Расчет рекуперативного нагревательного колодца с одной верхней горелкой.
(кВт) (67)
Неучтенные потери тепла определяем по следующей формуле:
кВт (68)
Уравнение теплового баланса будет иметь вид (по формуле 69):
(69)
Расход топлива
для методической
печи
м3/с.
Тепловой баланс печи представлен в таблице 1.
Таблица 1 – Тепловой баланс печи
| Статьи прихода | Q, кВт, | (%) | Статьи расхода | Q, кВт, | (%) |
|
Тепло от горения топлива |
18445,39 | 73,44 |
Тепло на нагрев металла |
14955,78 | 59,54 |
|
Физическое тепло воздуха |
5493 | 21,87 |
Тепло, уносимое уходящими газами |
7030,36 | 27,99 |
| Тепло экзотермических реакций | 1177,311 | 4,68 |
Потери тепла теплопроводностью через кладку |
406,8 | 1,61 |
| Итого | 25115,99 | 100 |
Потери тепла с охлаждающей водой |
2438,82 | 9,71 |
| Неучтенные потери | 284,562 | 1,13 | |||
| Итого | 25115,11 | 100 |
Подбираем
горелку типа
«труба в трубе»
для сжигания
0,525 м3/с
природного
газа с теплотой
сгорания
кДж/м3.
Давление газа
перед горелкой
составляет
4,0 кПа, давление
воздуха 1,0 кПа.
Газ холодный
(по условию
подогрев топлива
отсутствует),
а воздух подогрет
до температуры
800 °С. Коэффициент
расхода воздуха
n
= 1,1.
Плотность
газа
кг/м3;
количество
воздуха
м3/м3.
Пропускная способность горелки по воздуху (по формуле 70):
(м3/с)
(70)
Расчетное количество воздуха определяем по следующей формуле:
(м3/с)
(71)
Из справочной литературы (см.[5]) следует, что при заданном давлении требуемый расход воздуха обеспечивает горелка ДВБ 425.
Найдем количество топлива, проходящее через одну горелку (формула 72):
(м3/с)
(72)
Далее найдем расчетное количество газа по следующей формуле:
(м3/с)
(73)
По графикам
(см.[1]) определяем,
что диаметр
газового сопла
должен быть
равен 80 мм; при
давлении 4,0 кПа
и плотности
кг/м3
скорость истечения
газа равна 78
м/с, а воздуха
– 35 м/с.
7 Расчет рекуператора
Керамические рекуператоры, применяемые в нагревательных колодцах, выполняют из восьмигранных трубок. Обычно монтируют 6 – 8 рядов труб, из них два верхних и нижний ряды из карбошамотных трубок, остальные – из шамотных.
В рекуператоре
воздух подогревается
от
°С до
°С. Температура
дыма на входе
в рекуператор
°С; количество
подогреваемого
воздуха
м3/с;
количество
дымовых газов
м3/с;
состав дымовых
газов: 12 % СО, 3 %
О2, 10 %
Н2О,
75 %
N2.
Рекуператор набирается из трубок, каждая из которых имеет общую высоту 398 мм, полезную высоту 356 мм, наружный диаметр 140 мм и внутренний диаметр 114 мм. Дымовые газы проходят внутри трубок, воздух – между трубками. Схема работы рекуператора – многократный перекрестный противоток.
Примем тепловые
потери равными
10 % и величину
утечки воздуха
в дымовые каналы
равной 20 %. С учетом
утечки в рекуператор
нужно подавать
количество
воздуха, равное
м3/с.
Следовательно, величина утечки воздуха (формула 74):
(м3/с)
(74)
Принимая температуру дымовых газов на выходе из рекуператора 650 °С и определяя теплоемкость дымовых газов аналогично предыдущему расчету, составляем уравнение теплового баланса (формула 75):
(°С)
(75)
Рекуператор данной конструкции работает по принципу многократного перекрестного противотока, поправкой на перекрестный ток пренебрегаем и определяем среднюю разность температур (формула 76):
(76)
Для определения
суммарного
коэффициента
теплопередачи
принимаем
среднюю скорость
дымовых газов
м/с, среднюю
скорость воздуха
м/с.
Коэффициент
теплоотдачи
конвекцией
на воздушной
стороне
для шахматного
пучка находим
по формуле
и номограмме
(см.[1]).
Найдем с некоторым приближением среднюю по всей поверхности нагрева температуру стенки (см.[1]):
(°С);
(°С);
(°С).
Средняя температура воздуха (формула 77):
(°С) (77)
Средняя действительная скорость потока воздуха (формула 78):
(м/с) (77)
Принимая
для рекуператора
значения
,
и число рядов
в пучке равным
7, вычисляем по
следующей
формуле:
(Вт/м2∙К)
(78)
Учитывая шероховатость стенок, вычисляем по следующей формуле:
(Вт/м2∙К)
(79)
Коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне (формула 80):
(80)
Согласно
графику (см.[1]),
при скорости
движения потока
м/с и диаметре
трубы
м
(Вт/м2∙К).
С учетом шероховатости стен, вычисляем по следующей формуле:
Вт/(м2∙К)
(81)
Для определения
по номограммам
(см.[1]) находим:
– для верха
рекуператора
(
,
):
;
;
;
;
.
