Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовой проект

по курсу: Высокотемпературные теплотехнологические процессы и установки

на тему: Расчёт пламенной методической печи

Гомель, 2013

Введение

Промышленное производство с его разнообразной и сложной технологией уже сегодня предъявляет исключительно серьёзные требования к работе и организации температурного режима печного оборудования, в частности к составлению и ведению режима тепловой обработки.

В данном курсовом проекте рассчитывается пламенная методическая печь. Результатом расчёта являются основные размеры печи, выбор и расчёт вспомогательного оборудования: керамический и металлический рекуператоры и аэродинамического сопротивления дымового тракта и дымовой трубы.

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, выбор типоразмера горелочных устройств, расчёт теплообменников для регенерации использования теплоты энергетических отходов.

В итоге все сводиться к выполнению детального теплового расчета, который сопряжен с проработкой отдельных вариантов и последующим выбором оптимального решения.

Исходные данные.

Нагреваемый материал: Ст.35

Производительность печи: Р = 5,8 т/ч

Температура материала на входе: t₀ = 12^oC

Температура материала на выходе: t^м_к = 1050^oC

Величина: Дt_доп=30 ^oC

Размер нагреваемых изделий,

Температура уходящих газов: t_ух = 1000^oC

Удельная производительность печи: H_г = 250 кг/ м²

Вариант расположения заготовок: 1

Конечная разность температур в томильной зоне: Дt_кон= 40^oC

Коэффициент несимметричности: м = 1,0

Температура наружного воздуха: t_возд = 10^oC

Температура наружной поверхности свода: t_св = 55^oC

Угар металла: а = 1,0?10^-2 кг /кг

Вид топлива: 75%ДГ+25%КГ

Температура подогрева воздуха: 250^oC

Температура подогрева топлива: 240^oC

Расчёт аэродинамического сопротивления h=3м; L1= 1м; L2=2м; L3=5м; L4=6м. Состав топлива: [7,РН 2-02,стр.162]

Доменный газ - ДГ- 10,2% СО₂; 28% СО; 2,7% Н₂; 0,3% СН₄; 58,5% N₂; 0% Н₂S;

Коксовый газ - КГ- 2,3% СО₂; 6,8% СО; 57,5% Н₂; 22,5% СН₄; 7,8% N₂; 0,4%Н₂S; 1,9%(C_mH_n); 0,8% O₂;

1. Расчёт горения топлива

Так, как в исходных данных дано процентное содержания газов в топливе 75%ДГ и 25%КГ, то определяем процентное содержание компонентов в смеси для этого вводим коэффициент пересчета на рабочую массу:

СО₂ = 10,185 · 0,75 + 2,231 · 0,25 = 8,1965%

СО = 27.16 · 0,75 + 6,596 · 0,25 = 22,019%

Н₂ = 2,619 · 0,75 + 55.775 · 0,25 = 15,908%

СН₄ = 0,291 · 0,75 + 21.825 · 0,25 = 5,6745%

N₂ = 56.745 · 0,75 + 7,556 · 0,25 = 44,447%

Н₂S= 0,388 · 0,25 = 0,097%

C₂Н₆ = 1,843 · 0,25 = 0,46075%

O₂ = 0,776 · 0,25 = 0,194%

Н₂O=3%

Проверка:

8,1965 + 22,019 + 15,908 + 5,6745 + 44,447 + 0,097 + 0,46075 + 0,194+ 3 = 100%

Расчет выполняется, ориентируясь на характерное для методических печей длиннофакельное сжигание топлива, осуществляемое, как правило, с коэффициентом расхода воздуха, б=1,1. Чтобы найти состав топливной смеси, необходимый для расчетов процесса горения по стехиометрическим уравнениям, необходимо воспользоваться свойством аддитивности теплоты сгорания .

При определении теплоты сгорания газа, следует использовать таблицы экзотермических эффектов реакций горения, приведенных в [1].

[1.1]

- экзотермический эффект i-гo компонента при нормальных условиях [3.Табл. 2.11.стр. 39], кДж/м³;

- объемная доля i-го компонента в составе газообразного топлива (в долях единицы от %).

