Расчет пламенной методической печи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Исходные данные

2. Расчёт горения топлива

3. Определение времени нагрева металла и основных размеров печи

3.1 Предварительное определение основных размеров печи

3.2 Определение степени развития кладки

3.3 Определение эффективности толщины газового слоя

3.4 Определение времени нагрева металла в методической зоне

3.5 Определение времени нагрева металла в сварочной зоне

3.6 Определение времени топления металла

3.7 Определение действительных основных размеров печи

4. Тепловой баланс

4.1 Выбор футеровки печи

4.2 Общие положения

4.3 Статьи прихода теплоты

4.4 Статьи расхода теплоты

4.5 Потери теплоты теплопроводностью через кладку (приближенный расчет)

5. Расчёт и выбор вспомогательного оборудования

5.1 Блочный керамический рекуператор

5.2 Трубчатый металлический рекуператор

6. Расчет аэродинамического сопротивления дымового тракта

7. Определение высоты дымовой трубы

Заключение

Список использованной литературы

Введение

футеровка печь рекуператор горение топливо

В данном курсовом проекте рассчитывается пламенная методическая печь. Результатом расчёта являются основные размеры печи, выбор и расчёт вспомогательного оборудования: керамический и металлический рекуператоры, а также определяется высота дымовой трубы.

В исходных данных задаются температура материала на выходе из печи, производительность печи и состав топлива.

Расчёт включает в себя: расчёт продуктов сгорания, определение действительной температуры продуктов сгорания, расчёт времени пребывания садки в зонах рабочего пространства, расчёт основных размеров рабочего пространства (технологических зон), тепловой баланс рабочего пространства, расчёт теплообменников для регенерации использования теплоты энергетических отходов, расчет аэродинамического сопротивления дымового тракта и определение высоты дымовой трубы.

1. Исходные данные

Нагреваемый материал: Ст45

Производительность печи:

Температура материала на входе:

Температура материала на выходе:

Величина:

Размер нагреваемых изделий,

Температура уходящих газов:

Удельная производительность печи:

Вариант расположения заготовок: 1 ряд

Конечная разность температур в томильной зоне:

Коэффициент несимметричности:

Температура наружного воздуха:

Температура наружной поверхности свода:

Угар металла:

Вид топлива: 30%ПГ+70% кг

Температура подогрева воздуха: 420^oC

Температура подогрева топлива: 235^oC

Расчёт и подбор инжекционной горелки: - расчет аэродинамического сопротивления дымового тракта и дымовой трубы:

h=5 м

L₁=2.5 м

L₂=4 м

L₃=3 м

L₄=4 м



2. Расчет горения топлива

По [1] и [2] находим состав топлива.

Таблица 1. Состав сухих газов, %

Газ
Природный	98.2	0.22	0.13	0.06	0.09	0.2	1.1	-	-	-	-	-	-
Коксовый	22.5	-	-	-	-	2.3	7.8	6.8	57.5	1.9	0.4	0.8	-

Принимаем содержание влаги в коксовом газе W_кокс = 30 г/м³ и рассчитываем состав влажных газов по формуле:

, % (2.1)

Тогда

Коксовый газ:

%

%

%

%

%

%

%

%

Принимаем содержание влаги в природном газе W_прир = 25 г/м³ и рассчитываем состав влажных газов по формуле:

, % (2.2)

Тогда

Природный газ:

%

%

%

%

%

%

%

Состав влажных газов сведем в таблицу 2.



Таблица 2. Состав влажных газов, %

Газ
Природный	95,25	0.213	0.126	0.058	0.087	0.194	1.06	-	-	-	-	-	3,0
Коксовый	21.69	-	-	-	-	2.217	7.51	6.55	55.4	1.831	0.385	0,77	3.6

Расчет выполняется, ориентируясь на характерное для методических печей длиннофакельное сжигание топлива, осуществляемое, как правило, с коэффициентом расхода воздуха .

Чтобы найти состав топливной смеси, необходимый для расчетов процесса горения по стехиометрическим уравнениям, необходимо воспользоваться свойством аддитивности теплоты сгорания .

Теплота сгорания газов:

Теплота сгорания для смеси газов:

(2.2)

Определяем состав смешанного газа по формуле:

, (1.3)



где - содержание i-гo компонента в смеси, %; - содержание компонента в первом и втором газах соответственно, %.

