Проектирование нагревательной двухкамерной печи

в) Квадрат величины угара за первый час нагрева [10]

, (5.50)

где С₁,С₂ - экспериментальные коэффициенты, зависящие от группы нагреваемой стали.

Для стали ст30ХНЗ экспериментальные коэффициенты равны [11]

С₁ = 0,122•10^-3;

С₂ = 8,431•10^-3;

;

;

;

.

г) Квадрат величины угара на отрезке времени рассчитывается по формуле [2]

, (5.51)

где (ф_i - ф_i-1) - продолжительность отрезка времени, ч.

;

;

;

.

д) квадрат величины угара за весь период нагрева определяется по формуле [2], кг/м²,

; (5.52)

(кг/м²).

е) Величина угара за время нагрева рассчитывается по формуле [2], кг/м²,

; (5.53)

( кг/м²).

ж) Среднее значение величина угара в процессе основного нагрева определяется по формуле [2], кг/м²с,

; (5.54)

( кг/м²с).

Данные расчета сводим в таблицу 5.3.

Таблица 5.3. Расчет угара металла

ф, с	ф, ч	Тср i, К				, кг/м2	, кг/м2с
861	0,239	668,845			1,167673953	1,0805896	3,1385•10-4
1722	0,478	1164,015	1,220119734	0,2916086164
2582	0,717	1345,215	1,220138374	0,2916130714
3443	0,956	1440,125	1,220148138	0,291615405
4304	1,196	1493,08	1,220153585	0,2928368604

Тогда = 5652•2,117 •3,1385•10^-4= 3,755 (кВт).

5.2.2 Расходные статьи теплового баланса основного периода нагрева металла

5. Затраты теплоты на нагрев металла в основной период нагрева рассчитываются по формуле [2], кВт,

= G•[C_{м к} • - C_{м н} • ] , (5.55)

где G - производительность печи (см. пункт 2), кг/с,

G = 0,139 (кг/с);

- средняя по сечению температура металла в начале нагрева

=541,17 (^оС) = 814,17 (К);

- средняя по сечению температура металла в конце нагрева, К,

; (5.56)

=1483,32 (К);

C_{м н} - теплоёмкость металла при температуре =541,17 ^оС=814,17 К для стали 30ХНЗ, который находится по таблице IV-22 [1]

C_{м н} = 0,720 (кДж/кг К);

C_{м к} - теплоёмкость металла при температуре =1210,32 ^оС=1483,32 К для стали 30ХНЗ, который находится по таблице IV-22 [1]

C_{м к} = 0,653 (кДж/кг К);

= 0,139•[0,653 • 1483,32-0,720•814,17] = 53,15 (кВт).

6. Потери тепла с уходящими газами в основной период нагрева металла рассчитываются по формуле [2], кДж/м³,

= V_п.г. • C_п.г. •, (5.57)

где V_п.г.- удельный выход продуктов горения (суммарный объем продуктов горения) определили в пункте 1

V_пг = 11,196 (м³(н) п.г./м³(н) газа);

- температура уходящих из рабочего пространства продуктов горения в основной период нагрева определяется исходя из данных пункта 4

(К);

C_п.г.- средняя удельная теплоемкость продуктов горения в интервале температур от 273 К (0 єС) до =1390,75 єС=1663,75 К, находится как сумма средних удельных теплоёмкостей составляющих продуктов горения, кДж/м³•К,

= С_СO2·r_СO2 + С_H2O·r_H2O + С_N2·r _N2 + С_O2·r _O2, (5.58)

где r_i - доля i-го компонента в смеси продуктов горения определили в пункте 1;

С_i - средняя удельная теплоёмкость i-го компонента смеси продуктов горения в интервале температур от 273 К (0 єС) до =1390,75 єС=1663,75 К определяется по таблицам I-4, I-5[1]

,

где определяется по формуле (4.5)

С_СO2=1,2900/1,171=1,1016 кДж/м³•К;

С_H2O =2,483/1,23=2,0187 кДж/м³•К;

С_N2= 1,203/1,323=0,9093 кДж/м³•К;

С_O2=1,1229/1,3=0,8638 кДж/м³•К;

C_п.г. =1,1016·0,0926+2,0187·0,1788+0,9093·0,7195+0,8638·0,0091=1,125 (кДж/м³•К).

Тогда = 11,196 •1,125•1663,75=20955,76 (кДж/м³(н) газа).

7. Тепло, уносимое с охлаждающей водой, в основной период нагрева металла определяется по формуле [2], кДж/м³,

= G_вд• С_вд?Д T_вд, (5.59)

где G_вд- расход воды на охлаждаемые элементы печи, м³/с. Принимаем расход воды из условия, что на 100 кг/ч производительности приходится 300 кг/ч воды

G_вд = =1500 (м³/ч) = 0,417 (м³/с);

T_вк = 60 єC - температура охлаждающей воды на выходе;

T_вн = 10 єC - температура охлаждающей воды на входе;

ДT= T_вк - T_вн=60-10=50 (єC)=323 (К);

С_вд =4,19 (кДж/м³•К) - теплоемкость охлаждающей воды [1];

= 0,417•4,19•323 = 564,355 (кВт).

