Федеральноеагентство по образованию Российской Федерации
Южно –Уральский Государственный университет
Филиал ГОУВПО «ЮУрГУ» в г. Златоусте
Факультетметаллургический
Кафедра«Общей металлургии»
Пояснительнаязаписка к курсовому проекту
по курсу«Теплотехника»
на тему«Расчет рекуперативного нагревательного колодца с одной
верхнейгорелкой»
150101.2008.1754.00.00ПЗ
Златоуст 2008
Аннотация
В проекте выполнены следующие расчёты: расчет горения топлива,определение размеров рабочего пространства печи, расчет нагрева металла, расчеттеплового баланса печи, расчет топливосжигающего устройства и расчетрекуператора. 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 топливавыполняют с целью определения: количества необходимого для горения воздуха,количества и состава продуктов сгорания и температуры горения. Состав сухогоприродного газа приведен в таблице 1.
Таблица 1 – Состав сухогоприродного газа Название
СН4
С2Н4
С3Н8
С4Н10
СО2
Н2S
N2 Процентная доля, (%) 85,78 4,84 1,48 1,038 0,581 1,267 4,95
Для сжигания газавыбираем инжекторную горелку, для данной конструкции горелки коэффициент расходавоздуха n= 1,1. Влажность природного газапринимаем W= 30 г/м3. Произведемпересчет состава сухого газа на влажное (рабочее) состояние (по формуле 1):
/>/>, (1)
где WP– процентное содержание влаги врабочем топливе.
Состав влажных газоврассчитываем (по формуле 2):
/> (2)
Определяем состав влажныхгазов (по формуле 2):
/>;
/>;
/>;
/>;
/>;
/>;
/>.
где ХР,ХС – процентное содержание компонентов природного газасоответственно в рабочей и сухой массах.
Таблица 2 – Состав влажныхгазовНазвание
СН4
С2Н4
С3Н8
С4Н10
СО2
Н2S
N2 Процентная доля, (%) 82,699 4,666 1,427 1,001 0,560 1,221 4,772
Низшую теплоту сгораниянаходим (по формуле 3):
/>
/>
/>(кДж/м3)(3)
Находим расход кислородапри сжигании природного газа при коэффициенте расхода воздуха n = 1,1 (по формуле 4):
/>
/>
/>(м3/м3) (4)
Расход сухого воздуха приn = 1,1находится (по формуле 5):
/> (м3/м3) (5)
Находим объемыкомпонентов продуктов сгорания. Находим объём сгорания углекислого газа (поформуле 6):
/>
/> (м3/м3)(6)
Находим объём сгораниякомпонента />(по формуле 7):
/>=
/>
/> (м3/м3) (7)
Находим объём сгораниякомпонента азот (по формуле 8):
/>(м3/м3) (8)
Находим объём сгораниякомпонента (по формуле 9):
/> (м3/м3). (9)
Суммарный составпродуктов сгорания находится (по формуле 10):
/> (м3/м3) (10)
Процентный составпродуктов сгорания находим как отношение объёма компонента ко всему объёмупродуктов сгорания (см.[1]):
/>;
/>;
/>;
/>.
Правильность расчетапроверяем составлением материального баланса.
Таблица 3 – Материальныйбаланс
Единицы измерения – кгПоступило Получено
СН4 0,82699 ∙ 0,714 = 0,590
СО2 1,021 ∙ 1,964 = 2,005
С2Н4 0,04666 ∙ 1,250 = 0,058
Н2О 1,904 ∙ 0,804 = 1,531
С3Н8 0,01427 ∙ 1,964 = 0,028
N2 8,113 ∙ 1,250 = 10,141
С4Н10 0,01001 ∙ 2,589 = 0,026
О2 0,1949 ∙ 1,429 = 0,279
N2 0,04772 ∙ 1,250 = 0,060
Н2О 0,03726 ∙ 0,804= 0,030
Н2S 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 продуктовсгорания вычислим (по формуле 12):
/> (кг/м3). (12)
Для определения калориметрическойтемпературы горения найдем энтальпию продуктов сгорания с учетом подогревавоздуха (по формуле 13):
/> (кДж/м3), (13)
где iВ=1109,05 кДж/м3 при tВ= 800 °С (см. [1]).