Проверка:

Расчёт расхода воздуха на горение, расчёт состава и количества продуктов сгорания ведётся на 100 м³газа при нормальных условиях. Данные расчета сводим в таблицу 3

Таблица 3. Расчет процесса горения газообразного топлива

Топливо	Воздух, м3	Продукты сгорания, м3
Компонент горения	Содержание компонента в газе или смеси газов	Объем компонентав 100 м3 топлива, м3	O2	N2	Vв	CO2	H2О	O2	N2	SO2	Vпр.сг. (всего)
CO2	1,62	1,62	-	114,217·3,762=429,684	114,217+429,684=543,9	1,62	-	-	429,684 из воздуха + 5,576 из топлива	-	621.553
CO	4,59	4,59	2,295			4,59	-	-		-
N2	5,576	5,576	-			-	-	-		-
H2S	0,27	0,27	0,405			-	0,27	-		0,27
H2	38,78	38,78	19,39			-	38,78	-		-
CH4	43,76	43,76	87,52			43,76	87,162	-		-
C2H6	0,064	0,064	0,224			0,128	0.192	-		-
C3H8	0,0378	0,0378	0,189			0,1134	0,152	-		-
C4H10	0,0175	0,0175	0,114			0,07	0,085	-		-
C5H12	0,0262	0,0262	0,21			0,131	0,156	-		-
H2O	3,42	3,42	-			-	-	-		-
O2	0,539	0,539	-			-	-	-		-
C2H4	1,29	1,29	3,87			2,58	2,58
б=1	?	100	100	114,217	429,684	543,9	52,992	133,031	-	435,26	0,27	621,553
	%	-	-	21	79	100	8,526	21,403	-	70,028	0,0434	100
б=1,1	?	-	-	125,64	472,653	598,29	52,992	133,031	11,423	478,229	0,27	675,945
	%	-	-	21	79	100	7,84	19,68	1,69	70,75	0,04	100

Предварительно принимаем значение калориметрической температуры горения равной 2200 ⁰ С.

Определим калориметрическую температуру горения t_к из балансового уравнения условно адиабатного топочного объёма.

Согласно этому уравнению вся теплота, вносимая в радиационную зону, включая химическую теплоту топлива, физическую теплоту прогрева воздуха и топлива расходуется исключительно на нагрев образующихся продуктов сгорания, характеризуемый теплосодержанием :

, (2.4)

, (2.5)

Выразим температуру и получим:

(2.6)

где - расчётные удельные объёмы воздуха на горение и образующих продуктов сгорания, отнесённых к 1м³ топлива (таблица 3), м³/м³; - температуры подогрева воздуха и горючего газа (по условию), °С; - средняя изобарная теплоемкость воздуха при , принимаем по [3, табл. 2.13, стр. 40]

- средняя изобарная теплоёмкость продуктов сгорания при , [3, табл. 2.13, стр.40]:



, (2.7)

где - средняя изобарная теплоёмкость отдельных компонентов газовой смеси продуктов сгорания, [3, табл. 2.13,стр.40]:

- объемные доли компонентов горения (таблица 3).

Средняя изобарная теплоёмкость топливной смеси при определяется:

, (2.8)

где - средняя изобарная теплоёмкость компонентов смеси, [3, табл. 2.13, стр.40]:

- объёмные доли компонентов.

Расчетная калориметрическая температура равна:

Проверка

Т.к. следовательно, можно в дальнейших расчётах использовать

Для определения действительной температуры в сварочной зоне печи необходимо воспользоваться пирометрическим коэффициентом

.

Тогда

,

где [4,стр.6];

.



3. Определение времени нагрева металла и основных размеров печи

Общее время, пребывания металла в печи складывается из отрезков времени, которые определяются для отдельных участков печи. Расчет времени нагрева на каждом участке печи выполняется с учетом специфических особенностей этого участка. Большинство распространенных методов расчета времени нагрева металла выполняется при граничных условиях третьего рода, т. е. когда температура по длине печи неизменна. Поэтому в тех случаях, когда температура в пределах какого-либо участка печи переменна, приходится ее усреднять и по средней температуре, считая ее постоянной, вести расчет.

Зададимся температурным графиком процесса нагрева (рис. 1), изображающим изменение действительных температур печного пространства и поверхности нагреваемого материала по длине печи.

Методическую зону разделим условно на три участка (I, II, III) и усредним температуру печи в пределах каждого из них. При этом температуру отходящих газов принимаем равной (по условию), температура в сварочной зоне равна , температура в томильной зоне - на величину выше температуры нагрева материала, т.е. равна

3.1 Предварительное определение основных размеров печи

Площадь пода печи определяется по формуле:



(3.1)

где - производительность печи, т/ч; - удельная производительность печи, кг/(м²·ч).