8. Потери тепла теплопроводностью через кладку печи в основной период нагрева металла

Потери тепла через свод, стены и под определяются по уравнению [2]

= , (5.60)

где - температура в рабочем пространстве печи, =1390,75 єС=1663,75 К;

T_н - температура воздуха в цехе, T_н = 20 ^оС = 293 К;

- условный коэффициент конвективной теплоотдачи внутри рабочего пространства печи, кВт/м²•К;

- толщина i-ого слоя кладки печи, м;

л_i - коэффициент теплопроводности i-ого слоя кладки печи, Вт/м• К;

- коэффициент конвективной теплоотдачи от наружных поверхностей кладки, кВт/м²•К;

- площадь поверхности кладки по внутреннему обмеру, м²;

- площадь поверхности кладки по наружному обмеру, м²;

Определяем отдельно потери тепла через свод, стены и под.

Задаемся значением коэффициента конвективной теплоотдачи от наружной поверхности кладки в цех =15 Вт/м²К.

Условный коэффициент конвективной теплоотдачи начального периода нагрева металла внутри рабочего пространства печи вычисляется по формуле

, (5.61)

где - условный суммарный коэффициент конвективной теплоотдачи в начале основного периода нагрева металла, Вт/м²К, рассчитывается по формуле

, (5.62)

где =50 Вт/м²К (см. пункт 3);

- условный коэффициент конвективной теплоотдачи в начале основного периода нагрева металла,

, (5.63)

где =2,7316 Вт/м²К⁴ - приведенный коэффициент излучения газов с учетом кладки на металл в начальный период нагрева металла определили в пункте 3

(Вт/м²К);

(Вт/м²К).

- условный суммарный коэффициент конвективной теплоотдачи в конце основного периода нагрева металла, Вт/м²К, рассчитывается по формуле

, (5.64)

где - условный коэффициент конвективной теплоотдачи в конце основного периода нагрева металла, Вт/м²К, который получается приведением радиационной составляющей теплового потока к конвективному виду, определяется по формуле

, (5.65)

(Вт/м²К);

(Вт/м²К).

(Вт/м²К).

Принимаем следующую футеровку печи:

свод (двухслойная футеровка): 1 слой шамот ША,

2 слой диатомовая обожженная крошка в засыпке;

под (трехслойная футеровка): 1 слой хромопериклаз,

2 слой шамот ША,

3 слой строительный красный кирпич на теплом растворе;

стены (трехслойная футеровка): 1 слой шамот ША,

2 слой легковесный коалиновый огнеупор КЛ-1,3,

3 слой диатом Д-500.

Эскиз рабочего пространства печи с футеровкой приведен в приложении 5.1.

1. Принимаем для свода двухслойную футеровку. Средние по сечению температуры слоев кладки определяются при двухслойной кладке следующим образом [2]:

; (5.66)

(К);

; (5.67)

(К).

1 слой: шамот ША (по табл. 8.55 [12]), так как максимальная температура деформации под нагрузкой=1673 К, а максимальная температура на слое K,

- толщина огнеупорного слоя д_св1= 232 мм = 0,232 м;

- теплопроводность огнеупора при средней температуре на слое К

(Вт/м•К);

- плотность огнеупора с_св1=1905 кг/м³;

- средняя удельная теплоемкость огнеупора при средней температуре на слое

(кДж/(кг•К)).

2 слой: диатомовая обожженная крошка в засыпке (табл. 8.61 [12]), так как предельная рабочая температура =1173 К, а максимальная температура на слое K.

- толщина изоляционного слоя д_св2 = 232 мм = 0,232 м;

- теплопроводность изоляции при средней температуре на слое K

(Вт/м•К);

- плотность изоляции с_св2=500 кг/м³;

- средняя удельная теплоемкость изоляции при средней температуре на слое

(кДж/(кг•К)).

Потери тепла через свод определяются по уравнению

= , (5.68)

- внутренняя площадь свода, м²;

- наружная площадь свода, м²

== B·L;

== 1,22•1,08=1,318 (м²).

Принимаем для пода и стен трехслойную футеровку. Средние по сечению температуры слоев кладки определяются при трехслойной кладке следующим образом [2]:

; (5.69)

(К);

; (5.70)

(К);

; (5.71)

(К).

2. Для пода принимаем

1 слой: хромопериклаз (по табл. 8.55 [12]), так как максимальная температура деформации под нагрузкой=1803 К, а максимальная температура на слое K,

- толщина огнеупорного слоя д_под1 = 116 мм = 0,116 м;

- теплопроводность огнеупора при средней температуре на слое K

(Вт/м•К);

- плотность огнеупора с_под1=3025 кг/м³;

- средняя удельная теплоемкость огнеупора при средней температуре на слое

(кДж/(кг•К)).

