Выбираем трубы без изоляции.
Таблица 3
Тепловой баланс печи
|
Статья |
Приход тепла |
Статья |
Расход тепла |
||
|
кВт |
% |
кВт |
% |
||
|
Химическое тепло топлива Qx Физическое тепло воздуха Qв Тепло экзотермических реакций Qэ |
106930,7 16884,7 2919,16 |
84,37 13,32 2,30 |
Расход тепла на нагрев металла Qм Потери тепла с окалиной Qo Потери тепла с уходящими газами QУ Потери через кладку Qк Потери тепла излучением Qл Потери с охлаждающей водой Qбв Неучтённые потери Qбн |
36625,98 1071,630 61090,04 3771,379 1435,846 20199,47 2540,670 |
28,89 0,845 48,20 2,975 1,133 15,93 2,004 |
Всего 126734,6 100 126735,03 100
Невязка составляет – 0,00033%
Определим другие показатели.
Коэффициент полезного действия печи:
Удельный расход тепла:
Удельный расход условного топлива:
где Qу=29300 кДж/кг – теплота сгорания условного топлива.
Для дальнейших расчетов:
- расход воздуха:
- расход продуктов горения:
4. Расчёт керамического рекуператора.
Расход продуктов сгорания через рекуператор ; расход воздуха ; температура воздуха на входе и на выходе соответственно и ; температура продуктов сгорания на входе .
Тепловой поток через поверхность теплообмена:
где k – коэффициент теплоотдачи;
Dt – средне логарифмическая разность температур между воздухом и продуктами сгорания;
F – поверхность теплообмена.
Уравнение теплового баланса с учётом утечек воздуха
,
где h=0,95– коэффициент учёта потерь тепла в окружающую среду;
n=0,2 – доля утечки воздуха.
Из этого уравнения выражаем температуру продуктов сгорания на выходе из рекуператора:
где
- концентрация воздуха, =1,334 (кДж)/(м3×К).
По формуле получим .
Определение коэффициента теплопередачи от продуктов сгорания к воздуху.
Согласно рекомендации [4] скорость продуктов сгорания и скорость воздуха при нормальных условиях равны соответственно и .
Продукты сгорания движутся внутри рекуператорных труб.
4.1Определение коэффициента теплоотдачи продуктов сгорания.
Теплоотдача конвекцией.
Температура, средняя по длине поверхности теплообмена:
.
Число Рейнольдса:
,
где -скорость продуктов сгорания при 957,5°С;
n-коэффициент кинематической вязкости при 957,5 °С;
dЭ–характерный геометрический параметр пространства, в котором происходит движение продуктов сгорания. При движении внутри рекуператорных труб dЭ = 0.144 м.
Коэффициент теплоотдачи конвекцией по рис.2.2[4]:
,
Теплоотдача излучением.
Средняя температура стенки для входа по продуктам сгорания:
.
Средняя температура стенки для выхода по продуктам сгорания:
.
В рекуператоре прямоточное движение сред.
Эффективная длина луча:
.
Эффективная степень черноты стенок труб рекуператора:
,
где eСТ=0,8 – степень черноты шамотного огнеупора.
Парциальные давления газов численно равны их объёмным содержаниям: .
Произведения парциальных давлений на эффективную длину луча:
.
Степени черноты газов определяем по графикам [4]:
1. Для входа, при 1000 °С: ;
2. Для выхода, при 915 °С: ;
3. Поправочный коэффициент: .
Значения коэффициента теплоотдачи:
1. Вход:
2. Выход:
Средний коэффициент теплоотдачи излучением:
.
Суммарный коэффициент теплоотдачи:
.
Определение коэффициента теплоотдачи воздуха.
Коэффициент теплоотдачи aВ=f(wB,O;tB) при tB=0,5×( + )=237°С по рис.2.4[4]:
.
Средняя температура стенки:
.
Теплопроводность стенки при 597°С:
.
Толщина стенки трубы: .
Коэффициент теплопередачи:
.
4.2 Определение требуемой поверхности теплообмена.
Для определения величины поверхности теплообмена F необходимо использовать графическую зависимость Е=f(m,q) рис.2.1[4].Относительная температура воздуха q вычисляется по формуле:
,
а комплекс m как:
,
где С237В=С200+1,31+0,01×(1,32-1,31)×37=1,3137 кДж/(м2×К) – теплоемкость воздуха при tВ=237°С [4].
Из графика Е=0,5, тогда с учетом утечек воздуха поверхность теплообмена вычисляется:
.
4.3 Определение размеров рекуператора.
Суммарная площадь проходного сечения труб:
,
где a=1,1 – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения продуктов сгорания по трубам рекуператора.
Площадь насадки рекуператора в горизонтальной плоскости:
,
где SПС – проходное сечение одной трубы, отнесённое к 1м2 площади сечения насадки.
Ширина насадки рекуператора В=ВП – 1=9,6 – 1=8,6 м.