Для однорядного варианта расположения заготовок ширина печи равна:

(3.2)

где - длина заготовки; - зазор между заготовками и стенами печи [4, стр. 9].

Длина печи

(3.3)

По конструктивным соображениям высота печи принимается:

в томильной зоне - [4, стр. 9];

в сварочной зоне - [4, стр. 9];

в конце методической - [4, стр. 9].

Средняя высота методической зоны будет равна:

(3.4)



3.2 Определение степени развития кладки

Для однорядного варианта расположения заготовок:

, (3.5)

где - высота зоны, м.

Степень развития кладки определяется для каждой из рассматриваемых зон:

1) в методической зоне: ;

2) в сварочной зоне: ;

3) в томильной зоне: .

3.3 Определение эффективности толщины газового слоя

Для расчета пользуются формулой Невского-Порта:

(3.6)

где Н -- высота зоны (для методической - ), В - ширина зоны.

Расчет ведется для каждой из рассматриваемых зон: ,,:



3.4 Определение времени нагрева металла в методической зоне

Расчет проводится для каждого из трех участков методической зоны.

Степень черноты газов:

(3.7)

где - степени черноты углекислого газа и водяных паров, соответственно.

Определяем по номограммам [6] в зависимости от температуры газа и произведения ,

где - парциальное давление компонента газовой смеси (и ), - поправочный коэффициент на отклонение от закона аддитивности, определяется по графику [6].

Парциальное давление компонентов газовой смеси можно рассчитать через их объёмные доли:

, (3.8)

где - барометрическое давление.

По номограммам [6] определяем для каждого участка методической зоны.

Таблица 4. Степень черноты газов

№ участков	,
I	870	0.083	0.12	0.209	1.05
II	1180	0.066	0.09	0.161
III	1510	0.05	0.065	0.118

Приведённый коэффициент излучения в системе газ - кладка - материал определяется для каждого участка методической зоны по формуле:

, (3.9)

где - степень черноты металла; - коэффициент лучеиспускания абсолютно чёрного тела.

Средний по длине участка методической зоны коэффициент теплоотдачи излучением определяется:

, (3.10)

где и - соответственно температуры поверхности металла в конце и начале i-того участка методической зоны, K (определяем по температурному графику); - средняя по длине i-того участка методической зоны температура газов, K.

I участок

II участок

III участок

В технике для градации условий нагрева, связанных с понятием термически тонких и массивных тел, служит численное значение безразмерного коэффициента теплоотдачи - критерий Био:

, (3.11)

где - характерный размер при двухстороннем нагреве материала.

где - толщина изделия (по условию); - коэффициент теплопроводности материала, определяется для средней температуры рассматриваемого участка методической зоны.

Таким образом, для определения времени нагрева материала необходимо в начале определить значение .

Таблица 5. Получение теплопроводности и температуропроводности

№ участков	Средняя температура материала	Ст. 45 [7]
	оC	K
I	290	563	45.59	0.034
II	510	783	38.146	0.027
III	710	983	30.0	0.01

При время нагрева материала на i-том участке методической зоны определяется по формуле:

где - масса заготовки, кг; - плотность материала, кг/м³; - объем заготовки, м³; - массовая теплоемкость заготовки при конечной температуре металла на i-том участке; - площадь теплообменной поверхности, м²,

Если , то для решения задачи нагрева заготовки целесообразно воспользоваться расчётом в условиях нестационарной теплопроводности с граничными условиями третьего рода.

Определяем температурный критерий для поверхности материала:

, (3.12)

где - средняя температура газов в i-том участке методической зоны, - текущая и начальная температуры нагреваемого тела на i-том участке методической зоны.

По номограмме [2, стр. 67-68] для поверхности пластины по значениям и определяем критерий Фурье - F₀.

I участок.

II участок.

III участок.