Расчёт расхода воздуха на горение, расчёт состава и количества продуктов сгорания ведётся на 100 м³ газа при нормальных условиях и даётся в табличной форме (Таблица 1).

Для предварительной оценки калориметрической температуры горения можно использовать H-t диаграмму топлива.

Определяем 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 теплосодержание

или

Откуда

; [1.2]

где - расчётные удельные объёмы воздуха на горение и образующихся продуктов сгорания отнесённых к 1м³ топлива [Таблица 1]

- температуры подогрева воздуха и газа, ^оС (по условию)

- средняя изобарная теплоемкость воздуха в интервале температур от 0 до 440^оС.

[3,Табл. 2.13,стр.40]

- средняя изобарная теплоёмкость продуктов сгорания в интервале температур от 0 до . [3,Табл. 2.13,стр.40]

В современных методических печах минимально необходимая калориметрическая температура составляет 1800^оС. Принимаем

, [1.3]

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

CO₂ = 0,33 ккал/(м₃·^оС)

H₂O = 0,7086 ккал/(м₃·^оС)

N₂ = 0,311 ккал/(м₃·^оС)

 - объемные доли компонентов, вычисленные при расчёте процесса горения по стехиометрическим реакциям [Таблица 1].

средняя изобарная теплоёмкость топливной смеси в интервале температур от 0 до ^оС (по условию)

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

CO₂ = 0,24322 ккал/(м₃·^оС)

CO = 0,25488 ккал/(м₃·^оС)

CH₄ = 0,7056 ккал/(м₃·^оС)

H₂ = 0,346706 ккал/(м₃·^оС)

N₂ = 0,25288 ккал/(м₃·^оС)

O₂ = 0,23304 ккал/(м₃·^оС)

C₂H₆ = 0,63098 ккал/(м₃·^оС)

H₂S = 0,3762 ккал/(м₃·^оС)

- объёмные доли компонентов в смеси [Таблица 1]

Поскольку теплоёмкости реальных газов, к которым относятся и продукты сгорания топлива, существенно зависят от температуры , то в балансовое уравнение топочного объёма входят две взаимосвязанные искомые величины: и . Поэтому поиск необходимо проверить методом последовательных приближений.

По формуле [1.2] в 1-м приближении:

^оС

Принимаем t_k =2103,7 ^оС.

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

Тогда ;

где [1,стр.6];

^оС - действительная температура.

2. Определение времени нагрева металла и основных размеров печи

Общее время, пребывая 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 [Приложение 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 о средним температуру печи в пределах каждого из них. При этом температуру отходящих газов принимаем равной ^оС (по условию), температура в сварочной зоне равна ^оС, температура в томильной зоне - на величину выше температуры нагрева материала, т.е. равна

Поскольку основным назначением методической зоны является медленный нагрев материала до состояния пластинчатости, температура центра металла при переходе из методической зоны в сварочную зону должна быть порядка 500 ^оС.

Предварительное определение основных размеров печи.

Площадь пода печи определяется по формуле:

; [2.1]

Для однорядного варианта расположения заготовок ширина и длина печи равны:

 [2.2]

[2.3]

где - зазор между заготовками и стенами печи [1,стр.9];

- длина заготовки; (по условию)

По конструктивным соображениям высота печи принимается:

- в томильной зоне - [1,стр.9];

- в сварочной зоне - [1,стр.9];

- в конце методической - [1,стр.9];

Средняя высота методической зоны будет равна:

[2.4]

Определение степени развития кладки.

Определять степень развития кладки необходимо для вычисления приведённого коэффициента излучение газов и кладки на металл:,

; [2.5]

где - суммарная внутренняя площадь поверхности и свода зоны печи, м²

- площадь поверхности материала воспринимающего тепловое излучение, м²

Иначе можно записать (для однорядного варианта расположения заготовок):

; [2.6]

где - высота зоны, м

Для методической зоны подставляется её средняя высота. Величина определяется для каждой из рассматриваемых зон:

1) В методической зоне:

2) В сварочной зоне:

3) В томильной зоне:

Определение эффективности толщины газового слоя - .