2 слой: шамот ША (по табл. 8.55 [12]), так как максимальная температура деформации под нагрузкой=1673 К, а максимальная температура на слое K,

- толщина огнеупорного слоя д_под2= 232 мм = 0,232 м;

- теплопроводность огнеупора при средней температуре на слое К

(Вт/м•К);

- плотность огнеупора с_под2=1905 кг/м³;

- средняя удельная теплоемкость огнеупора при средней температуре на слое

(кДж/(кг•К)).

3 слой: строительный красный кирпич на теплом растворе (по табл. VI-1[1]), так как максимальная температура на слое K,

- толщина изоляционного слоя д_под3 = 464 мм=0,464 м;

- теплопроводность изоляции л_под3 = 0,67 Вт/м•К;

- плотность изоляции с_под3=1905 кг/м³;

- средняя удельная теплоемкость изоляции при средней температуре на слое

(кДж/(кг•К)).

Потери тепла теплопроводностью через под отсутствуют, так как печь непереносная

.

3. Для стен принимаем

1 слой: шамот ША (по табл. 8.55 [12]), так как максимальная температура деформации под нагрузкой=1673 К, а максимальная температура на слое K,

- толщина огнеупорного слоя д₁= 116 мм = 0,116 м;

- теплопроводность огнеупора при средней температуре на слое К

(Вт/м•К);

- плотность огнеупора с₁=1905 кг/м³;

- средняя удельная теплоемкость огнеупора при средней температуре на слое

(кДж/(кг•К)).

2 слой: легковесный коалиновый огнеупор КЛ-1,3 (по табл. 8.56 [12]), так как предельная рабочая температура=1673 К, а максимальная температура на слое K,

- толщина огнеупорного слоя д₂= 116 мм = 0,116 м;

- теплопроводность огнеупора при средней температуре на слое К

(Вт/м•К);

- плотность огнеупора с₂=1300 кг/м³;

- средняя удельная теплоемкость огнеупора при средней температуре на слое

кДж/(кг•К).

3 слой: диатом Д-500 (по табл. 8.61 [12]), так как предельная рабочая температура =1173 К, а максимальная температура на слое K,

- толщина изоляционного слоя д₃= 232 мм = 0,232 м;

- теплопроводность изоляции при средней температуре на слое К

(Вт/м•К);

- плотность изоляции с₃=1905 кг/м³;

- средняя удельная теплоемкость изоляции при средней температуре на слое

кДж/(кг•К).

Потери тепла через боковые и торцевые стен печи определяются по уравнению

= , (5.72)

- внутренняя площадь стен, м²

;

(м²);

- наружная площадь стен, м²

;

(м²);

= (кВт);

= (кВт);

= + =5,496+0,840=6,336 (кВт).

9. Потери тепла излучением через открытые окна печи в основной период нагрева металла определяются по формуле [2], кВт

= C_o • ()⁴ • F_отв? ш ? Ц?10^-3 , (5.73)

где C_o-коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, C_o= 5,67 Вт/(м²•К⁴);

- температура печи в основной период нагрева определяется исходя из данных пункта 4

(К);

F_ок - площадь открытого окна, м

F_ок = B_ок•H_{ср ок}; (5.74)

B_ок -ширина загрузочного окна, из удобства загрузки-выгрузки B_ок =0,9 м;

H_ок-высота загрузочного окна

H_ок=2•b=2•0,12=0,24 м;

принимаем высоту загрузочного окна из условия кратности кирпичу H_ок=0,26 м.

Для определения среднего значения высоты окна необходимо знать максимальную высоту окна Н_max, которая находится графически.

Отложим горизонтальный отрезок 1-2, равный ширине окна. Из середины отрезка 1-2 (точка 3), перпендикулярно к нему, построим осевую линию. Из точек 1 и 2 проведем линии, перпендикулярные отрезку 1-2 и равные высоте окна H_ок, получим точки 4 и 5. От точки 5 к осевой линии отложим отрезок, равный ширине окна В_ок, получим точку 6. Из точки 6 проведем окружность радиусом, равным ширине окна - В_ок (R=B_ок). Получим точку 7 пересечения окружности и осевой линии (рис. 5.4). Отрезок 3-7 - это максимальная высота окна.

Из построения получили максимальную высоту окна печи Н_max=0,38 м. Находим среднее значение высоты окна печи Н_{ср ок}:

(м).

F_ок = 0,9•0,31=0,98 (м²).

ш - доля времени (часа), в течение которого окно открыто. Принимается исходя из условия, что на обработку одной заготовки за час нужно 2ч4 минуты

ш = n•3=12•3=36мин за час=0,676.

Ц - коэффициент диафрагмирования определяется по таблице 17 [5] при толщине стенки м;

Ц= 0,535;

= 5,67•()⁴ •0,98• 0,676 • 0,535•10^-3 = 115,79 (кВт).