Определяем коэффициент температуропроводности металла по формуле (данные заносим в таблицу 5)

(3.13)

Рассчитываем время нагрева материала на участках методической зоны по формуле:

, (3.14)

Полное время нагрева изделия в методической зоне:

Температура в центре заготовки, ^оC:

^оC

^оC

^оC

3.5 Определение времени нагрева металла в сварочной зоне

Парциальное давление компонентов газовой смеси:

Степень черноты газов:

, (3.15)

По номограмме [6, рис. 5.3]

По номограмме [6, рис. 5.1, 5.2] определяем ,

Приведённый коэффициент излучения:

(3.16)

Коэффициент теплоотдачи излучением:



Определяем критерий :

, (3.17)

Определяем температурный критерий для сварочной зоны для поверхности материала:

, (3.18)

По номограмме [6, рис. 6.2, стр. 68] определяем значения:

Определяем коэффициент температуропроводности металла:

, (3.19)

Время нагрева металла в сварочной зоне:

, (3.20)

Температура металла в центре заготовки:

, (3.21)

3.6 Определение времени томления металла

Перепад температур по толщине металла в начале томильной зоны составляет:

, (3.22)



Допустимая разность температур в конце выдержки (по условию).

Степень выравнивания температур определяется по формуле:

(3.23)

При коэффициенте несимметричности (по условию) и степени выравнивания по номограмме [5, рис. 28, стр. 139] определяется критерий Фурье для томильной зоны: . Тогда время томления металла равно:

, (3.24)

где - коэффициент температуропроводности:

, (3.25)

Полное время пребывания металла в печи:



(3.26)

3.7 Определение действительных основных размеров печи

Для обеспечения заданной производительности P = 0.8 т/ч, в печи должно одновременно находиться следующее количество металла:

(3.27)

Масса одной заготовки составит:

, (3.28)

где - соответственно ширина, толщина и длина заготовки, м (по условию); - плотностьматериала (при t = 34^oC)

Тогда число заготовок, одновременно находящихся в печи:

(3.29)

При однорядном расположении заготовок:

- общая длина печи:

- ширина печи:

- площадь активного пода:

- площадь габаритного пода:

Высота отдельных зон печи сохраняем принятыми в предварительном расчёте.

Длину печи разбиваем на зоны пропорционально времени нагрева:

- длина первой методической зоны:

- длина второй методической зоны:

- длина третьей методической зоны:

- длина методической зоны:

- длина сварочной зоны:

- длина томильной зоны:



Напряжённость габаритного пода печи:

, (3.30)



4. Тепловой баланс печи

4.1 Выбор футеровки печи

Для расчета теплового баланса необходимо выбрать материал, из которого выполняются стены печи и их толщину.

Для печи задается следующая футеровка:

- свод подвесного типа выполнен из шамота класса А толщиной д₁=300 мм;

- стены двухслойные: слой шамота класса А толщиной д₂=345 мм и тепловая изоляция из диатомита толщиной д₃= 115 мм;

- под томильной зоны выполнен трехслойным:

1) тальк толщиной слоя д₄=230 мм;

2) шамот класса Б толщиной д₅=230 мм;

3) тепловая изоляция из диатомита толщиной д₆=115 мм.

4.2 Общие положения

Тепловой баланс печи записывается в виде:

(4.1)

Неизвестной величиной, входящей в это уравнение, является расход топлива - В, для определения которого и составляется такой баланс. Он может быть отнесен только к рабочему пространству печи (это далее и будет рассчитываться) или ко всей установке в целом, включая теплоутилизационные устройства (что менее целесообразно).

При проектировании печи после определения основных размеров следует конструктивная разработка деталей. В данном расчете такая разработка не проводится, поэтому некоторые статьи расхода тепла, не превышающие 5% от общего расхода, опускаются.

4.3 Статьи прихода теплоты

1. Теплота от процесса горения топлива (химическая теплота):

, (3.2)

где- искомый расход топлива, м³/c.

2. Физическая теплота, вносимая подогретым воздухом:

, (4.3)

[см. раздел 1данного курсового проекта]

3. Физическая теплота, вносимая подогретым газом:

(4.4)

[см. раздел 1 данного курсового проекта]

4. Теплота экзотермических реакций (в нагревательных печах учитывается теплота реакции от окисления железа, равная 5652 кДж/кг)

(4.5)



где P=0.8 т/ч - производительность печи; а₁=0.810^-2 кг/кг- угар металла.

4.4 Статьи расхода теплоты

1. Теплота, затраченная на нагрев металла:

, (3.6)

где - температуре металла на выходе из печи;

- выбирается по температуре

2. Теплота, уносимая уходящими газами:

, (3.7)

где - средняя изобарная теплоемкость продуктов сгорания при

4.5 Потери тепла теплопроводностью через кладку (приближённый расчёт)

Потерями теплоты через под пренебрегаем. Рассчитываем потери через свод и стены печи. Площадь свода равна площади габаритного пода печи, т.е. .

Толщина свода материал - шамот класса А.

Принимаем, что температура внутренней поверхности свода равна средней, по длине печи, температуре газов.