Зададим температуру t’К = 2500 °С и при этой температуре находимэнтальпию продуктов сгорания (см. [1]) (поформуле 14):
/>
/> 4238 (кДж/м3) (14)
Поскольку i2500 > i0, принимаем t’’К = 2400°С и снова находим энтальпию продуктовсгорания по формуле (15):
/> (кДж/м3)(15)
Находим калориметрическуютемпературу горения газа заданного состава по следующей формуле (по формуле 16):
/>/>(°С) (16)
Действительнаятемпература горения вычисляется (по формуле 17):
/>=/>(°С)(17)
где /> – пирометрический коэффициент.Принимаем его равным 0,75.
2 Определение размероврабочего пространства печи
Внутренние размерырабочего пространства печи определяются на основании практических данных.
Ширина рабочегопространства вычисляется (по формуле 18) (см. [2]):
/>/>(м), (18)
где n – количество рядов заготовок поширине печи, принимаем n=3
a – зазор между рядами заготовок и междузаготовками и стенками печи, принимаем а =0,25 м.
Для обеспеченияпроизводительности 20,83 кг/с в печи должно одновременно находится 120 тонн металла.
Масса одной заготовкиравна 3,7 тонн (см.[3]).
Количество заготовок, которыемогут одновременно находиться в печи, рассчитываем (по формуле 19):
/>(шт) (19)
Принимаем /> штуки.
В двухрядном расположениизаготовок общая длина печи рассчитывается (по формуле 20):
/>(м) (20)
При ширине печи />, площадь пода находится (поформуле 21):
/>(м2) (21)
3 Расчет нагрева металла
3.1 Температурный режимнагрева металла
Процесс нагрева разделяютна 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 графикиизменения температуры газов tГ,температуры поверхности tП и центразаготовки tЦ в течение процесса нагрева.
/>
Рисунок 1 – Графикизменения температуры в процессе нагрева металла: двухступенчатый нагрев
Температура газов в печив момент загрузки заготовок t0Г зависитот величины допускаемых термических напряжений, конструкции печи, ее топливнойинерции.
Значение температурыгазов во втором периоде t2Г придвухступенчатом режиме нагрева и в третьем периоде t3Г при трехступенчатом режименазначается таким, чтобы получить в конце нагрева разность температур посечению ΔtК не более допустимой величины. Допустимуюразность температур по сечению принимают обычно по практическим данным принагреве в следующих пределах:
– для высоколегированныхсталей ΔtК= 100S;
– для других марок сталиΔtК= 200Sпри S ≤ 0,1 (м);
Расчет допустимойразности температур по сечению заготовки проводится (по формуле 22):
ΔtК= 300S=300∙/> (22)
где S – прогреваемая толщина металла,S > 0,2 (м).
Обычно величина t3Г составляет (по формуле 23):
/>(0С), (23)
где tПК – конечная температура поверхностиметалла, 0С (см. [1]).
Температура газов вовтором периоде t2Г при трехступенчатом режиме нагреваопределяется из условий службы огнеупоров и других соображений. Величина t2Г обычно равна (по формуле 24):
/>(0С) (24)
Температуры поверхностиметалла в конце промежуточных этапов tП и температуры центра tЦ предварительно задаются на основе практическихданных, а затем уточняются расчетом.
3.2 Время нагрева металла
Изделие являетсядостаточно массивным, поэтому примем, что температурный режим состоит из двухпериодов: нагрева и выдержки. В период нагрева температура поверхности изделияповышается от />до />, температура дымовых газовв печи tГ меняется от 700 ºС до значения,вычисленного (по формуле 25):
/>(0С) (25)
Температура футеровкинаходится (по формуле 26):
/>(0С) (26)
Период нагрева разобьёмна три интервала, в пределах которых температуру продуктов сгорания будемсчитать постоянной.
В период нагрева тепловаянагрузка печи (расход топлива) неизменна. В период выдержки тепловая нагрузкапечи снижается так, что температура дымовых газов />,металла /> и футеровки /> остаются неизменными.