10. Потери тепла на аккумуляцию печи в основной период нагрева металла отсутствуют, так как печь непереносная

=0.

Сведем результаты расчета теплового баланса основного периода нагрева металла в таблицу 5.4.

Таблица 5.4.Результат расчета теплового баланса основного периода нагрева металла

Приходные статьи	Расходные статьи
Наименование	Размерность	Величина	%	Наименование	Размерность	Величина	%
Низшая теплота сгорания топлива,	кВт	1315,8	87,97	Тепло, затраченное на нагрев металла,	кВт	53,15	3,56
Физическая теплота топлива,	кВт	16,947	1,13	Потери тепла с уходящими газами ,	кВт	754,407	50,5
Физическая теплота воздуха,	кВт	159,318	10,65	Тепло, уносимое с охлаждающей водой,	кВт	564,355	37,77
Тепло экзотермических реакций,	кВт	3,755	0,25	Потери тепла излучением через открытые окна печи,	кВт	115,79	7,75
				Потери тепла теплопроводностью через обмуровку печи,	кВт	6,336	0,42
				Потери на аккумуляцию печи,	кВт	0	0
Итого,	кВт	1495,82	100	Итого,	кВт	1494,04	100

Невязка баланса составляет 0,119%, что не превышает инженерную погрешность 5%.

Расход газа на основной период нагрева металла

= [53,15+6,336+115,79+564,355-3,755] / [36550+4425,49+470,742-20955,76] =

= 0,0360 (м³ (н) газа/с)

Для учета прочих потерь расход топлива, полученный решением уравнения (5.43), умножается на коэффициент (1,1 ч 1,15) [2]

= · 1,125 = 0,0360 · 1,125 = 0,0045 (м³ (н) газа/с).

Усредненный за время нагрева расход топлива определяется по формуле [2]

; (5.75)

(м³ (н) газа/с).

5.3 Определение удельных показателей работы печи

К удельным показателям работы печи относятся:

- коэффициент полезного действия печи;

- коэффициент использования топлива;

- удельный расход топлива.

Найдем коэффициент полезного действия печи, %, по формуле [2]

КПД = , (5.76)

где - затраты теплоты на нагрев металла за весь период нагрева рассчитываются по формуле [2], кВт,

= G•[C_{м к} • - C_{м н} • ] , (5.77)

где G - производительность печи (см. пункт 2), кг/с,

G = 0,139 (кг/с);

- средняя по сечению температуру металла в начале нагрева принимаем равной температуре в цехе

=20 (^оС) = 293 (К);

- средняя по сечению температура металла в конце нагрева, К,

; (5.78)

=1483,32 (К);

C_{м н} - теплоёмкость металла при температуре =20 ^оС=293 К для стали 30ХНЗ, который находится по таблице IV-22 [1]

C_{м н} = 0,494 (кДж/кг К);

C_{м к} - теплоёмкость металла при температуре =1210,32 ^оС=1483,32 К для стали 30ХНЗ, который находится по таблице IV-22 [1]

C_{м к} = 0,653 (кДж/кг К);

= 0,139•[0,653 • 1483,32-0,494•293] = 114,52 (кВт);

- низшая теплота сгорания топлива за весь период нагрева металла (природного газа Ставропольского месторождения) по таблице 2.8 [3]

= == 36550 (кДж/м³(н) газа).

КПД = %.

Найдем коэффициент использования топлива, %, по формуле [2]

КИТ = , (5.79)

- физическая теплота воздуха за весь период нагрева металла определили в пункте 5.1 и 5.2

===4425,49 кВт;

-физическая теплота топлива за весь период нагрева металла определили в пункте 5.1 и 5.2

===470,742 кВт;

- потери тепла с уходящими газами за весь период нагрева металла рассчитываются по формуле [2], кДж/м³,

= V_п.г. • C_п.г. •, (5.80)

где V_п.г.- удельный выход продуктов горения (суммарный объем продуктов горения) определили в пункте 1

V_пг = 11,196 (м³(н) п.г./м³(н) газа);

- температура уходящих из рабочего пространства продуктов горения за весь период нагрева определяется исходя из данных пункта 4

(К);

C_п.г.- средняя удельная теплоемкость продуктов горения в интервале температур от 273 К (0 єС) до =1487,59 єС=1760,59 К, находится как сумма средних удельных теплоёмкостей составляющих продуктов горения, кДж/м³•К,

= С_СO2·r_СO2 + С_H2O·r_H2O + С_N2·r _N2 + С_O2·r _O2, (5.81)

где r_i - доля i-го компонента в смеси продуктов горения определили в пункте 1;

С_i - средняя удельная теплоёмкость i-го компонента смеси продуктов горения в интервале температур от 273 К (0 єС) до =1487,59 єС=1760,59 К определяется по таблицам I-4, I-5 [1]

,

где определяется по формуле (4.5)

С_СO2=1,2900/1,171=1,1016 кДж/м³•К;

С_H2O =2,483/1,23=2,0187 кДж/м³•К;

С_N2= 1,203/1,323=0,9093 кДж/м³•К;

С_O2=1,1229/1,3=0,8638 кДж/м³•К;

C_п.г. =1,1016·0,0926+2,0187·0,1788+0,9093·0,7195+0,8638·0,0091=1,125 (кДж/м³•К).