, (4.8)

Температуру окружающей среды принимаем равной (задание)

Температура поверхности кладки свода (задание)

Тогда средняя по толщине температура шамотного свода равна:

, (4.9)

Данным температурным условиям отвечает коэффициент теплопроводности шамотного материала определяемый по:

(4.10)

Тогда потери через свод составят:

, (4.11)



где - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности свода в окружающую среду, получаемый статическими методами.

- для вертикальной стенки:

- для пода печи:

Потери через свод:

Определяем потери теплоты через стены.

Кладка стен выполнена двухслойной (шамот толщиной ) и диатомит толщиной

Площадь стен следующая:

Методической зоны -

Сварочной зоны -

Томильной зоны -

Торцевых стен -

Общая площадь стен:

При прямолинейном распределении температуры по толщине стены средняя температура шамота равна:

, (4.12)

диатомитового кирпича:

, (4.13)

где

- температура на границе слоев.

Тогда теплопроводность шамота и диатомитового кирпича:



, (4.14)

(4.15)

Количество теплоты, теряемое теплопроводностью через стены:

, (4.16)

Полные потери теплоты через кладку составят:

, (3.17)

Потери теплоты с охлаждающей водой по практическим данным принимаются равными 10% от статьи прихода теплоты, т.е.

, (4.18)

Неучтенные потери принимаем равными 15% прихода теплоты, т.е.

, (4.19)

Уравнение теплового баланса печи примет вид:

, (3.20)

Откуда можно получить искомое значение расхода топлива , м³/c

- искомое значение расхода топлива.

Результаты расчета статей теплового баланса методической печи заносим в таблицу 6.

Таблица 6

Статьи прихода	кДж/с	%	Статьи расхода	кДж/с	%
1.Теплота от реакции горения топлива	5459.432	85.121	1.Теплота, затраченная на нагрев металла	153	2.385
2.Теплота вносимая подогретым воздухом	851.83	13.281	2.Теплота, теряемая с уходящими газами	1824.46	28.446
3.Теплота вносимая подогретым газом	92.432	1.441	3.Потери теплоты теплопроводностью через кладку	21.358	0.333
4.Теплота экзотермических реакций	10.048	0.157	4.Потери теплоты с охлаждающей водой	640.42	9.985
		5.Неучтенные потери теплоты	3774.58	58.851
Итого:	6413.742	100	Итого:	6413.82	100



Погрешность

Удельный расход теплоты на нагрев 1кг металла составит:

(4.21)



5. Расчёт и выбор вспомогательного оборудования

5.1 Блочный керамический рекуператор

Собираются из шамотных блоков с каналами для прохода воздуха. Для основной установки выбираем блоки марки Б-1, как наиболее распространенные. Каждый блок имеет четыре отверстия прямоугольного сечения и опорные буртики.

Блоки устанавливаются так, что их отверстия образуют сплошные вертикальные каналы, по которым снизу вверх проходит воздух. Продукты сгорания движутся между блоками в горизонтальном направлении.

Расход газа (топлива) на отопление печи:

[см. п. 3]

Расход воздуха на 1 м³ топлива:

Расход газа (воздуха), подаваемого в рекуператор без учёта потерь:

(5.1)

Потери газа в рекуператоре:

, (5.2)

где - для керамических рекуператоров, работающих с присосом воздуха - утечке газа (воздуха). [4, стр. 25]

Расход газа (воздуха), подаваемого в рекуператор:

, (5.3)



Определяем расход продуктов сгорания перед рекуператором:

, (5.4)

(5.5)

Для газоплотных рекуператоров тепловой баланс составляет с учётом 10% потерь тепла в окружающую среду:

(5.6)

где и - средние изобарные объёмные теплоёмкости в интервале температур от 0^oC до соответствующей температуры, стоящей в произведении; ,- начальная и конечная температуры продуктов сгорания на входе и выходе из рекуператора, ^oC; , - начальная и конечная температуры воздуха на входе и выходе из рекуператора,^oC; - расход продуктов сгорания, м³/с; - расход воздуха, м³/с.

При проектировании нового рекуператора обычно задаются тремя температурами: начальной и конечной температурами воздуха - ,, а также начальной температурой уходящих газов: .