Значение , является усредненной характеристикой длины пути тепловых лучей, поступающих из газового объема на твердую ограждающую поверхность. Влияние этого геометрического параметра на радиационный тепловой поток из газового объема учитывается при выборе соответствующих расчетных значений степени черноты отдельных, активно излучающих компонентов газовой смеси.

Для расчета пользуются формулой Невского-Порта:

[2.7]

где Н -- высота зоны (для методической - );

В - ширина зоны. [см. 2.2]

Расчет ведется для каждой из рассматриваемых зон: ,,;

1) Для методической зоны:

2) Для сварочной зоны:

3) Для томильной зоны:

Определение времени нагрева металла в методической зоне

Расчет проводится для каждого из трех участков методической зоны.

Степень черноты газов:

[2.8]

где - степени черноты углекислого газа и водяных паров, соответственно; определяется по номограммам [2, рис. 5.1-5.2, стр.52-53,приложение2] в зависимости от температуры газа и произведения ,где - парциальное давление компонента газовой смеси (и ).

- поправочный коэффициент на отклонение от закона аддитивности, определяется по графику [2, рис. 5.3,приложение 3].

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

; ;

[Таблица 1].

где - барометрическое давление;

Принимаем по конструктивным соображениям (разряжение в печи):

Таблица 2. Степень черноты газов

№ участков	, оС
I	1100	0,13	0,125	0,263	1,07
II	1290	0,115	0,117	0,25
III	1480	0,09	0,093	0,196

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

[2.9]

где - степень черноты металла; [1, ф-ла 2.12, стр. 11]

- коэффициент лучеиспускания абсолютно чёрного тела.

[8, стр. 185]

I участок.

II участок.

III участок.

Средний по длине участка методической зоны коэффициент теплоотдачи излучением определяется:

[2.10]

где и - соответственно температуры поверхности металла в конце и начале i-того участка методической зоны, K.

- 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:

; [2.11]

где - характерный размер при двухстороннем нагреве материала.

где - толщина изделия (по условию).

В качестве определяющего размера можно брать и другие размеры заготовки (смотря, как она будет лежать)

- коэффициент теплопроводности материала, определяется для средней температуры рассматриваемого участка методической зоны.

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

Таблица 3 Получение теплопроводности и температурапроводности.

№ участков	Средняя температура материала	Ст. 35
	оC	T
I	301	574	46,5	1,0610-5
II	700	973	34,8	0,510-5
III	875	1148	26,15	0,63910-5

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:

[2.12]

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, рис. 6.1,6.2,приложение 4,5] 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 3.)

[2.13]

где - плотность материала (Ст. 35), кг/м³, [4,табл.4.10,стр 137]

(при t=301^оC)

(при t=700^оC)

(при t=875^оC)

C - массовая теплоёмкость заготовки (Ст. 35), Дж/кгК [4, табл. 4.5, стр.125]

Рассчитываем время нагрева материала на участках методической зоны по формуле:

 [2.14]

Полное время нагрева изделия в методической зоне:

Температура металла в центре заготовки на i-том участке методической зоны рассчитывается по формуле:

[2.15]

В этой формуле определяется по номограмме [2,рис.6.3,стр.69,приложение 6] для центра пластины по уже найденным выше значениям и для рассматриваемого участка зоны.

Определение времени нагрева металла в сварочной зоне.

Парциальное давление компонентов газовой смеси:

Степень черноты газов:

[2.16]

По номограмме [2, рис. 5.3,приложение 3]

По номограмме [2, рис. 5.1,5.2,приложение 2] определяем ,

Приведённый коэффициент излучения:

[2.17]

Коэффициент теплоотдачи излучением:

Определяем критерий :

[2.18]

[2, табл. 6.6, стр. 76]

Определяем температурный критерий для сварочной зоны для поверхности материала:

[2.19]



По номограмме [2, рис. 6.2, стр. 68,приложение 5] определяем значения:

Определяем коэффициент температуропроводности металла:

[2.20]

где - массовая теплоёмкость; [4, табл. 4.5, стр. 125]

- плотность металла; [4, табл. 4.10, стр. 136]

Время нагрева металла в сварочной зоне:

[2.21]

Температура металла в центре заготовки:

[2.22]

Определение времени томления металла.