Тогда = 11,196 •1,125•1760,59=22175,51 (кДж/м³(н) газа).

КИТ = %.

Найдем удельный расход топлива по формуле [2]

b_y= ; (5.82)

b_y= .

5.4 Корректировка параметров внешнего теплообмена

Сопряженная задача теплообмена решалась при коэффициенте конвективного теплообмена б, принятом в нулевом приближении. После расчета теплового баланса при известном расходе топлива В_н можно уточнить коэффициент теплоотдачи, используя формулу Бровкина-Коптева [11]

, (5.83)

где В_н - расход топлива на печь определили в пункте 5.2

м³ (н) газа/с;

V_пг - удельный выход продуктов горения определили в пункте 1

V_пг=11,196 м³ (н) п.г./м³ (н) газа;

V_рп - объём рабочего пространства печи, м³, определяется по формуле

(м³);

W - скорость продуктов горения на выходе из туннеля, м/с, принимаем

W =40 м/с;

Т_д - действительная температура горения природного газа

Т_д =1800 ⁰С =2073 К;

- обобщенный размер рабочего пространства печи, м, определяется по формуле

; (5.84)

F_м, F_кл - соответственно площадь поверхности металла и кладки, омываемые газом, м², определили в пункте 3

м²;

м²;

(м);

л_пг - коэффициент теплопроводности продуктов горения за весь период нагрева, Вт/м•К, определяется по температуре газа в рабочем пространстве печи =1487,59 єС=1760,59 К и находится как сумма коэффициентов теплопроводности составляющих продуктов горения

= л_СO2·r_СO2 + л_H2O·r_H2O + л_N2·r _N2 + л_O2·r _O2, (5.85)

где r_i - доля i-го компонента в смеси продуктов горения определили в пункте 1;

л_i - коэффициент теплопроводности i-го компонента смеси продуктов горения в интервале температур от 273 К (0 єС) до =1487,59 єС=1760,59 К определяется по таблицам I-4, I-5 [1]

л_СO2=0,0863 Вт/м•К;

л_H2O =0,1407 Вт/м•К;

л_N2=0,0723 Вт/м•К;

л_O2=0,0858 Вт/м•К;

л_п.г =0,0863·0,0926+0,1407·0,1788+0,0723·0,7195+0,0858·0,0091=0,08595=85,95•10^-3 (Вт/м•К).

с_пг - плотность продуктов горения за весь период нагрева, кг/м³, определяется по температуре газа в рабочем пространстве печи =1487,59 єС=1760,59 К и находится как сумма плотностей составляющих продуктов горения

= с_СO2·r_СO2 + с_H2O·r_H2O + с_N2·r _N2 + с_O2·r _O2, (5.86)

где с_i - плотность i-го компонента смеси продуктов горения в интервале температур от 273 К (0 єС) до =1487,59 єС=1760,59 К определяется по таблицам I-4, I-5 [1]

с_СO2=0,423 Вт/м•К;

с_H2O =0,172 Вт/м•К;

с_N2=0,268 Вт/м•К;

с_O2=0,306 Вт/м•К;

с_п.г =0,423 ·0,0926+0,172·0,1788+0,268·0,7195+0,306·0,0091=0,266 (Вт/м•К).

м_пг - динамическая вязкость продуктов горения за весь период нагрева на выходе из туннеля горелки, кг/(м•с), определяется при действительной температуре горения природного газа Т_д =1800 ⁰С =2073 К и находится как сумма динамических вязкостей составляющих продуктов горения

= м_СO2·r_СO2 + м_H2O·r_H2O + м_N2·r _N2 + м_O2·r _O2, (5.87)

где м_i - динамическая вязкость i-го компонента смеси продуктов горения в интервале температур от 273 К (0 єС) до =1487,59 єС=1760,59 К определяется по таблицам I-4, I-5 [1]

м_СO2=51,5•10^-6 кг/(м•с);

м_H2O =52,4•10^-6 кг/(м•с);

м_N2=47,5•10^-6 кг/(м•с);

м_O2=56,5•10^-6 кг/(м•с);

м_п.г =(51,5·0,0926+52,4·0,1788+47,5·0,7195+56,5·0,0091)•10^-6 =48,83•10^-6 (кг/(м•с)).