[см. раздел 1]

[3, табл. 2.13, стр. 40]

Температуру уходящих дымовых газов после рекуператора получим из уравнения:



(5.7)

(5.8)

где (4.9)

(5.10)

где - средняя изобарная теплоёмкость отдельных компонентов газовой смеси продуктов сгорания [3, табл. 2.13, стр. 40]; - объёмные доли, продуктов сгорания [табл. 1.3]

Т.к. в нашем уравнении две неизвестные величины, то мы решаем его методом последовательных приближений:

Принимаем

[3, табл. 2.13, стр. 40, Табл. 1]

Погрешность: - что допустимо.

Поверхность нагрева рекуператора определяется из уравнения теплопередачи:

, (5.11)

где - коэффициент теплопередачи, Вт/м²·к; - средняя разность температур уходящих газов и воздуха.

Среднее значение разности температур уходящих газов и воздуха определяется как среднелогарифмическая разность:

Для противоточного движения.

(5.12)

Для более сложных схем движения в формулу для нахождения вводится поправочный коэффициент, для нахождения которого сначала вычисляются вспомогательные величины:

(5.13)

(5.14)

По и определяется поправкана которую умножается .

[8, рис. 1-11, стр. 24]



(5.15)

Коэффициент теплоотдачи определяется по формуле:

, (5.16)

Для блочных рекуператоров:

[4, стр. 28]

где - толщина стенки блока [4, стр. 28]; - коэффициент теплопроводности шамота, принимаем ; - коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху,

, (5.17)

где - скорость воздуха, приведённая к нормальным условиям, ; - для керамических рекуператоров. [4, табл. 3, стр. 26].

Принимаем

Средняя температура продуктов сгорания (дымовых газов):

(5.18)

Средняя температура стенок рекуператора:

(5.19)

Средняя температура воздуха:

(5.20)

Средняя разность температур стенки и воздуха:

(5.21)

Коэффициентыиопределяем по:

(5.22)

, [4, табл. 5, стр. 29]

С учётом шероховатости стенки

- коэффициент теплоотдачи от дыма к стенке, (на дымовой стороне).

(5.23)

Коэффициент теплоотдачи конвекцией:



(5.24)

где - эквивалентный диаметр дымового канала. [4, табл. 4, стр. 27]; - скорость движения (дыма). Принимаем скорость продуктов сгорания - для керамических рекуператоров. [4, табл. 3, стр. 26]

С учётом шероховатости стенки:

Коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания топлива к стенке элемента поверхности нагрева определяется выражением:

(5.25)

где ;

;

- коэффициент лучеиспускания (приведённое значение).

где - степень черноты продуктов сгорания.

(5.26)

Эффективная длина луча:



[4, табл. 4, стр. 27]

Для определения степени черноты необходимо найти парциальные давления СО₂ и Н₂О и по номограммам [9, рис. 4.6-4.8, стр. 138-140]

Определяем

Проверка по уравнению теплового баланса:

- что допустимо

Площадь теплопередающей поверхности:

(5.27)

Число блоков

(5.28)

где - поверхность нагрева блока Б-1 [4, табл. 4, стр. 27]

Ширину рекуператора в соответствии с шириной печи принимаем равной 2696 мм, ширина кирпича 233 мм.

Общее количество блоков по ширине:

Принимаем высоту рекуператора: 4575 мм. Высоту кирпича: 305 мм

По длине:

5.2 Трубчатый металлический рекуператор

Трубчатые металлические рекуператоры разнообразны по конструкции, но типизированы и составляются из труб различного диаметра с разным шагом. Наибольшее распространение получили рекуператоры прямотрубные, петлевые, дымотрубные системы Шака, двойной циркуляции.

Для всех типов трубчатых рекуператоров коэффициенты теплоотдачи и в зависимости от типа труб и их расположения вычисляется по различным формулам.

Для газоплотных рекуператоров тепловой баланс составляется с учётом 10% потерь тепла в окружающую среду:

(5.30)

где ,

[раздел 1]

- расход газа, м³/с; [см. раздел 3]

Температура уходящих газов после рекуператора:

(5.31)

где - расход продуктов сгорания, м³/с; [см. раздел 4.1]; - начальная и конечная температуры продуктов сгорания на входе и выходе из рекуператора,^oC; [см. раздел 4.1]

Принимаем

Погрешность: - что допустимо.

Средняя значение разности температур для прямоточного движения:



(5.32)

где

Коэффициент теплоотдачи определяется по формуле:

(5.33)

где - толщина стенки; - теплопроводность стенки, при средней её температуре.

