Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
Южно – Уральский Государственный университет
Филиал ГОУ ВПО «ЮУрГУ» в г. Златоусте
Факультет металлургический
Кафедра «Общей металлургии»
Пояснительная записка к курсовому проекту
по курсу «Теплотехника»
на тему «Расчет рекуперативного нагревательного колодца с одной
верхней горелкой»
150101.2008.1754.00.00 ПЗ
Златоуст 2008
Аннотация
В проекте выполнены следующие расчёты: расчет горения топлива, определение размеров рабочего пространства печи, расчет нагрева металла, расчет теплового баланса печи, расчет топливосжигающего устройства и расчет рекуператора. Произведен выбор огнеупорной футеровки и способа утилизации дымовых газов.
Оглавление
1 Расчёт горения топлива
2 Определение размеров рабочего пространства печи
3 Расчёт нагрева металла
3.1 Температурный режим нагрева металла
3.2 Время нагрева металла
3.2.1 Первый интервал
3.2.2 Второй интервал
3.2.3 Третий интервал
4 Выбор огнеупорной футеровки
5 Расчёт теплового баланса печи
5.1 Приход тепла
5.2 Расход тепла
5.3 Потери тепла через свод печи
5.4 Потери тепла через стены печи
6 Расчёт топливосжигающего устройства
7 Расчёт рекуператора
8 Выбор способа утилизации дымовых газов
Библиографический список
Приложение
1 лист формата А1
1 лист формата А3
Электронная версия презентации
Электронная версия пояснительной записки
1 Расчет горения топлива
Расчет горения топлива выполняют с целью определения: количества необходимого для горения воздуха, количества и состава продуктов сгорания и температуры горения. Состав сухого природного газа приведен в таблице 1.
Таблица 1 – Состав сухого природного газа
| Название |
СН4
|
С2
|
С3
|
С4
|
СО2
|
Н2
|
N2
|
| Процентная доля, (%) |
85,78 |
4,84 |
1,48 |
1,038 |
0,581 |
1,267 |
4,95 |
Для сжигания газа выбираем инжекторную горелку, для данной конструкции горелки коэффициент расхода воздуха n
= 1,1. Влажность природного газа принимаем W
= 30 г/м3
. Произведем пересчет состава сухого газа на влажное (рабочее) состояние (по формуле 1):
, (1)
где W
P
– процентное содержание влаги в рабочем топливе.
Состав влажных газов рассчитываем (по формуле 2):
(2)
Определяем состав влажных газов (по формуле 2):
;
;
;
;
;
;
.
где Х
Р
, Х
С
– процентное содержание компонентов природного газа соответственно в рабочей и сухой массах.
Таблица 2 – Состав влажных газов
| Название |
СН4
|
С2
|
С3
|
С4
|
СО2
|
Н2
|
N2
|
| Процентная доля, (%) |
82,699 |
4,666 |
1,427 |
1,001 |
0,560 |
1,221 |
4,772 |
Низшую теплоту сгорания находим (по формуле 3):
(кДж/м3
)(3)
Находим расход кислорода при сжигании природного газа при коэффициенте расхода воздуха n
= 1,1 (по формуле 4):
(м3
/м3
) (4)
Расход сухого воздуха при n
= 1,1находится (по формуле 5):
(м3
/м3
) (5)
Находим объемы компонентов продуктов сгорания. Находим объём сгорания углекислого газа (по формуле 6):
(м3
/м3
) (6)
Находим объём сгорания компонента (по формуле 7):
=
(м3
/м3
) (7)
Находим объём сгорания компонента азот (по формуле 8):
(м3
/м3
) (8)
Находим объём сгорания компонента (по формуле 9):
(м3
/м3
). (9)
Суммарный состав продуктов сгорания находится (по формуле 10):
(м3
/м3
) (10)
Процентный состав продуктов сгорания находим как отношение объёма компонента ко всему объёму продуктов сгорания (см.[1]):
;
;
;
.
Правильность расчета проверяем составлением материального баланса.
