Любой рекуператор представляет собой теплообменный аппарат, работающий в условиях близких к стационарному тепловому состоянию, когда тепло постоянно передаётся от остывающих дымовых газов к нагревающемуся воздуху (газу) через разделительную стенку.
Полное количество тепла, Вт, переданного в рекуператоре, определяют по уравнению
где —• суммарный коэффициент теплопередачи от дыма к воздуху (газу), характеризующий общий уровень теплопередачи в рекуператоре, Вт/(м2·К); — средняя (по всей поверхности нагрева) разность температур между дымовыми газами и воздухом (газом), К; — поверхность нагрева, через которую происходит передача тепла от дымовых газов к воздуху (газу), м2.
Передача тепла в рекуператорах осуществляется в три ступени:
а) от дымовых газов к стенкам рекуперативных элементов;
б) через разделительную стенку;
в) от стенки к нагреваемому воздуху или газу.
На дымовой стороне рекуператора тепло от дымовых газов к стенке передается конвекцией и излучением. Следовательно, коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне
,
где — коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке конвекцией, Вт/(м2 К); — коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке излучением, Вт/(м2·К).
Передача тепла через разделительную стенку зависит от теплового сопротивления стенки и состояния ее поверхности.
На воздушной стороне рекуператора при нагреве воздуха тепло от стенки к воздуху передается только конвекцией, при нагреве газа — конвекцией и излучением. Таким образом, при нагреве воздуха теплоотдача определяется локальным коэффициентом теплоотдачи конвекцией ; если нагревается газ, то коэффициент теплоотдачи
Все отмеченные локальные коэффициенты теплоотдачи объединены в суммарном коэффициенте теплопередачи, Вт/(м2·К)
В трубчатых рекуператорах суммарный коэффициент теплопередачи следует определять для цилиндрической стенки, Вт/(м·К)
.
Коэффициент называется коэффициентом теплопередачи трубы. Если же необходимо отнести количество тепла к площади внутренней или наружной поверхности трубы, то суммарные коэффициенты теплопередачи, Вт/(м2·К), можно определить следующим образом:
и
где — коэффициент теплопередачи на внутренней и наружной сторонах трубы, Вт/(м2·К); — соответственно радиусы внутренней и наружной поверхностей трубы, м.
В металлических рекуператорах, в которых толщина стенки мала, а весьма велико, можно пренебречь величиной теплового сопротивления стенки и тогда суммарный коэффициент теплопередачи Вт/(м·К) можно записать в следующем виде:
.
Все локальные коэффициенты теплоотдачи, необходимые для определения величины К, можно получить на основании законов теплообмена конвекцией и изучением.
Поскольку между воздушной и дымовой сторонами рекуператора всегда есть перепад давлений, наличие неплотностей в насадке керамических рекуператоров приводит к утечке воздуха, достигающей иногда 40—50 %. Прососы резко снижают эффективность рекуперативных установок; чем больше прососанного воздуха, тем меньше доля тепла, полезно использованного в керамическом рекуператоре. Ниже приведена эта зависимость:
Утечка, % от количества воздуха, поданного в рекуперато 0 25 50
Температура дымовых газов на выходе из рекуператора, °С 660 615 570
Температура подогрева воздуха, °С 895 820 770
Утечка воздуха влияет на величину локальных коэффициентов теплоотдачи, причём воздух, попавший в дымовые газы, не только снижает их температуру, но и уменьшает процентное содержание С02 и Н20, вследствие чего ухудшается излучательная способность газов.
Как при абсолютно газоплотном рекуператоре, так и при утечке локальные коэффициенты теплоотдачи изменяются по поверхности нагрева, поэтому при расчете рекуператоров определяют отдельно величины локальных коэффициентов теплоотдачи для верха и низа и затем уже по усредненному значению находят суммарный коэффициент теплопередачи.