Средняя температура стенок рекуператора:

(5.34)

где ;

(материал трубы Ст. 20) [6, табл. 6.6, стр.76]

Коэффициент теплоотдачи от дыма к стенке:

(5.35)



При определяем коэффициент вязкости [9, табл. 9.5, стр. 394]

Режим движения дымовых газов:

(5.36)

где [4, табл. 3, стр. 26]; - внешний диаметр труб

- режим вынужденного движения - турбулентный

Коэффициент определяем графическим методом в соответствии [9, рис. 9.19, стр. 402]

(5.37)

где (при z = 10 - число рядов) - поправка на число труб,, - поправка на температуру при(определяем по содержанию H₂O = 18% в продуктах сгорания)

Коэффициент теплоотдачи излучением от дыма к наружной поверхности трубки рекуператора определяем по [9, рис. 74]

Рассчитываем теплоотдачу от стенки подогреваемому газу.

Определяем режим движения газа

(5.40)

где - внутренний диаметр труб

Принимаем [4, табл. 3, стр. 26]

Для температуры определяем - коэффициент кинематической вязкости топлива. Определяется по процентному содержанию каждого газа в топливе. [10, с.451, 454]

- режим турбулентный

В соответствии с [9, рис. 9.16, стр. 399] для турбулентного режима находим:

, , , (при )

где - поправка на неизотермичность при нагреве газа;

- поправка на неизотермичность при остывании газа (определяем по воздуху); - поправка на начальный участок.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к подогреваемому газу

Определяем теплопередачу

Проверка по уравнению теплового баланса:



- что допустимо

Площадь теплопередающей поверхности

(5.41)

Определяем число трубок:

(5.42)

где - площадь поверхности одной трубки.

(5.43)

Принимаем

Компоновка рекуператора:

Принимаем количество труб в ряду - 15 шт. Количество рядов - 11

Тип пучка - гладкотрубный, с коридорным расположением.



6. Расчет аэродинамического сопротивления дымового тракта

Потери напора в вертикальных каналах складываются из потерь на трение, местных сопротивлений (поворот на 90° и изменение скорости потока) и преодоления геометрического напора.

Скорость движения дымовых газов в конце печи с учетом уменьшения сечения рабочего пространства за счёт нагреваемой заготовки (толщина д=0,3 м):

Скорость движения дымовых газов в трех вертикальных каналах принимаем . Тогда сечение каждого канала:

Размеры вертикальных каналов принимаем следующими: длина , ширина , высота . Тогда приведенный диаметр канала:

Потери энергии на трение [5, стр.32, ф-ла (II-10)]:



,

где - коэффициент трения, для кирпичных каналов .

Потери энергии при повороте на 90є [2, стр. 33, ф-ла (II-13)]:

где - коэффициент местных сопротивлений,

- [5, стр. 352, Приложение V]

Потери энергии при сужении канала (изменение скорости) [5, стр. 33, ф-ла (II-13)]:

,

где - [5, стр. 351, Приложение V] для случая

Потери энергии на преодоление геометрического напора:



,

где - плотность воздуха при ,

- температура наружного воздуха

Суммарные потери в вертикальных каналах:

Потери энергии при движении газов от вертикальных каналов до керамического рекуператора состоят из потерь при двух поворотах на 90є и потерь по длине на трение:

Скорость движения в борове принимаем , тогда сечение борова:

Принимаем, что сечение борова - квадратное, тогда высота и ширина борова: , тогда высота

Эквивалентный диаметр борова

Потери энергии на трение:



,

где ,

- средняя температура дыма в борове

,

- температура дыма перед рекуператором

Чтобы найти , принимаем падение температуры по длине борова 2 К на 1 м длины; следовательно, при длине борова от вертикальных каналов до рекуператора падение температуры дыма . Тогда

.

Потери при двух поворотах на 90є на пути от каналов до рекуператора:

,

где - [5, стр. 351, Приложение V]

Суммарные потери энергии на пути от вертикальных каналов до керамического рекуператора:

Потери энергии в керамическом рекуператоре состоят из потерь при внезапном расширении при входе, сужении при выходе и потерь напора в самом рекуператоре:

,

Скорость движения газов в рекуператоре принимаем

Потери энергии при внезапном расширении канала (изменение скорости):

,

где - [5, стр. 351, Приложение V]

- средняя температура дымовых газов в рекуператоре.

Потери энергии при сужении канала:

где - [5, стр. 351, Приложение V]

Местные потери в самом керамическом рекуператоре принимаем из расчета 140 Па на 1 м длины:

Суммарные потери энергии в керамическом рекуператоре:

Потери в металлическом рекуператоре состоят из потерь на внезапное расширение при входе, внезапном сужении при выходе и при обтекании пучка труб:

,

Скорость движения газов в рекуператоре принимаем

Потери энергии при внезапном расширении канала (изменение скорости):

,

где - [5, стр. 351, Приложение V]

- средняя температура дымовых газов в рекуператоре.