Площадьтепловоспринимающей поверхности металла (по формуле 27):
/> (м2) (27)
Площадь внутреннейповерхности рабочего пространства печи (за вычетом площади, занятой металлом)находится (по формуле 28):
/>
/> (м2) (28)
Степень развития кладки находится(по формуле 29):
/> (29)
Эффективная длина лучанаходится (по формуле 30):
/>(м) (30)
3.2.1 Период нагрева
3.2.1.1 Первый интервал
Средние за интервалтемпературы вычисляются путем среднего арифметического между начальнойтемпературой интервала и конечной равны (см. [1]):
/>
Парциальные давленияизлучающих компонентов продуктов сгорания равны (см. [1]):
/>(кПа), (сюда включено />);
/>(кПа).
Произведения парциальныхдавлений на эффективную длину луча
равны (см. [1]):
/>(кПа∙м);
/>(кПа∙м).
По номограммам (см. [1]) при/> находим:
/>
Плотность потокарезультирующего излучения металла находим по формуле, принимая степень чернотыметалла равной /> и шамотнойкладки />, находим значениякомплексов.
Находим значениекомплекса М (по формуле 31):
/> (31)
Находим значениекомплекса А (по формуле 32):
/> (32)
Находим значениекомплекса В (по формуле 33):
/> (33)
Находим значениерезультирующего потока энергии (по формуле 34):
/> (34)
Коэффициент теплоотдачиизлучением в 1-м интервале периода нагрева находится следующим образом (формула35):
/> (35)
Принимая значениекоэффициента теплоотдачи конвекцией равным />Вт/м2∙К,находим величину суммарного коэффициента теплоотдачи (по формуле 36):
/> (36)
Заготовку прямоугольногосечения с b/h
/> (м) (37)
Для заготовок, у которыхотношение длины к эквивалентному диаметру />,можно пренебречь передачей тепла через торцевые стенки.
В случаечетырехстороннего нагрева коэффициент несимметричности нагрева равен /> (см. [1]) расчётнаятолщина вычисляется (по формуле 38):
/> (м) (38)
где /> – коэффициентнесимметричности 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 дляповерхности цилиндра (см. [1]) находим значение критерия Фурье:
/>
Продолжительность 1-гоинтервала периода нагрева (по формуле 41):
/> (с) (41)
где а = /> м2/с –коэффициент температуропроводности стали при /> (см.[1]).
Найдем температуру всередине заготовки в конце 1-го интервала периода нагрева. Для этого пономограмме для центра цилиндра (см. [1]) при значениях /> находим />. Температура центранаходится (по формуле 42):
/>. (42)
Среднюю по массетемпературу заготовки в конце 1-го (в начале 2-го) интервала периода нагреванаходим (по формуле 43):
/>. (43)
3.2.1.2 Второй интервал
Средние за интервалтемпературы продуктов сгорания и поверхностей металла и кладки равны (см. [1]):
/>
/>
/>
Произведения парциальныхдавлений на эффективную длину луча (см. [1]) равны:
/>(кПа∙м);
/>(кПа∙м).
По номограммам (см. [1])при /> находим:
/>
Находим значениекомплекса М (по формуле 31):
/>
Находим значениекомплекса А (по формуле 32):
/>
Находим значениекомплекса В (по формуле 33):
/>
Находим значениерезультирующего потока энергии (по формуле 34):
/>
Средний за второйинтервал коэффициент теплоотдачи излучением (по формуле 35):
/>
С учетом конвективноготеплообмена (по формуле36):
/>/>(Вт/м2∙К)
Значение критерия Био (поформуле 39):
/>
Значения температурногокритерия (по формуле 40):
/>
По номограмме (см. [1]) находим,что />.
Продолжительность второгоинтервала периода нагрева (формула 41):
/>(с)
Найдем температуру всередине заготовки в конце второго интервала периода нагрева (по формуле 42).Для этого по номограмме для центра цилиндра (см. [1]) при значениях /> находим />.