Перепад температур по толщине металла в начале томильной зоны составляет:

[2.23]

Допустимая разность температур в конце выдержки (по условию).

Степень выравнивания температур определяется по формуле:

[2.24]

При коэффициенте несимметричности (по условию) и степени выравнивания по номограмме [5, рис. 28, стр. 139,приложение 7] определяется критерий Фурье для томильной зоны: .Тогда время томления металла равно:

 [2.25]

где - коэффициент температуропроводности:

[2.26]

Полное время пребывания металла в печи:

[2.27]

Определение действительных основных размеров печи.

Для обеспечения заданной производительности P = 5,8 т/ч, в печи должно одновременно находиться следующее количество металла:

 [2.28]

Масса одной заготовки составит:

[2.29]

где - соответственно ширина, толщина и длина заготовки, м (по условию)

- плотность материала

Тогда число заготовок, одновременно находящихся в печи:

[2.30]

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:

[2.31]

3. Тепловой баланс печи

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.

[1, стр. 16, ГОСТ 390-80, ГОСТ 2694-80]

Все толщины берутся по конструктивным соображениям.

Общие положения

Тепловой баланс печи записывается в виде:

[3.1]

Неизвестной величиной, входящей в это уравнение, является расход топлива -В, для определения которой 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, отпускаются.

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:

[3.3]

[см. Раздел 1]

3. Физическая теплота, вносимая подогретым газом:

[3.4]

[см. Раздел 1,]

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

[3.5]

где: P=5,8 т/ч = 5800/3600 = 1,61 кг/с - производительность печи;

а₁=1,0·10^-2 кг/кг - угар металла; (задание)

Статьи расхода теплоты.

1. Теплота, затраченная на нагрев металла:

[3.6]

где: (равная температуре металла на выходе из печи);

- выбирается по температуре

2. Теплота, уносимая уходящими газами:

[3.7]

[3.8]

где: - средняя изобарная теплоемкость продуктов сгорания при

- объёмные доли. [Табл. 1]

- средние теплоёмкости газов при [3,табл.2.13]

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. [1, стр. 16, ГОСТ 390-80]

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

 [3.9]

пламенный методический печь топливо

Температуру окружающей среды принимаем равной (задание)

Температура поверхности кладки свода (задание)

Тогда средняя по толщине температура шамотного свода равна:

[3.10]

Данным температурным условиям отвечает коэффициент теплопроводности шамотного материала определяемый по:

[3.11]

Тогда потери через свод составят:

[3.12]

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 диашамит 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:

[3.13]

диатомитового кирпича:

[3.14]

где:

- температура на границе слоев.

Тогда теплопроводность шамота и диатомитового кирпича:

[3.15]

[3.16]

Количество теплоты, теряемое теплопроводностью через стены:

[3.17]



Полные потери теплоты через кладку составят:

[3.18]

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

[3.19]

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

[3.20]

Уравнение теплового баланса печи примет вид:

[3.21]

Откуда можно получить искомое значение расхода топлива , м³/c

- искомое значение расхода топлива.

Результаты расчета статей теплового баланса методической печи заносим в таблицу 4.

Таблица 4

Статьи прихода	кДж/с	%	Статьи расхода	кДж/с	%
1.Теплота от реакции горения топлива	3494,2	88,7	1.Теплота, затраченная на нагрев металла	1181,66	30
2.Теплота вносимая подогретым воздухом	212,84	5,4	2.Теплота, теряемая с уходящими газами	1700,06	43,1
3.Теплота вносимая подогретым газом	141,7	3,6	3.Потери теплоты теплопроводностью через кладку	96,148	2,5
4.Теплота экзотермических реакций	91	2,3	4.Потери теплоты с охлаждающей водой	384,87	9,7
			5.Неучтенные потери теплоты	577,3	14,7
Итого:	3939,74	100	Итого:	3940,04	100

Погрешность

Удельный расход теплоты на нагрев 1кг металла составит:

[3.22]

4. Расчёт и выбор вспомогательного оборудования

Блочный керамический рекуператор.