Коэффициент
теплоотдачи
излучением
(принимая
и, следовательно,
),
(формула 82):
(Вт/м2∙К)
(82)
– для низа
рекуператора
(
,
):
;
;
Коэффициент теплоотдачи излучением (формула 82):
(Вт/м2∙К)
Среднее значение коэффициента теплоотдачи излучением на дымовой стороне рекуператора вычисляем по следующей формуле:
(Вт/м2 ∙К)
(83)
Коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне (формула 84):
(Вт/м2∙К)
(84)
Теплопроводность
карбошамота
на 30 %
выше теплопроводности
шамота. Следовательно,
при средней
температуре
стенки
коэффициент
теплопроводности
карбошамота
(формула 85):
(Вт/м2∙К)
(85)
Учитывая,
что
;
и
,
суммарный
коэффициент
теплопередачи
рекуператора
находим (по
формуле 86):
(Вт/м2∙К)
(86)
Находим количество тепла, проходящее через поверхность нагрева (по формуле 87):
(Вт)
(87)
Поверхность нагрева рекуператора (формула 88):
(м2)
(88)
Удельная поверхность нагрева карбошамотного рекуператора составляет 8,5 м2/м3 (см.[1]).
Объем рекуператора
без учета мест
соединения
труб
м3.
Начальное количество дымовых газов (2,31 м3/с) вследствие утечки воздуха увеличивается до 2,68 м3/с. Следовательно, среднее количество 2,5 м3/с.
Определим общую площадь отверстий для прохождения дымовых газов вычисляем по следующей формуле:
(м2)
(89)
Так как площадь отверстий для прохода дыма в карбошамотном рекуператоре составляет 23,1 % от общей площади зеркала рекуператора, то площадь поперечного сечения рекуператора вычисляем по следующей формуле:
4,16/0,231=18,0
(м2) (90)
Расход воздуха средний – 1,64 м3/с.
Поскольку средняя скорость движения воздуха принята равной 1,0 м/с, то необходимая площадь для прохода воздуха составит (формула 91):
(м2)
(91)
Полезная высота одного хода равна 0,356 м, что при наружном диаметре трубы рекуператора 0,14 м и расстоянии между осями соседних труб 0,304 м составляет 0,0585 м2 площади, свободной для прохода воздуха.
Следовательно, по ширине рекуператора следует располагать следующее число труб (формула 92):
(шт) (92)
Общая ширина с учетом расстояния от крайних труб до стенки рекуператора равна (формула 93):
0,304+2∙0,117 = 14∙0,304+2∙0,117 =
4,49 (м) (93)
Примерная длина рекуператора (формула 94):
18,0/4,49
= 4,08 (м) (94)
где –
площадь поперечного
сечения рекуператора,
м;
B – общая ширина рекуператора, м.
Точнее, длина рекуператора при восьми трубах по длине (формула 95):
(м) (95)
Площадь равна (формула 96):
4,49∙2,36 = 10,6
(м2) (96)
Полезная высота рекуператора (формула 97):
(м) (97)
8 Выбор способа утилизации дымовых газов
Дымовые газы, покидающие рабочее пространство печи имеют весьма высокую температуру и поэтому уносят много тепла из пространства печи (до 80 %). Дымовые газы уносят тем больше тепла, чем выше их температура и чем меньше коэффициент использования тепла в печи. В связи с этим целесообразнее обеспечивать утилизацию тепла в печи. Данную задачу можно решить двумя способами:
1. С использованием котлов – утилизаторов. Тепло уходящих дымовых газов не возвращается в печь, а идет на использование в тепловых котельных и турбинных установках.
2. С использованием теплообменников рекуперативного и регенеративного типа. Часть тепла уходящих дымовых газов возвращается в теплообменник и идет на подогрев воздуха, подаваемого в горелку.
Использование теплообменника позволяет повысить коэффициент полезного действия печного агрегата, увеличивает температуру горения, позволяет сэкономить топливо. Если температура дымовых газов или дыма после теплообменников остается высокой, то дальнейшая утилизация тепла целесообразнее в тепловых установках.
Для рассчитываемой печи рациональнее использовать второй способ утилизации тепла дымовых газов, так как используется рекуперативный теплообменник.
Рекуператор выбран по следующим причинам:
рекуператор обеспечивает постоянную температуру в печи, то есть режим работы печи стационарный;
не требуется никаких перекидных устройств, что обеспечивает ровный ход печи и возможность автоматизации и контроля её тепловой работы;
отсутствует вынос газа в дымовую трубу;
объём и масса рекуператора меньше, чем у регенератора.
Рекуперативный нагревательный колодец с одной верхней горелкой является одним из наиболее прогрессивных типов нагревательных печей. Дымовые газы возвращаются в рекуператор, проходят по трубам и осуществляют подогрев воздуха, который подается в горелку, где смешивается с топливом. Согласно правилу, единицы физического тепла, отобранные у отходящих дымовых газов и вносимые в печь воздухом, оказываются значительно ценнее, чем единицы тепла, полученные от сгорания топлива, так как тепло, подогретого воздуха не влечет за собой потерь тепла с дымовыми газами.
Библиографический список
1 Теплотехника и теплоэнергетика металлургического производства: Учебное пособие к курсовому проектированию / Составитель О. В. Сухотина – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. – с. 55 – 69, с. 80 – 106
2 Теплотехника и теплоэнергетика металлургического производства: Методическое пособие к курсовому проектированию/ Составитель Д. В. Принцман – Челябинск: ЧГТУ, 1991. – с. 12 – 13, с. 25 – 31
3 Технологическая инструкция к первому прокатному цеху ОАО «Златоустовский Металлургический Завод». – с. 18 – 53
4 Кривандин В. А. Металлургическая теплотехника учеб. Пособие: в 2 кн. Москва, Металлургия, 1986. –Т.2 – с. 286 – 295
5 Мастрюков Б.С. Теория, конструкции и расчёты металлургических печей: учеб. Пособие: в 2 кн. Москва, Металлургия, 1986. –Т.2 – с. 250 – 258