/>
Среднюю по сечениютемпературу заготовки в конце второго (в начале третьего) интервала периоданагрева находим (по формуле 43):
/>
3.2.1.3 Третий интервал
Средние за интервалтемпературы продуктов сгорания и поверхностей металла и кладки равны (см. [1]):
/>
/>
/>
Произведения парциальныхдавлений на эффективную длину луча (см. [1]) равны:
/>
По номограммам (см. [1])при /> находим:
/>
/>
Находим значениекомплекса М (по формуле 31):
/>
Находим значениекомплекса А (по формуле 32):
/>
Находим значениекомплекса В (по формуле 33):
/>
Находим значениерезультирующего потока энергии (по формуле 34):
/>
Средний за интервалкоэффициент теплоотдачи излучением (формула 32):
/>(Вт/м2∙К)
А с учетом конвективноготеплообмена (по формуле36):
/>(Вт/м2∙К)
Значение критерия Био (поформуле 39):
/>;
где λ = 30 (Вт/м × К)
Значения температурногокритерия (по формуле 40):
/>
По номограмме (см. [1]) определяем/>.
Продолжительность третьегоинтервала периода нагрева (формула 41):
/>,
где а = 5,83 × 10-6 м2/с при />1100 0С (см. [1]).
Найдем температуру всередине заготовки в конце 3-го интервала периода нагрева (по формуле 42). Дляэтого по номограмме для центра цилиндра (см. [1]) при значениях /> находим />.
/>
Перепад температур посечению заготовки в конце периода нагрева (по формуле 43):
/>
Общая продолжительностьпериода нагрева (по формуле 44):
/> (44)
Согласно технологическойинструкции, время нагрева стали 45 в нагревательном колодце составляет 1,58часа (см. [3]).
3.2.2 Период выдержки
В течение периодавыдержки средняя температура продуктов сгорания равна (см. [1]):
/>
Температура поверхностиметалла (см. [1]):
/>
Температура кладки (см. [1]):
/>
В конце периода выдержкиперепад температур по сечению заготовки />, тогдастепень выравнивания рассчитывается (по формуле 45):
/> (45)
По номограмме (см. [1]) находимзначение критерия Фурье для периода выдержки. />
Тогда продолжительностьпериода выдержки (по формуле 46):
/> (46)
Общее время пребыванияметалла в печи (по формуле 47):
/> (47)
4 Футеровка печи
Футеровка печи выполняется,как правило, многослойной: огнеупорный слой и теплоизоляционный. Подинуколодцев выкладывают обычно в три слоя: внутренний слой из хромомагнезитногокирпича, средний – шамотный кирпич, внешний теплоизоляционный слой издиатомитового кирпича.
Стена колодцев выполняюттрехслойными. Внешний слой – теплоизоляционный, затем слой шамотного кирпича. Внутреннийслой в нижней части стен (приблизительно на 1 м высоты) выполняют изхромомагнезита, остальное из динаса.
В настоящее времяприменяют крышки как с арочной футеровкой, так и с подвесным сводом. И в том, ив другом случае можно применять шамотный кирпич (см. [2]).
Футеровка печи приведенана 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 кладкиравна 0,57 м, что не превышает максимально допустимые 0,6 м.
5 Тепловой баланс печи
Тепловой баланс рабочегопространства печи представляет собой уравнение, связывающее приход и расходтепла. При проектировании печи тепловой баланс составляют с целью определениярасхода топлива (в топливных печах) или мощности (в электрических печах). Вэтом случае статьи расхода и прихода тепла определяют расчетным путем.
Тепловой балансдействующей печи составляют с целью определения технико-экономическихпоказателей ее работы. В этом случае статьи баланса можно определять какэкспериментально, так и расчетом.
Для печей непрерывногодействия тепловой баланс обычно составляют на единицу времени, для печейпериодического действия – на время цикла (или отдельного периода обработки).
5.1 Приход тепла:
– тепло от горениятоплива вычисляется (по формуле 48):
/> />(кВт),(48)
где В – расходтоплива, м3/с;
– тепло, вносимоеподогретым воздухом (по формуле 49):
/>/> (кВт), (49)
где iВ – энтальпия воздуха при температуре tВ = 800 °С (см.[1]);
VВ– расход сухого воздуха.
– тепло экзотермическихреакций (принимаем, что угар металла составляет 1%, а при окислении 1 кгметалла выделяется 5652 кДж) вычисляется (по формуле 50):
/>/> (кВт), (50)
где Р –производительность печи, кг/с;
а – угар металла.