Таблица 3 – Материальный баланс
Единицы измерения – кг
| Поступило |
Получено |
||
| СН4
|
0,82699 ∙ 0,714 = 0,590 |
СО2
|
1,021 ∙ 1,964 = 2,005 |
| С2
|
0,04666 ∙ 1,250 = 0,058 |
Н2
|
1,904 ∙ 0,804 = 1,531 |
| С3
|
0,01427 ∙ 1,964 = 0,028 |
N2
|
8,113 ∙ 1,250 = 10,141 |
| С4
|
0,01001 ∙ 2,589 = 0,026 |
О2
|
0,1949 ∙ 1,429 = 0,279 |
| N2
|
0,04772 ∙ 1,250 = 0,060 |
||
| Н2
|
0,03726 ∙ 0,804= 0,030 |
||
| Н2
|
0,01221 ∙ 1,696 = 0,021 |
||
| СО2
|
0,0056 ∙ 1,964 = 0,011 |
||
| Всего |
0,824 |
Всего |
13,956 |
| Воздух |
10,209 ∙ 1,293 = 13,200 |
Невязка |
0,078 |
| Итого |
14,024 |
||
Плотность газа находится (по формуле 11):
(кг/м3
). (11)
Плотность продуктов сгорания вычислим (по формуле 12):
(кг/м3
). (12)
Для определения калориметрической температуры горения найдем энтальпию продуктов сгорания с учетом подогрева воздуха (по формуле 13):
(кДж/м3
), (13)
где i
В
=1109,05 кДж/м3
при t
В
= 800 °
С (см. [1]).
Зададим температуру t
’
К
= 2500 °
С и при этой температуре находим энтальпию продуктов сгорания (см. [1]) (по формуле 14):
4238 (кДж/м3
) (14)
Поскольку i
2500
> i
0
, принимаем t
’’
К
= 2400 °С и снова находим энтальпию продуктов сгорания по формуле (15):
(кДж/м3
)(15)
Находим калориметрическую температуру горения газа заданного состава по следующей формуле (по формуле 16):
(°С) (16)
Действительная температура горения вычисляется (по формуле 17):
=(°С) (17)
где – пирометрический коэффициент. Принимаем его равным 0,75.
2 Определение размеров рабочего пространства печи
Внутренние размеры рабочего пространства печи определяются на основании практических данных.
Ширина рабочего пространства вычисляется (по формуле 18) (см. [2]):
(м), (18)
где n
– количество рядов заготовок по ширине печи, принимаем n
= 3
a
– зазор между рядами заготовок и между заготовками и стенками печи, принимаем а =
0,25 м .
Для обеспечения производительности 20,83 кг/с в печи должно одновременно находится 120 тонн металла.
Масса одной заготовки равна 3,7 тонн (см.[3]).
Количество заготовок, которые могут одновременно находиться в печи, рассчитываем (по формуле 19):
(шт) (19)
Принимаем штуки.
В двухрядном расположении заготовок общая длина печи рассчитывается (по формуле 20):
(м) (20)
При ширине печи , площадь пода находится (по формуле 21):
(м2
) (21)
3 Расчет нагрева металла
3.1 Температурный режим нагрева металла
Процесс нагрева разделяют на ряд периодов, при этом температура печных газов в различные периоды разная. Температурный режим нагрева влияет на изменение температуры газов в печи.
На рисунке 1 показаны графики изменения температуры газов t
Г
, температуры поверхности t
П
и центра заготовки t
Ц
в течение процесса нагрева.
Рисунок 1 – График изменения температуры в процессе нагрева металла:двухступенчатый нагрев
Температура газов в печи в момент загрузки заготовок t
0Г
зависит от величины допускаемых термических напряжений, конструкции печи, ее топливной инерции.
Значение температуры газов во втором периоде t
2Г
при двухступенчатом режиме нагрева и в третьем периоде t
3Г
при трехступенчатом режиме назначается таким, чтобы получить в конце нагрева разность температур по сечению Δt
К
не более допустимой величины. Допустимую разность температур по сечению принимают обычно по практическим данным при нагреве в следующих пределах:
– для высоколегированных сталей Δt
К
=
100S
;
– для других марок стали Δt
К
=
200S
при S
≤ 0,1 (м);
Расчет допустимой разности температур по сечению заготовки проводится (по формуле 22):
Δt
К
=
300S
=300∙ (22)
где S
– прогреваемая толщина металла, S
> 0,2 (м).
