- vedere parial

    Una dintre marile neajunsuri ale recuperatoarelor ceramice este etaneitatea lorredus. Chiar la nzidiri bine executate i cu mortare corespunztoare se manifestetaneiti relativ reduse care duc la pierderi de aer, pierderi ce cresc cu mrimea

    22

  • 7/31/2019 AITVD Curs 9-CURS 11

    23/23

    Note de curs AITVD

    presiunii de insuflare a aerului. Din acest motiv la cuptoarele echipate curecuperatoare ceramice se prevd arztoare cu aer aspirat, aspiraia aerului dinatmosfer i circulaia acestuia prin recuperator fiind asigurat de tirajul natural i dedepresiunea din tubul amestector al arztorului. Ca urmare viteza de circulaie aaerului este redus. Recuperatoarele ceramice sunt nzidite din blocuri fasonate saudin piese tubulare.

    La recuperatoarele din blocuri fasonate canalele de circulaie a fluidelor rezultdin nzidirea alturat i suprapus a blocurilor care au formcorespunztoare acestuiscop. De exemplu la recuperatorul reprezentat n figura 4.20 (sistem Chapman-Stein),

    blocurile sunt strbtute de patru canale verticale, iar feele laterale au concaviticilindrice. Prin nzidire, canalele din blocuri formeaz traseul vertical pentru aer, iarconcavitile genereaz canalele orizontale pentru gaze, rezultnd un recuperator cucureni ncruciai cu dou treceri pe traseul gazelor. Pierderile de presiune pe traseulaerului fiind mici, aerul este aspirat prin recuperator datorit tirajului natural i aefectului de ejecie din arztor. Ca urmare, diferena din presiunea aerului i cea a

    gazelor fiind micii, se mbuntete etaneitatea recuperatorului. Vitezele uzuale decirculaie prin recuperator sunt : pentru aer woa 1 m/s, iar pentru gaze wog 0,5m/s. Acest fel de recuperator prenclzete aerul la 500. . .550C temperatura deintrare a gazelor fiind de 850...950C. Temperaturile sunt limitate de proprietileamotei din care sunt confecionate blocurile. Se folosete la cuptoarele cu propulsie

    pentru nclzirea aglelor n vederea laminrii.Recuperatoarele tubulare, cele mai rspndite, au ca elemente constructive

    principale nite buce de seciune ortogonal (sau ptrat), confecionate dincarboamot sau amot. Prin nzidirea bucelor n eichier cu ajutorul unor piese de

    legtur i de distanare se obine recuperatorul reprezentat n figura 4.21.

    Fig.4.21. Recuperator din tuburi octogonale:a- vedere spaial; b- detaliu constructiv al prii superioare; 1- nchiztor cu nisip;2- buc octogonal; 3- muf de legtur; 4- pies de dist