н_пг - кинематическая вязкость продуктов горения в пограничном слое у поверхности металла за весь период нагрева металла, м²/с, определяется при температуре пограничного слоя и находится как сумма кинематических вязкостей составляющих продуктов горения

, (5.88)

где - температура поверхности металла средняя за время нагрева определяется исходя из данных пункта 4

(К);

=1464,79(К);

= н_СO2·r_СO2 + н_H2O·r_H2O + н_N2·r _N2 + н_O2·r _O2, (5.89)

где н_i - кинематическая вязкость i-го компонента смеси продуктов горения в интервале температур от 273 К (0 єС) до =1191,79 єС=1464,79К определяется по таблицам I-4, I-5 [1]

_СO2=116•10^-6 кг/(м•с);

н_H2O =204•10^-6 кг/(м•с);

н_N2=177•10^-6 кг/(м•с);

н_O2=184•10^-6 кг/(м•с);

н_п.г =(116•0,0926+204·0,1788+177·0,7195+184·0,0091)•10^-6 =176,24•10^-6 (кг/(м•с)).

Тогда

.

Погрешность составляет

%.

Погрешность превышает 2 %, следовательно, необходимо провести корректировку значения коэффициента конвективной теплоотдачи и заново произвести расчёт, начиная с расчета параметров внешнего теплообмена. Данная работа не предусматривает этого расчета.

Вывод: Составив тепловой баланс рабочего пространства печи и найдя расход топлива на печь, можно выбрать горелку, выбрать и рассчитать рекуператор.

6. Выбор горелочного устройства

Для обеспечения равномерного режима нагрева выбираем одну горелку с улучшенным смешением типа ГНП на одну камеру.

Расход газа на 1одну камеру печи определили в пункте 5

В_н = 0,0323 м³/с = 116,28 м³/ч.

Типоразмер горелки определяем по расходной характеристике [14]. При давлении газа перед горелкой P_г=2 кПа и расходе газа В_г = 116,28 м³/ч выбираем горелку ГНП-8АП (А- многоструйная, П- на природном газе).

Так как воздух на горение подаётся подогретым до температуры 300^оС необходимо произвести перерасчёт горелки. В этом случае изменяется только давление воздуха перед горелкой, которое определяется по формуле

Р_в,t=Р_в,о·(Т/Т₀), (6.2)

где Р_в,t - давление воздуха при температуре подогретого воздуха Т=300+273=573 К;

Р_в,о - давление воздуха, определяемое по типоразмеру горелки [14], Р_в,о=3,0 кПа.

Р_в,t= 3,0·(573/273) =6,30 (кПа).

Данная горелка подходит для работы на подогретом воздухе.

Горелка ГНП-7АП имеет следующие характеристики:

- давление газа перед горелкой Р_г= 2 кПа;

- давление воздуха перед горелкой Р_в=6,30 кПа;

- длина факела L_ф= 1140 мм;

- номинальная мощность N=2280 кВт.

7. Выбор и расчет рекуператора

Цель: Выбрать и рассчитать рекуператор для использования вторичного энергоресурса - тепла уходящих газов.

При температуре дымовых газов выше 900?C основное количество тепла отдается излучением, поэтому на печи устанавливаем щелевой радиационный рекуператор, подогревающий воздух до температуры T_в=300 єС=573 К.

Щелевой радиационный рекуператор состоит из двух концентрических цилиндров, сваренных из листов жаропрочной стали. По внутреннему цилиндру проходят дымовые газы, а по кольцевому каналу между внутренним и наружным цилиндром - нагреваемый воздух. На обоих концах рекуператора расположены кольцевые коробки, служащие для подвода и отвода нагреваемого воздуха. Для уменьшения потерь тепла в окружающую среду устройство наружного цилиндра покрывают теплоизоляцией.

Подогрев воздуха не только обеспечивает экономию топлива, но и повышает температуру продуктов сгорания топлива, что способствует ускорению процессов нагрева металла в печах и возможности применения низкокалорийных местных топлив (без снижения производительности).

Рекуператор устанавливаем вертикально, так как при горизонтальном расположении рекуператора увеличивается неравномерность обогрева по периметру цилиндров и создаются менее благоприятные условия для предохранения его от засорения.

Недостатками вертикальных щелевых радиационных рекуператоров является то, что в случае аварии рекуператора заменить его трудно, а всякий ремонт вызовет перебой в работе печного агрегата, так как рекуператор служит одновременно и дымовой трубой для печи.

Принимаем, что на двухкамерной печи устанавливается один рекуператор для двух камер, поэтому в расчетах расход топлива умножаем на два.

7.1 Исходные данные для расчета рекуператора

Объем нагреваемого воздуха в рекуператоре, м³/ч, определяется по формуле [13]

; (7.1)

(м³/ч).

Объем нагреваемых дымовых газов в рекуператоре, м³/ч, рассчитывается по формуле [13]

; (7.2)

(м³/ч).

Температура воздуха, входящего в рекуператор, єС.

Температура воздуха, выходящего из рекуператора, єС.