Число рядов труб в направлении, перпендикулярном движению воздуха:
,
где S1=0,305 м – шаг размещения трубы по ширине печи.
Высот насадки рекуператора:
,
где P=8,5 м3/м3 – поверхность теплообмена на 1м3 насадки для керамических рекуператоров.
Площадь проходного сечения для движения воздуха:
.
Площадь проходного сечения воздуха по высоте одного ряда труб:
.
Количество рядов труб по высоте одного горизонтального прохода:
.
Число горизонтальных проходов по пути движения воздуха:
,
где h=0,42м – высота трубного элемента с учетом межфланцевого торцевого зазора.
4.4 Окончательные размеры рекуператора.
Число рядов труб по ширине рекуператора:
.
Число рядов труб по высоте рекуператора с учётом возможности увеличения высоты последнего прохода на 1 трубу:
.
Ширина насадки рекуператора:
.
Число рядов труб по длине рекуператора:
,
где S2=0,304м – шаг труб по длине рекуператора.
Длина насадки рекуператора:
.
Высота насадки рекуператора:
.
Действительная поверхность теплообмена.
.
4.5 Расчет аэродинамического сопротивления воздушного тракта.
где lТ – коэффициент трения для каналов из огнеупоров (0,05);
N=1 – число горизонтальных проходов;
dэ – эквивалентный диаметр для вертикальных каналов (0,114м);
b =1/273- коэффициент объемного расширения газов;
g=9,81 м/с2 – ускорение свободного падения;
wВ,О=1,5 м/с; rВо=1,293 кг/м3;
коэффициенты местных сопротивлений:
x1 =0,5;
x2 =0,3;
x4 =1,2;
x7 =к×(S2/S1×np×a+b)=1,4×(304/305×54×0,1+2)=10,335 ,
где к – коэффициент учитывающий турбулентность движения газа;
np=М1 – 1=54 – число межрядных проходовпо длине горизонтальных каналов;
a,b – коэффициенты зависящие от S2 и диаметра труб (a=0,1;b=2).
4.6Расчет аэродинамического сопротивления тракта продуктов сгорания.
где lТ – коэффициент трения для каналов из огнеупоров (0,05);
dэ – эквивалентный диаметр для вертикальных каналов (0,114);
x5, x6 –коэффициенты местных сопротивлений (0,5; 0,6);
rПсо, rво – плотность продуктов сгорания и воздуха;
b - коэффициент объемного расширения газов.
5. Выбор горелочных устройств.
Для данной методической печи используем горелки типа “труба в трубе”.
Примем следующее распределение тепла по зонам печи [8]:
- томильная зона – 15%;
- первая сварочная зона:
- верхняя – 20%;
- нижняя – 22,5%;
- вторая сварочная зона:
- верхняя – 20%;
- нижняя – 22,5%.
Число горелок в каждой зоне:
где Sг – шаг горелок [8], м;
k – число рядов горелок.
Пропускная способность одной горелки по газу:
.
Давление газа перед горелкой принимаем 4 кПа, для воздуха – 0,5 кПа.
Первая сварочная зона.
Теплота сгорания топлива: QHP=8095,6 кДж/м3.
Газ холодный (20°С): rГО=1,194 кг/м3.
Температура подогрева воздуха: tВ=454°С.
Удельный расход воздуха: VВ=2,1021 м3/м3.
Расход воздуха на горелку:
Расчётный расход воздуха при подогреве его до 454оС:
где k =1,56 – коэффициент определяется по рис.5а [8].
По рис.5а [8], по расчётному расходу воздуха и давлению перед горелкой 0,5 кПа определяем тип горелок: ДНБ-275/dГ.
Расчётный расход газа:
где kt – определяется из рис.6 [8];
kp=1,31 кг/м3 – определяется из рис.7 [8].
При давлении 4 кПа и расчётном расходе газа VГрас=0,405 м3/с диаметр газового сопла – dГ =85 мм.
Проверим скорости в характерных сечениях горелки. По рис.8[8] найдём скорости Wг20=65 м/с и воздуха– Wв20=20 м/c на выходе из горелки при t=20 оС.
Действительные скорости сред:
Отношение скоростей:
Отношение скоростей находится в пределах допустимого [8]. По табл.4 [8] определяем размеры горелки ДНБ-275/85 (см. прил 1.).
Скорость газовой смеси на выходе из носика горелки:
Скорости движения сред в подводящих трубопроводах:
6. Расчет газового, воздушного и дымового трактов нагревательных печей.
6.1 Определение размеров газо- и воздухопроводов.
Участок 1 диаметром d1(D1) и длиной l1(L1) соединяет каждую горелку с раздаточным коллектором.
l1 = 6 м – газопровод; L1=3 м – воздухопровод; d1 =D5, a D1= D2
Участок 2 (зонный коллектор) диаметром d2(D2) и длиной l2(L2) обеспечивает равномерное распределение газа(воздуха) на группу горелок данной зоны отопления.