Собираются из шамотных блоков с каналами для прохода воздуха. Для основной установки выбираем блоки марки Б-1, как наиболее распространенные.

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

1. Расход газа (топлива) на отопление печи:

[см. гл.3]

2. Расход воздуха на 1 м³ топлива:

[Табл. 1]

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

[4.1]

4. Потери газа(воздуха) в рекуператоре:

[4.2]

где - для керамических рекуператоров, работающих с прососом воздуха - утечке газа (воздуха). [1, стр. 25]

5. Расход газа (воздуха), подаваемого в рекуператор:

[4.3]

6. Определяем расход продуктов сгорания перед рекуператором:

[4.4]

где m - коэффициент, учитывающий потери продуктов горения в печи и боровах до рекуператора;

; Принимаем ;[1, стр. 26]

- присос газа (воздуха) в долях от количества продуктов горения;

; Принимаем [1, стр. 26]

[4.5]

где - объём продуктов сгорания [Табл.1]



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

[4.6]

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 1.1]

[3, табл. 2.13, стр. 40]

Температуру уходящих дымовых газов после рекуператора получим из уравнения:

[4.7]

[4.8]

где ; [4.9]

[4.10]

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

- объёмные доли, продуктов сгорания [Табл. 1]

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:

[4.11]

где - коэффициент теплопередачи, Вт/м²·к;

- средняя разность температур уходящих газов и воздуха.

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

Для противоточного движения.

[4.12]

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

[4.13]

[4.14]

По и определяется поправки на которую умножается .

[6, рис. 4.2(а), стр.145,приложение 8]

[4.15]

Коэффициент теплоотдачи определяется по формуле:

 [4.16]

Для блочных рекуператоров:

[1, стр. 28]

где - толщина стенки блока [1, стр. 28]

- коэффициент теплопроводности шамота, принимаем

- коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху,

[4.17]

где - скорость воздуха, приведённая к нормальным условиям,

- для керамических рекуператоров. [1, табл. 3, стр. 26]

Принимаем

Средняя температура продуктов сгорания (дымовых газов):

[4.18]

Средняя температура стенок рекуператора:

[4.19]

Средняя температура воздуха:

[4.20]

Средняя разность температур стенки и воздуха:

[4.21]

Коэффициенты и определяем по :

[4.22]

, [1, табл. 5, стр. 29]

С учётом шероховатости стенки

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

 [4.23]

Коэффициент теплоотдачи конвекцией:

[4.24]

где - эквивалентный диаметр дымового канала. [1, табл. 4, стр. 27]

- скорость движения (дыма). Принимаем - для керамических рекуператоров. [1, табл. 3, стр. 26]

С учётом шероховатости стенки:

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

[4, ф-ла 9.12-9.13, стр. 400]

[4.25]

где

,

- коэффициент лучеиспускания (приведённое значение).

- степень черноты продуктов сгорания.

[4.26]

Эффективная длина луча:

[1, табл. 4, стр. 27]

Для определения степени черноты необходимо найти парциальные давления СО₂ и Н₂О и по номограммам [4, рис. 4.6-4.8, стр. 138-140] определяем

Количество теплоты от продуктов сгорания с учётом 10% потерь тепла в окружающую среду:

[4.27]

Погрешность:

- что допустимо.

Площадь теплопередающей поверхности:

[4.28]

Число блоков:

 [4.29]

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

Принимаем

Компоновка рекуператора:

Расчёт ведём по блокам Б-1

Принимаем ширину рекуператора: 1398 cм.

Ширина кирпича: 264 мм.

Общее количество блоков по ширине:

Принимаем высоту рекуператора: 1830 cм.

Высоту кирпича: 305 мм.

По высоте рекуператора:

Принимаем длину рекуператора: 2330 cм.

По длине:

Трубчатый металлический рекуператор.