Температура дымовых газов, входящих в рекуператор, определили в пункте 5.3

К=1487,59 єС.

7.2 Определение размеров рекуператора

Конструктивная схема рекуператора представлена на рисунке 7.1

Скорость дымовых газов в рекуператоре принимаем [13] щ_д = 0,3 м/с.

Скорость дымовых газов по формуле [13]

щ_д =; (7.3)

Из формулы (7.3)

f_д = , (7.4)

где f_д - живое сечение для прохода дымовых газов, м²,

f_д = = 2,41 (м²).

Внутренний диаметр трубы для прохода продуктов горения, м, определяется по формуле[13]

D₁ = ; (7.5)

D₁ = = 1,75 (м).

Наружный диаметр для прохода продуктов горения, м, рассчитывается по формуле [13]

D₂ = D₁ + 2·д₁, (7.6)

д₁ - толщина пластины внутреннего цилиндра [13], м, д₁ = 0,008 м.

D₂ = 1,75 + 2·0,008 = 1,766 (м).

Учитывая установку рекуператора на камерной печи и необходимость снижения аэродинамических потерь на пути воздуха, принимаем скорость воздуха в рекуператоре (щ_в) до 10 м/с, в соответствии с чем выбираем следующие его размеры [13]: ширина кольцевого канала для прохождения воздуха h=20 мм. В воздушном канале принимаем 35 направляющих ребер сечением 16Ч8 мм.

Наружный диаметр кольцевого канала для прохода воздуха определяется по формуле

D₃ = D₂ +2·h;

D₃ = 1,766 + 2·0,02=1,806 (м).

Живое сечение канала для прохождения воздуха рассчитывается по формуле [13]

f_в=; (7.7)

f_в = = 0,1077 (м²).

Скорость воздуха в рекуператоре определяется по формуле [13]

щ_в =; (7.8)

щ_в == 6,097 (м/с).

Энтальпия воздуха перед рекуператором рассчитывается по формуле [13]

, (7.9)

где t_в^{`</sup> - температура воздуха перед рекуператором, t<sub>в</sub><sup>`} = 20 єC;

С_в^{`</sup> - объемная теплоемкость воздуха перед рекуператором при температуре t<sub>в</sub><sup>`} = 20?C по таблице 1-10 [1]

С_в^` = 1,2988 кДж/(м³·єC);

= 17057,36 (кВт).

Энтальпия воздуха после рекуператора рассчитывается по формуле [13]

, (7.10)

где t_в^{``</sup>- температура воздуха после рекуператора, t<sub>в</sub><sup>``} = 300 єC;

С_в^{``</sup>- объемная теплоемкость воздуха после рекуператора при температуре t<sub>в</sub><sup>``} = 300?C по таблице 1-10 [1]

С_в^`` = 1,315 кДж/(м³·єC);

= 259051,71 (кВт).

Количество тепла, получаемое воздухом в рекуператоре, определяется по формуле [13]

q_в = q_в^``- q_в^` ; (7.11)

q_в = 259051,71 - 17057,36 = 241994,35 (кВт).

Энтальпия дымовых газов перед рекуператором находится по формуле [13]

, (7.12)

где t_д^{`</sup> - температура дымовых газов перед рекуператором, t<sub>д</sub><sup>`} = T_п.г.=1487,59 єC;

С_д^{`</sup> - объемная теплоемкость воздуха перед рекуператором при температуре t<sub>д</sub><sup>`} = 1487,59 єC определили в пункте 5.3

С_д^` = 1,125 кДж/( м³·єC);

= 1210405,5 (кВт).

Принимаем потери тепла рекуператором в окружающую среду 15% от тепла воздуха, полученного в рекуператоре [13]. Тогда дымовые газы должны отдать в рекуператоре следующее количество тепла

; (7.13)

= 284699,24 (кВт).

Энтальпия дымовых газов на выходе из рекуператора определяется по формуле [13]

q_д^{`</sup> = q<sub>д</sub><sup>`}- Дq_д ^; (7.14)

q_д^` = 1210405,5 - 284699,24 = 925706,26 (кВт) .

Далее найдем температуру дымовых газов на выходе из рекуператора.

Задаемся температурой дымовых газов на выходе из рекуператора t_д^{``</sup> = 1138 єC. Теплоемкость дымовых газов на выходе из рекуператора при t<sub>д</sub><sup>``} = 1138 єC [1] находится как сумма средних удельных теплоёмкостей составляющих продуктов горения, кДж/м³•єC,

= С_СO2·r_СO2 + С_H2O·r_H2O + С_N2·r _N2 + С_O2·r _O2, (5.15)

где r_i - доля i-го компонента в смеси продуктов горения определили в пункте 1;

С_i - средняя удельная теплоёмкость i-го компонента смеси продуктов горения в интервале температур от 0 єС до t_д^`` = 1138 єC определяется по таблицам I-4, I-5 [1]

,

где определяется по формуле (4.5)

С_СO2=1,2900/1,171=1,1016 кДж/м³• єC;

С_H2O =2,483/1,23=2,0187 кДж/м³• єC;

С_N2= 1,203/1,323=0,9093 кДж/м³• єC;

С_O2=1,1229/1,3=0,8638 кДж/м³• єC;

С_д^`` =1,1016·0,0926+2,0187·0,1788+0,9093·0,7195+0,8638·0,0091=1,125 (кДж/м³• єC).