5.2 Расход тепла
– тепло, затраченное нанагрев металла вычисляется (по формуле 51):
/>/> (кВт), (51)
где /> – энтальпиималоуглеродистой (Ст.45) стали (см.[1]):
– тепло, уносимоеуходящими дымовыми газами в (по формуле 52):
/> (кВт) (52)
Находим энтальпиюпродуктов сгорания iП.С притемпературе t0Г = 800°С (см.[1]):
/> (кДж/м3);
/> (кДж/м3);
/> (кДж/м3);
/> (кДж/м3);
iП.С = 1192,127 (кДж/м3).
– потери теплатеплопроводностью через кладку. Потерями тепла через под пренебрегаем.
5.3 Потери тепла черезсвод печи
Площадь свода принимаемравной площади пода FС= 32,5 м2; толщина свода0,3 м; материал – хромомагнезит.
Принимаем, чтотемпература внутренней поверхности свода равна средней по длине печи температурегазов, которая равна (по формуле 53) (см.[1]):
/> (°C) (53)
Примем температуруокружающей среды равной tОК= 20°С, а температурунаружной поверхности свода tНАР= 300°С.
При средней по толщинетемпературе свода коэффициент теплопроводности каолина (см.[1]) вычисляется (поформуле 54):
/> (°С) (54)
Коэффициенттеплопроводности хромомагнезита (по формуле 55):
/>(Вт/м∙К) (55)
Тогда потери тепла черезсвод печи вычисляется (по формуле 56):
/> (кВт) (56)
5.4 Потери тепла черезстены печи
Стены печи состоят изслоя динаса толщиной /> = 0,23 м и слояхромомагнезита толщиной /> = 0,35м.
Наружная поверхность стен(см.[1]) вычисляется следующим образом:
– методической зоны исварочной 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 теплопроводностидля принятых материалов (см.[1]):
/>
Далее определяем среднюютемпературу для каждого материала (см.[1]). Используется следующая формула:
/> (60)
В полученных формулах /> является неизвестнойпеременной. Она вычисляется решением уравнения (формула 61):
/>
/>/> (61)
Зная температуру междуслоями, можно найти (по формуле 62):
/> (62)
Данные температурыудовлетворяют условиям эксплуатации, так как они меньше максимально допустимых (см.[1]).
Вычисление коэффициентатеплопроводности при температуре />(см.[1]):
/>
Тепловой поток равенчастному от деления разности температур кладки и /> насумму сопротивлений огнеупоров (по формуле 63):
/>(Вт/м2) (63)
где />.
Проверяем принятоезначение температуры наружной поверхности стенки. (по формуле 64):
/> (°С) (64)
Вычисляем относительнуюпогрешность (по формуле 65):
/> (65)
Общее количество тепла,теряемое теплопроводностью через кладку, определяется (по формуле 66):
/> (кВт), (66)
где /> кВт
Потери тепла сохлаждающей водой по практическим данным принимаются равными 10% от тепла,вносимого топливом и воздухом (по формуле 67):
/> (кВт) (67)
Неучтенные потери теплаопределяем по следующей формуле:
/> кВт (68)
Уравнение тепловогобаланса будет иметь вид (по формуле 69):
/>
/> (69)
Расход топлива дляметодической печи /> м3/с.
Тепловой баланс печипредставлен в таблице 1.
Таблица 1 – Тепловойбаланс печиСтатьи 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
6 Выбор топливосжигающихустройств
Подбираем горелку типа «трубав 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. Газхолодный (по условию подогрев топлива отсутствует), а воздух подогрет дотемпературы 800 °С. Коэффициент расхода воздуха n= 1,1.
Плотность газа /> кг/м3;количество воздуха /> м3/м3.
Пропускная способностьгорелки по воздуху (по формуле 70):
/> (м3/с) (70)
Расчетное количествовоздуха определяем по следующей формуле:
/> (м3/с) (71)
Из справочной литературы (см.[5])следует, что при заданном давлении требуемый расход воздуха обеспечиваетгорелка ДВБ 425.