Трубчатые металлургические 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 подачи 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:

[4.28]

где

(по условию)

[см. стр. 5]

[3, табл. 2.13,стр. 40, Табл. 1]

- расход газа, м³/с; [см. раздел 3, стр. 23]

Температуру уходящих газов после рекуператора находим из уравнения [4.28]:

где - расход продуктов сгорания, м³/с; [см. раздел 4.1, стр. 25]

- 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 противоточного движения:

[4.29]

где

Находим поправочные коэффициенты:

[4.30]

[4.31]

[6, рис. 4.2(а), стр. 145,приложение 8]

Среднее значение разности температур с учётом поправочного коэффициента:

[4.32]

Коэффициент теплоотдачи определяется по формуле:

[4.33]

где - толщина стенки [ГОСТ 8733-80]

- теплопроводность стенки, при средней её температуре.

Средняя температура стенок рекуператора:

[4.34]

где

(материал трубы Ст. 08КП) [2, табл. 6.6, стр.76]

Коэффициент теплоотдачи от дыма к стенке:

[4.35]

При определяем коэффициент вязкости [4, табл. 9.5, стр. 394]

Режим движения дымовых газов:

[4.36]

где [1, табл. 3, стр. 26]

- внешний диаметр труб;

режим вынужденного движения - ламинарный.

Коэффициент определяем графическим методом в соответствии [4, рис. 9.16, стр. 399,приложение 9]

[4.37]

где ( при z = 10 - число рядов) - поправка на число труб.

- поправка на температуру при .

(определяем по содержанию H₂O = 11,2% в продуктах сгорания, таблица 1)

Коэффициент теплоотдачи излучением от дыма к наружной поверхности трубки рекуператора определяем по формулам: [2, ф-ла. 9.12-9.13, стр. 400]

 [4.38]

где - коэффициент лучеиспускания (приведённое значение) [4.39]

Находим - степень черноты продуктов сгорания.

Эффективная толщина газового слоя [1, ф-ла. 4.19, стр.27]

Определяем парциальные давления и

Произведение

Произведение

Для средней температуры продуктов сгорания (дымовых газов) по [4, рис. 4.6-4.8, стр. 138-140,приложение 2,3] определяем:

Степень черноты продуктов сгорания в области рекуператора

Находим

Рассчитываем теплоотдачу от стенки подогреваемому газу.

Определяем режим движения газа:

 [4.40]

где - внутренний диаметр труб;

Принимаем [1, табл. 3, стр.26]

Для температуры определяем - коэффициент кинематической вязкости топлива.

режим вынужденного движения - турбулентный

В соответствии с [4, рис. 9.16, стр. 399,приложение 9] для турбулентного режима находим:

,

,

,

(при )

где - поправка на неизотермичность при нагреве газа при

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

- поправка на начальный участок.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к подогреваемому газу

Определяем теплопередачу

Количество теплоты от продуктов сгорания с учётом 10% потерь тепла в окружающую среду:

[4.41]

Площадь теплопередающей поверхности.

[4.42]

Определяем число трубок:

[4.43]

где - площадь поверхности одной трубки.

[4.44]

Принимаем

Компоновка рекуператора:

Принимаем количество труб в ряду - 8 шт. Количество рядов - 15

Тип пучка - гладкотрубный, с коридорным расположением.

5. Расчёт аэродинамического сопротивления дымового тракта и дымовой трубы

Исходные данные для расчёта

при

Потери давления в вертикальных каналах. [5, стр.20-24]

Состоят из потерь на трения, потерь при повороте на 90є при изменении сечения канала, преодоление геометрических потерь.

 [5.1]

Скорость дымовых газов в конце печи

[5.2]

Скорость движения дымовых газов в вертикальных каналах

Площадь сечения каждого канала

[5.3]

Тогда выбираем

Ширина b=0,5 м

Длина a=0,5 м

По исходным данным высота вертикальных каналов

Эквивалентный диаметр одного канала

 [5.4]

Потери давления по длине для одного канала [5.5]

Потеря по длине

[5.6]

Потери при повороте на 90є

[5.7]

о - коэффициент местных сопротивлений [5, прил. 5, стр.253-254]

о=2 в зависимости от размеров канала до и после поворота

Потериэнергии при сужении

[5.8]



Потери при преодолении геометрического давления

[5.9]

- плотность воздуха при

- температура наружного воздуха

Суммарные потери в вертикальных каналах

Потери давления при движении газов от вертикальных каналов до керамического рекуператора

Состоят из потерь при повороте на 90є с изменением сечения, при повороте на 90є без изменения площади сечения и потери по длине об трение.