Обычно величина t
3Г
составляет (по формуле 23):
(0
С), (23)
где t
ПК
– конечная температура поверхности металла, 0
С (см. [1]).
Температура газов во втором периоде t
2Г
при трехступенчатом режиме нагрева определяется из условий службы огнеупоров и других соображений. Величина t
2Г
обычно равна (по формуле 24):
(0
С) (24)
Температуры поверхности металла в конце промежуточных этапов t
П
и температуры центра t
Ц
предварительно задаются на основе практических данных, а затем уточняются расчетом.
3.2 Время нагрева металла
Изделие является достаточно массивным, поэтому примем, что температурный режим состоит из двух периодов: нагрева и выдержки. В период нагрева температура поверхности изделия повышается от до , температура дымовых газов в печи t
Г
меняется от 700 ºС до значения, вычисленного (по формуле 25):
(0
С) (25)
Температура футеровки находится (по формуле 26):
(0
С) (26)
Период нагрева разобьём на три интервала, в пределах которых температуру продуктов сгорания будем считать постоянной.
В период нагрева тепловая нагрузка печи (расход топлива) неизменна. В период выдержки тепловая нагрузка печи снижается так, что температура дымовых газов , металла и футеровки остаются неизменными.
Площадь тепловоспринимающей поверхности металла (по формуле 27):
(м2
) (27)
Площадь внутренней поверхности рабочего пространства печи (за вычетом площади, занятой металлом) находится (по формуле 28):
(м2
) (28)
Степень развития кладки находится (по формуле 29):
(29)
Эффективная длина луча находится (по формуле 30):
(м) (30)
3.2.1 Период нагрева
3.2.1.1 Первый интервал
Средние за интервал температуры вычисляются путем среднего арифметического между начальной температурой интервала и конечной равны (см. [1]):
Парциальные давления излучающих компонентов продуктов сгорания равны (см. [1]):
(кПа), (сюда включено );
(кПа).
Произведения парциальных давлений на эффективную длину луча
равны (см. [1]):
(кПа∙м);
(кПа∙м).
По номограммам (см. [1]) при находим:
Плотность потока результирующего излучения металла находим по формуле, принимая степень черноты металла равной и шамотной кладки , находим значения комплексов.
Находим значение комплекса М (по формуле 31):
(31)
Находим значение комплекса А (по формуле 32):
(32)
Находим значение комплекса В (по формуле 33):
(33)
Находим значение результирующего потока энергии (по формуле 34):
(34)
Коэффициент теплоотдачи излучением в 1-м интервале периода нагрева находится следующим образом (формула 35):
(35)
Принимая значение коэффициента теплоотдачи конвекцией равным Вт/м2
∙К, находим величину суммарного коэффициента теплоотдачи (по формуле 36):
(36)
Заготовку прямоугольного сечения с b
/h
< 1,8 можно представить в виде эквивалентного цилиндра с диаметром, вычисляемым (по формуле 37)
(м) (37)
Для заготовок, у которых отношение длины к эквивалентному диаметру , можно пренебречь передачей тепла через торцевые стенки.
В случае четырехстороннего нагрева коэффициент несимметричности нагрева равен (см. [1]) расчётная толщина вычисляется (по формуле 38):
(м) (38)
где – коэффициент несимметричности нагрева;
– геометрическая толщина изделия, м.
Критерий Био находится (по формуле 39):
(39)
где (Вт/м2
∙К) (см. [1])при
Температурный критерий находится (по формуле 40):
(40)
По номограмме для поверхности цилиндра (см. [1]) находим значение критерия Фурье:
Продолжительность 1-го интервала периода нагрева (по формуле 41):
(с) (41)
где а
= м2
/с – коэффициент температуропроводности стали при (см. [1]).
Найдем температуру в середине заготовки в конце 1-го интервала периода нагрева. Для этого по номограмме для центра цилиндра (см. [1]) при значениях находим . Температура центра находится (по формуле 42):
. (42)
Среднюю по массе температуру заготовки в конце 1-го (в начале 2-го) интервала периода нагрева находим (по формуле 43):
.
(43)
3.2.1.2 Второй интервал
Средние за интервал температуры продуктов сгорания и поверхностей металла и кладки равны (см. [1]):
Произведения парциальных давлений на эффективную длину луча (см. [1]) равны:
(кПа∙м);
(кПа∙м).