Найдем количествотоплива, проходящее через одну горелку (формула 72):
/> (м3/с) (72)
Далее найдем расчетноеколичество 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 иплотности /> кг/м3 скоростьистечения газа равна 78 м/с, а воздуха – 35 м/с.
7 Расчет рекуператора
Керамическиерекуператоры, применяемые в нагревательных колодцах, выполняют из восьмигранныхтрубок. Обычно монтируют 6 – 8 рядов труб, из них два верхних и нижний ряды изкарбошамотных трубок, остальные – из шамотных.
В рекуператоре воздухподогревается от /> °С до /> °С. Температура дыма навходе в рекуператор /> °С; количествоподогреваемого воздуха /> м3/с;количество дымовых газов /> м3/с;состав дымовых газов: 12 % СО, 3 % О2, 10 % Н2О,75 % N2.
Рекуператор набирается изтрубок, каждая из которых имеет общую высоту 398 мм, полезную высоту 356 мм,наружный диаметр 140 мм и внутренний диаметр 114 мм. Дымовые газы проходятвнутри трубок, воздух – между трубками. Схема работы рекуператора –многократный перекрестный противоток.
Примем тепловые потериравными 10 % и величину утечки воздуха в дымовые каналы равной 20 %.С учетом утечки в рекуператор нужно подавать количество воздуха, равное /> м3/с.
Следовательно, величинаутечки воздуха (формула 74):
/> (м3/с) (74)
Принимая температурудымовых газов на выходе из рекуператора 650 °С и определяя теплоемкостьдымовых газов аналогично предыдущему расчету, составляем уравнение тепловогобаланса (формула 75):
/> (°С) (75)
Рекуператор даннойконструкции работает по принципу многократного перекрестного противотока,поправкой на перекрестный ток пренебрегаем и определяем среднюю разностьтемператур (формула 76):
/> (76)
Для определениясуммарного коэффициента теплопередачи /> принимаемсреднюю скорость дымовых газов /> м/с,среднюю скорость воздуха /> м/с.
Коэффициент теплоотдачиконвекцией на воздушной стороне /> дляшахматного пучка находим по формуле /> иномограмме (см.[1]).
Найдем с некоторымприближением среднюю по всей поверхности нагрева температуру стенки (см.[1]):
/> (°С);
/> (°С);
/> (°С).
Средняя температуравоздуха (формула 77):
/> (°С) (77)
Средняя действительнаяскорость потока воздуха (формула 78):
/> (м/с) (77)
Принимая для рекуператоразначения />, /> и число рядов в пучкеравным 7, вычисляем по следующей формуле:
/> (Вт/м2∙К) (78)
Учитывая шероховатостьстенок, вычисляем по следующей формуле:
/> (Вт/м2∙К) (79)
Коэффициент теплоотдачина дымовой стороне (формула 80):
/> (80)
Согласно графику (см.[1]),при скорости движения потока /> м/с идиаметре трубы /> м /> (Вт/м2∙К).
С учетом шероховатостистен, вычисляем по следующей формуле:
/> Вт/(м2∙К) (81)
Для определения /> по номограммам (см.[1])находим:
– для верха рекуператора(/>, />):
/>; />;/>;
/>;
/>.
Коэффициент теплоотдачиизлучением (принимая /> и,следовательно, />), (формула 82):
/> (Вт/м2∙К) (82)
– для низа рекуператора (/>, />):
/>; />;
Коэффициент теплоотдачиизлучением (формула 82):
/> (Вт/м2∙К)
Среднее значениекоэффициента теплоотдачи излучением на дымовой стороне рекуператора вычисляемпо следующей формуле:
/> (Вт/м2 ∙К) (83)
Коэффициент теплоотдачина дымовой стороне (формула 84):
/> (Вт/м2∙К) (84)
Теплопроводностькарбошамота на 30 % вышетеплопроводности шамота. Следовательно, при средней температуре стенки /> коэффициент теплопроводностикарбошамота (формула 85):
/> (Вт/м2∙К) (85)
Учитывая, что />; /> и />, суммарный коэффициенттеплопередачи рекуператора находим (по формуле 86):
/> (Вт/м2∙К) (86)
Находим количество тепла,проходящее через поверхность нагрева (по формуле 87):
/>(Вт) (87)
Поверхность нагреварекуператора (формула 88):
/> (м2) (88)
Удельная поверхностьнагрева карбошамотного рекуператора составляет 8,5 м2/м3(см.[1]).