Задаемся рациональными скоростями движения газа и воздуха:
wГ2=15 м/с; wВ2=8 м/с.
Площадь проходного сечения трубы для газа:
, где V2=BБ×0,225=2,971 м3/с.
Отсюда диаметр трубы:
;
Площадь проходного сечения трубы для воздуха:
, где V2=BБ×0,225=2,971 м3/с.
Отсюда диаметр трубы:
.
Длина l2 =L2=Bn+2=11,6 м.
Участок 3 диаметром d3(D3) и длиной l3(L3) соединяет зонный коллектор с печным. На нем размещают дроссельный клапан для плавного регулирования расхода газа(воздуха) на группу горелок зоны и измерительную диафрагму для контроля расхода газа (воздуха) на зону отопления.
l3=L3=12 м; d3=d2 =0,56154 м; D3=D2=0,76892 м.
Участок 4 диаметром d4(D4) и длиной l4(L4) обеспечивает подвод газа (воздуха) к печи из цехового газопровода (воздухопровода) и раздачу его по зонам коллектора.
Диаметр трубы газа:
;
Диаметр трубы под воздух:
.
Общая длина l4=L4=35 м.
6.2 Расчёт дымового тракта.
Дымовой тракт представляет собой систему каналов - боровов, обеспечивающих движение продуктов горения из печи к дымовой трубе. Расчет ведем в соответствии с типовой схемой дымового тракта методической печи. Скорость продуктов горения w02=2,5 м/с [6].
1) Соединение печи с рекуператором.
Проходное сечение борова f1=a´b=2,9×9,6=27,84 м2, а длина l1=5,5 м. Тогда:
2) горизонтальный участок – рекуператор с дымовой трубой.
Длина l2=40 м. Проходное сечение борова:
Выбираем боров с проходным сечением fБ=21 м2 (см. рис.4), [6,прил.6].
Размеры борова: В=3944 (мм) и Н=5681 (мм).
Реальная скорость дымовых газов:
Схема дымового тракта представлена в прил. 2.
Рис.4. Дымовой боров.
6.3 Аэродинамический расчёт дымового тракта.
Потери давления на трение па первом участке (при `t1=1000°C) :
где
Для кирпичных каналов l=0,05 Вт/(м×К).
Плотность дымовых газов rПС,0=1,31 кг/м3 .
Средняя температура газов на втором участке:
Потери давления на трение па 2-ом участке (при `t2=875°C) :
где
Суммарные потери на трение:
Расчет потерь давления на местных сопротивлениях.
Участок 1: при значениях b¢/ b=1,16 и h/ b¢=3,31 по приложению 8 [6] принимаем коэффициент местного сопротивления x1=0,9, а при b¢/ b=2,2 и h/ b¢=1,47 - x2=0,75.
Потери давления находят по формуле:
Участок 2: при значении j=25° - угол открытия дросельного клапана в прямоугольном канале [6, прил.8] принимаем коэффициент местного сопротивления x4=2, а при L/H=0,75 (задвижка – шибер в прямоугольном сечении) - x5=0,6 и принимаем что x3=1,4.Так как труба круглая h/ b¢=1 и b¢/ b=1,3 следовательно коэффициент местного сопротивления x6=1.
Тогда потери давления находят по формуле:
Суммарные потери на местных сопротивлениях :
Изменение геометрического напора, зависящее от вертикальных участков борова, рассчитывается по формуле:
где H – высота опускания продуктов в дымовом тракте,(5,5 м).
Расчет аэродинамического сопротивления рекуператора см. пункт 4.6.
Для дымового тракта разряжение, создаваемое дымовой трубой (с 50% запасом):
Библиографический список.
1. Соломенцев. С.Л. Расчёт горения топлива. –Липецк: ЛПИ, 1980. – 38с.
2. Лукоянов Б. И. Учебное пособие для расчета металлургических печей. – Воронеж: ВПИ, 1976. - 110с.
3. Соломенцев. С.Л. Тепловой баланс печи. –Липецк: ЛПИ, 1981. – 26с.
4. Наумкин В. А. Выбор конструкции и расчет керамических рекуператоров. –Липецк: ЛПИ, 1983. – 32с.
5. Соломенцев. С.Л. Методические указания по курсовому проектированию металлургических печей. –Липецк: ЛПИ, 1981.
6. Наумкин В. А. Расчёт газового, воздушного и дымового трактов нагревательных печей. –Воронеж: ВПИ, 1989. –56с.
7. Кривандин В. А., Марков Б. Л. Металлургические печи. –М.: Маталлургия, 1997. –463с.
8. Щапов Г. А., Карамышева Е. П. Выбор устройств для сжигания топлива в печах. Горелки типа “труба в трубе”. –Липецк: ЛПИ, 1985.