Потери энергии при сужении канала:

,



где - [5, стр. 351, Приложение V]

Потери при обтекании дымовыми газами коридорного пучка:

,

где - действительная скорость движения дыма,

,

- [5, стр. 35, ф-ла II-14],

где - число рядов труб по глубине пучка, ,

- сопротивление коридорного пучка труб [5, стр. 36, рис. 2]

Тогда

Суммарные потери энергии в металлическом рекуператоре:

Потери на участке от рекуператора до шиберов складываются из потерь на трение по длине и потерь при двух поворотах на 90є:

Потери энергии на трение:



,

где ,

- средняя температура дыма в борове

,

- снижение температуры дыма перед шиберами.

Принимаем снижение температуры на 1 м борова равным 1,5 К.

Тогда

Потери при двух поворотах на 90є на пути от рекуператора до шиберов:

,

где - [5, стр. 351, Приложение V]

Суммарные потери энергии на участке от рекуператора до шиберов:

Общие потери энергии при движении продуктов сгорания в дымовом тракте (от рабочего пространства до шибера):



7. Определение дымовой высоты трубы

Определим площадь сечения устья трубы, принимая скорость дыма в устье

Диаметр устья:

Диаметр основания трубы:

Скорость движения дымовых газов в основании трубы:

Действительное разрежение, создаваемое трубой, должно быть на 20-40 % больше потерь при движении дымовых газов:



Для определения температуры дымовых газов ориентировочно задаемся высотой трубы [5, стр. 43, рис. 5]. Падение температуры для кирпичной трубы принимается 1,3 K на 1 м.

Тогда .

Температура газов в устье:

Средняя температура дымовых газов в трубе:

Средний диаметр трубы

Средняя площадь сечения трубы:

Средняя скорость движения дымовых газов в трубе:

Коэффициент трения для кирпичных труб принимаем .

Тогда высота трубы:



Т. к. высота трубы должна быть в интервале 15-20 м, то необходимо выбрать дымосос.

- принимаем требуемое давление в нагнетательном патрубке.

Тогда действительное давление:

где

- коэффициент запаса по напору

Производительность:

где - коэффициент запаса по производительности

- часовой расход

Выбираем дымосос ДН-10 [3, стр. 411], производительностью - 13,62·10³м³/ч, напор - 2,21кПа, КПД - 83 %.

Тогда высота трубы, необходимая после установки дымососа:



Заключение

Результатом выполнения курсовой работы стал расчет пламенной методической печи, которой включил в себя: расчёт продуктов сгорания, определение действительной температуры продуктов сгорания, расчёт времени пребывания садки в зонах рабочего пространства, расчёт основных размеров рабочего пространства (технологических зон), тепловой баланс рабочего пространства, расчёт теплообменников для регенерации использования теплоты энергетических отходов, расчет аэродинамического сопротивления дымового тракта и определение высоты дымовой трубы.

Список использованной литературы

1. Роддатис К.Ф., Полтарецкий А.Н., Справочник по котельным установкам малой производительности/ Под ред. К.Ф. Роддатиса. - М.: Энерогоатомиздат, 1989. - 488 с.

2. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник. - Кн. 1 /Под общ.ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина. - М.: Энергоатомиздат, 1991.

3. Высокотемпературные теплотехнологические процессы и установки: пособие по выполнению курсовой работы для студентов специальности 1-43 01 05 «Промышленная теплоэнергетика».

4. Мастрюков Б.С. Теплотехнические расчеты промышленных печей, М.: Металлургия, 1972.- 368 с.

5. Несенчук А.П., Жмакин Н.П., Тепловые расчеты пламенных печей для нагрева и термообработки металла. - Мн.: «Вышэйшай школа», 1974.

6. Лебедев П.Д., Теплообменные, сушильные и холодильные установки. Учебник для студентов технических вузов. Изд. 2-е, перераб. М., «Энергия», 1972.

7. Тимошпольский В.И., Несенчук А.П., Трусова И.А. Промышленныетеплотехнологии. - Кн. 3. - Мн.: Высшая школа, 1998.

8. Расчет нагревательных и термических печей: Справ. изд. Под ред. Тымчака В.М. и Гусовского В.Л. - М.: Металлургия, 1983. 480 с.

Размещено на Allbest.ru