По номограммам (см. [1]) при находим:
Находим значение комплекса М (по формуле 31):
Находим значение комплекса А (по формуле 32):
Находим значение комплекса В (по формуле 33):
Находим значение результирующего потока энергии (по формуле 34):
Средний за второй интервал коэффициент теплоотдачи излучением (по формуле 35):
С учетом конвективного теплообмена (по формуле 36):
(Вт/м2
∙К)
Значение критерия Био (по формуле 39):
Значения температурного критерия (по формуле 40):
По номограмме (см. [1]) находим, что .
Продолжительность второго интервала периода нагрева (формула 41):
(с)
Найдем температуру в середине заготовки в конце второго интервала периода нагрева (по формуле 42). Для этого по номограмме для центра цилиндра (см. [1]) при значениях находим .
Среднюю по сечению температуру заготовки в конце второго (в начале третьего) интервала периода нагрева находим (по формуле 43):
3.2.1.3 Третий интервал
Средние за интервал температуры продуктов сгорания и поверхностей металла и кладки равны (см. [1]):
Произведения парциальных давлений на эффективную длину луча (см. [1]) равны:
По номограммам (см. [1]) при находим:
Находим значение комплекса М (по формуле 31):
Находим значение комплекса А (по формуле 32):
Находим значение комплекса В (по формуле 33):
Находим значение результирующего потока энергии (по формуле 34):
Средний за интервал коэффициент теплоотдачи излучением (формула 32):
(Вт/м2
∙К)
А с учетом конвективного теплообмена (по формуле 36):
(Вт/м2
∙К)
Значение критерия Био (по формуле 39):
;
где λ = 30 (Вт/м × К)
Значения температурного критерия (по формуле 40):
По номограмме (см. [1]) определяем .
Продолжительность третьего интервала периода нагрева (формула 41):
,
где а
= 5,83 × 10-6
м2
/с при 1100 0
С (см. [1]).
Найдем температуру в середине заготовки в конце 3-го интервала периода нагрева (по ф
Перепад температур по сечению заготовки в конце периода нагрева (по формуле 43):
Общая продолжительность периода нагрева (по формуле 44):
(44)
Согласно технологической инструкции, время нагрева стали 45 в нагревательном колодце составляет 1,58 часа (см. [3]).
3.2.2 Период выдержки
В течение периода выдержки средняя температура продуктов сгорания равна (см. [1]):
Температура поверхности металла (см. [1]):
Температура кладки (см. [1]):
В конце периода выдержки перепад температур по сечению заготовки ,тогда степень выравнивания рассчитывается (по формуле 45):
(45)
По номограмме (см. [1]) находим значение критерия Фурье для периода выдержки.
Тогда продолжительность периода выдержки (по формуле 46):
(46)
Общее время пребывания металла в печи (по формуле 47):
(47)
4 Футеровка печи
Футеровка печи выполняется, как правило, многослойной: огнеупорный слой и теплоизоляционный. Подину колодцев выкладывают обычно в три слоя: внутренний слой из хромомагнезитного кирпича, средний – шамотный кирпич, внешний теплоизоляционный слой из диатомитового кирпича.
Стена колодцев выполняют трехслойными. Внешний слой – теплоизоляционный, затем слой шамотного кирпича. Внутренний слой в нижней части стен (приблизительно на 1 м высоты) выполняют из хромомагнезита, остальное из динаса.
В настоящее время применяют крышки как с арочной футеровкой, так и с подвесным сводом. И в том, и в другом случае можно применять шамотный кирпич (см. [2]).
Футеровка печи приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Футеровка печи:
1 – шамотная присыпка;
2 – динас;
3 – хромомагнезит
Выбрана следующая кладка. Стены печи состоят из слоя динаса толщиной = 0,23 м и слоя хромомагнезита толщиной = 0,35 м.
Суммарная толщина кладки равна 0,57 м, что не превышает максимально допустимые 0,6 м.
5 Тепловой баланс печи
Тепловой баланс рабочего пространства печи представляет собой уравнение, связывающее приход и расход тепла. При проектировании печи тепловой баланс составляют с целью определения расхода топлива (в топливных печах) или мощности (в электрических печах). В этом случае статьи расхода и прихода тепла определяют расчетным путем.