Объем рекуператора без учетамест соединения труб /> м3.
Начальное количестводымовых газов (2,31 м3/с) вследствие утечки воздуха увеличивается до2,68 м3/с. Следовательно, среднее количество 2,5 м3/с.
Определим общую площадьотверстий для прохождения дымовых газов вычисляем по следующей формуле:
/> (м2) (89)
Так как площадь отверстийдля прохода дыма в карбошамотном рекуператоре составляет 23,1 % от общейплощади зеркала рекуператора, то площадь поперечного сечения рекуператора вычисляемпо следующей формуле:
/>4,16/0,231=18,0 (м2) (90)
Расход воздуха средний –1,64 м3/с.
Поскольку средняяскорость движения воздуха принята равной 1,0 м/с, то необходимая площадь дляпрохода воздуха составит (формула 91):
/> (м2) (91)
Полезная высота одногохода равна 0,356 м, что при наружном диаметре трубы рекуператора 0,14 м ирасстоянии между осями соседних труб 0,304 м составляет 0,0585 м2площади, свободной для прохода воздуха.
Следовательно, по ширинерекуператора следует располагать следующее число труб (формула 92):
/> (шт) (92)
Общая ширина с учетомрасстояния 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 длинарекуператора (формула 94):
/>18,0/4,49 = 4,08 (м) (94)
где – /> площадь поперечногосечения рекуператора, м;
B – общая ширина рекуператора, м.
Точнее, длинарекуператора при восьми трубах по длине (формула 95):
/> (м) (95)
Площадь равна (формула96):
/>4,49∙2,36 = 10,6 (м2)(96)
Полезная высотарекуператора (формула 97):
/> (м) (97)
8 Выбор способа утилизации дымовыхгазов
Дымовые газы, покидающие рабочее пространствопечи имеют весьма высокую температуру и поэтому уносят много тепла изпространства печи (до 80 %). Дымовые газы уносят тем больше тепла, чем выше ихтемпература и чем меньше коэффициент использования тепла в печи. В связи с этимцелесообразнее обеспечивать утилизацию тепла в печи. Данную задачу можно решитьдвумя способами:
1. С использованием котлов – утилизаторов. Теплоуходящих дымовых газов не возвращается в печь, а идет на использование втепловых котельных и турбинных установках.
2. С использованием теплообменниковрекуперативного и регенеративного типа. Часть тепла уходящих дымовых газоввозвращается в теплообменник и идет на подогрев воздуха, подаваемого в горелку.
Использование теплообменника позволяет повыситькоэффициент полезного действия печного агрегата, увеличивает температуругорения, позволяет сэкономить топливо. Если температура дымовых газов или дымапосле теплообменников остается высокой, то дальнейшая утилизация теплацелесообразнее в тепловых установках.
Для рассчитываемой печи рациональнее использоватьвторой способ утилизации тепла дымовых газов, так как используетсярекуперативный теплообменник.
Рекуператор выбран по следующим причинам:
рекуператор обеспечивает постоянную температуру впечи, то есть режим работы печи стационарный;
не требуется никаких перекидных устройств, чтообеспечивает ровный ход печи и возможность автоматизации и контроля её тепловойработы;
отсутствует вынос газа в дымовую трубу;
объём и масса рекуператора меньше, чем урегенератора.
Рекуперативный нагревательный колодец с однойверхней горелкой является одним из наиболее прогрессивных типов нагревательныхпечей. Дымовые газы возвращаются в рекуператор, проходят по трубам иосуществляют подогрев воздуха, который подается в горелку, где смешивается стопливом. Согласно правилу, единицы физического тепла, отобранные у отходящихдымовых газов и вносимые в печь воздухом, оказываются значительно ценнее, чемединицы тепла, полученные от сгорания топлива, так как тепло, подогретоговоздуха 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 металлургическогопроизводства: 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 расчётыметаллургических печей: учеб. Пособие: в 2 кн. Москва, Металлургия, 1986. –Т.2– с. 250 – 258