[5.10]

Если , тогда сечения борова

[5.11]

Ширину борова сохраняем равную длине вертикальных каналов , тогда высота

[5.12]

Эквивалентный диаметр борова

[5.13]

Принимаем падение температуры на 2єС на 1метр длинны борова

Средняя температура дыма в борове

[5.14]

Потери при трении

[5.15]

[5.16]

Потери при повороте на 90є при изменении сечения

[5.17]

[5, прил. 5, стр.253-254]

Тогда о=2,5

Суммарные потери энергии

[5.18]

Потери в керамическом рекуператоре

Состоят из потерь при постепенно расширении и сужении и потерь при движении в рекуператоре

[5.19]

Потери при постепенном расширении

[5.20]

При поперечном омывании дымом шахматного пучка труб

[5.21]

Потери при постепенном сужении

[5.22]

Потери в металлическом рекуператоре

Состоят из потерь на постепенном расширение, внезапном сужении, и при обтекании шахматного пучка.

[5.23]

Потери при постепенном расширении

о=0,8 [5, прил. 5, стр.253-254]

[5.24]

При поперечном омывании дымом шахматного пучка труб

[5.25]

Потери при постепенном сужении

- температура в конце рекуператора

[5, прил. 5, стр.253-254]

[5.26]

Потери на участке от рекуператора до трубы

Принимаем снижение температуры на 1 м борова равным 1,5 єС, длина трубы

.

[5.27]

[5.28]

Общие потери давления в дымовом тракте

Расчёт высоты трубы [5, стр.24-28]

Примем скорость дыма в устье

Площадь устья

[5.29]

Диаметр устья

[5.30]

Диаметр основания трубы

[5.31]

Скорость движения дымовых газов в основании

[5.32]

Действительное разряжение в трубе

[5.33]

Предварительно принимаем высоту трубы Н=20 м, тогда падение на 1 м трубы 1,3 єС и

[5.34]

Средний диаметр трубы

[5.35]

[5.36]

Средняя скорость

[5.37]

Коэффициент сопротивления

[5, прил. 5, стр.253-254]

Действительная высота трубы

[5.38]

Выберем дымосос [9, рис.21.8, стр.258]

- принимаем требуемое давление в нагнетательном патрубке

[5.39]

где

- коэффициент запаса по напору

 [5.40]

Производительность

[5.41]

A = 1,1 - коэффициент запаса по производительности

- часовой расход

Выбираем дымосос ДН-10

Р=2200 Па, з=83%, работает при номинальном КПД.

Производительность 19,6 тыс. мі/ч

Список литературы

1. Вальченко Н.А., Гурко В.В. Практическое пособие по выполнению курсового проекта по курсу «Высокотемпературные теплотехнические процессы и установки» для студентов специальности Т.01.02.00 «Теплоэнергетика». - ГГТУ, 2001.

2. Несенчук А. Жмакин Н. Теплотехнические расчёты пламенных печей для нагрева и термообработки металла - Мн.: Высш. Шк., 1974.

3. Роддатис К.Ф., Полтарецкий А.Н. Справочник по котельным установкам малой производительности. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

4. Тимошпольский В.И., Несенчук А.П., Трусова И.А. Промышленные теплотехнологии. - Кн. 3. - Мн.: Высшая школа, 1998.

5. Мастрюков Б.С. Теплотехнические расчёты промышленных печей. - М.: Металлургия. 1972.

6. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник. - Кн. 4 /Под общ. ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина. - М.: Энергоатомиздат, 1991.

7. Тепловой расчёт котельных агрегатов (нормативный метод) /Под ред. А.М. Гурвича, Н.В. Кузнецова. - Госэнергоиздат, 1957.

8. Теплотехника /Под ред. И.Н. Сушкина. - Москва “Металлургия”,1973.

9. Зах Р.Г. Котельные установки. М., «Энергия»,1968г. 352с. С илл.

Размещено на Allbest.ru