Тепловой баланс действующей печи составляют с целью определения технико-экономических показателей ее работы. В этом случае статьи баланса можно определять как экспериментально, так и расчетом.
Для печей непрерывного действия тепловой баланс обычно составляют на единицу времени, для печей периодического действия – на время цикла (или отдельного периода обработки).
5.1 Приход тепла:
– тепло от горения топлива вычисляется (по формуле 48):
(кВт), (48)
где В
– расход топлива, м3
/с;
– тепло, вносимое подогретым воздухом (по формуле 49):
(кВт), (49)
где i
В
– энтальпия воздуха при температуре t
В
= 800 °С (см.[1]);
V
В
– расход сухого воздуха.
– тепло экзотермических реакций (принимаем, что угар металла составляет 1%, а при окислении 1 кг металла выделяется 5652 кДж) вычисляется (по формуле 50):
(кВт), (50)
где Р
– производительность печи, кг/с;
а
– угар металла.
5.2 Расход тепла
– тепло, затраченное на нагрев металла вычисляется (по формуле 51):
(кВт), (51)
где – энтальпии малоуглеродистой (Ст.45) стали (см.[1]):
– тепло, уносимое уходящими дымовыми газами в (по формуле 52):
(кВт) (52)
Находим энтальпию продуктов сгорания i
П.С
при температуре t
0Г
= 800 °С (см.[1]):
(кДж/м3
);
(кДж/м3
);
(кДж/м3
);
(кДж/м3
);
i
П.С
= 1192,127 (кДж/м3
).
– потери тепла теплопроводностью через кладку. Потерями тепла через под пренебрегаем.
5.3 Потери тепла через свод печи
Площадь свода принимаем равной площади пода F
С
= 32,5 м2
; толщина свода 0,3 м; материал – хромомагнезит.
Принимаем, что температура внутренней поверхности свода равна средней по длине печи температуре газов, которая равна (по формуле 53) (см.[1]):
(°C) (53)
Примем температуру окружающей среды равной t
ОК
= 20 °С, а температуру наружной поверхности свода t
НАР
= 300 °С.
При средней по толщине температуре свода коэффициент теплопроводности каолина (см.[1]) вычисляется (по формуле 54):
(°С) (54)
Коэффициент теплопроводности хромомагнезита (по формуле 55):
(Вт/м∙К) (55)
Тогда потери тепла через свод печи вычисляется (по формуле 56):
(кВт) (56)
5.4 Потери тепла через стены печи
Стены печи состоят из слоя динаса толщиной = 0,23 м и слоя хромомагнезита толщиной = 0,35 м.
Наружная поверхность стен (см.[1]) вычисляется следующим образом:
– методической зоны и сварочной зоны вычисляется (по формуле 57):
(м2
) (57)
– торцов печи вычисляется (по формуле 58):
(м2
) (58)
– полная площадь стен вычисляется (по формуле 59):
(м2
) (59)
Коэффициенты теплопроводности для принятых материалов (см.[1]):
Далее определяем среднюю температуру для каждого материала (см.[1]). Используется следующая формула:
(60)
В полученных формулах является неизвестной переменной. Она вычисляется решением уравнения (формула 61):
(61)
Зная температуру между слоями, можно найти (по формуле 62):
(62)
Данные температуры удовлетворяют условиям эксплуатации, так как они меньше максимально допустимых (см.[1]).
Вычисление коэффициента теплопроводности при температуре (см.[1]):
Тепловой поток равен частному от деления разности температур кладки и на сумму сопротивлений огнеупоров (по формуле 63):
(Вт/м2
) (63)
где .
Проверяем принятое значение температуры наружной поверхности стенки. (по формуле 64):
(°С) (64)
Вычисляем относительную погрешность (по формуле 65):
(65)
Общее количество тепла, теряемое теплопроводностью через кладку, определяется (по формуле 66):
(кВт), (66)
где кВт
Потери тепла с охлаждающей водой по практическим данным принимаются равными 10% от тепла, вносимого топливом и воздухом (по формуле 67):
(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
|
(%) |
Статьи расхода |
Q
|
(%) |
| 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 |
6 Выбор топливосжигающих устройств
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 % Н2
О, 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