Уточняем температуру по формуле

t_д^`` =, (7.16)

t_д^`` == 1138 (єC).

Принимаем в рекуператоре схему прямоток

t_в^` = 20 єC t_в^`` = 300 єC

t_д^` = 1487,59 єC t_д^`` = 1138 єC

Средняя логарифмическая разность температур определяется по формуле [13]

, (7.17)

где ф_н - температурный перепад перед рекуператором [13], єC;

ф_н = t_д^{`</sup> - t<sub>в</sub><sup>`}; (7.18)

ф_н = 1487,59 - 20 = 1467,59(єC);

ф_к - температурный перепад после рекуператора [13], єC;

ф_к = t_д^{``</sup> - t<sub>в</sub><sup>``}; (7.19)

ф_к = 1138 - 300 = 838 (єC).

Тогда,

= 1119,94 (єC).

7.3 Определение коэффициента теплоотдачи на воздушной стороне

Средняя температура воздуха в рекуператоре определяется по формуле [13]

; (7.20)

= 160 (єC).

При этой температуре определим коэффициент кинематической вязкости и коэффициент теплопроводности [1]

н_в = 30,08 · 10^-6 м²/с;

л_в = 36,42 · 10^-3 Вт/м·єC.

Средняя скорость воздуха в рекуператоре при = 160?C рассчитывается по формуле [13]

щ_в(Т) = щ_в · (1+); (7.21)

Периметр воздушного кольцевого канала определяется по формуле [13]

S = р · (D₃ + D₂) + 2·b·n; (7.22)

S = 3,14 · (1,806 + 1,766) + 2· 0,016· 35= 12,336 (м).

Приведенный диаметр находится по формуле [13]

d_э = ; (7.23)

d_э = = 0,035 (м).

Для нахождения теплоотдачи воздуха, определим критерий Рейнольдса по формуле [13]

Re = ; (7.24)

Re = = 11251,66.

Так как Re>10⁴ , то имеем турбулентный режим движения потока воздуха и коэффициент теплоотдачи в этом случае рассчитывается по формуле [13]

б_в = 0,023·Re^0,82·; (7.25)

7.4 Определение коэффициента теплоотдачи на дымовой стороне

б_д = б_кон + б_{луч ,} (7.26)

где б_кон - коэффициент теплоотдачи конвекцией;

б_луч - коэффициент теплоотдачи излучением.

7.4.1 Определение среднего коэффициента теплоотдачи конвекцией.

Средняя температура дымовых газов в рекуператоре:

, (7.27)

= 1312,8 (єC).

При этой температуре коэффициент кинематической вязкости находится как сумма коэффициент кинематической вязкости составляющих продуктов горения

= н_СO2·r_СO2 + н_H2O·r_H2O + н_N2·r _N2 + н_O2·r _O2, (5.28)

где н_i - кинематическая вязкость i-го компонента смеси продуктов горения в интервале температур от 0 єС до =1312,8 єС определяется по таблицам I-4, I-5 [1]

н_СO2=116•10^-6(м²/с);

н_H2O =204•10^-6 (м²/с);

н_N2=177•10^-6(м²/с);

н_O2=184•10^-6(м²/с);

н_д =(116•0,0926+204·0,1788+177·0,7195+184·0,0091)•10^-6 =176,24•10^-6 (м²/с).

При этой температуре коэффициент теплопроводности находится как сумма коэффициентов теплопроводности составляющих продуктов горения

= л_СO2·r_СO2 + л_H2O·r_H2O + л_N2·r _N2 + л_O2·r _O2, (7.29)

где r_i - доля i-го компонента в смеси продуктов горения определили в пункте 1;

л_i - коэффициент теплопроводности i-го компонента смеси продуктов горения в интервале температур от от 0 єС до =1312,8 єС определяется по таблицам I-4, I-5 [1]

л_СO2=0,0863 Вт/м•єC;

л_H2O =0,1407 Вт/м•єC;

л_N2=0,0723 Вт/м•єC;

л_O2=0,0858 Вт/м•єC;

л_д =0,0863·0,0926+0,1407·0,1788+0,0723·0,7195+0,0858·0,0091=0,08595=85,95•10^-3 (Вт/м•єC).

Далее определим среднюю скорость дымовых газов в рекуператоре при = 1312,8 єC

щ_д(Т) = щ_д · (1+), (7.30)

щ_д(Т) = 0,3 · (1+) = 1,74 (м/с).

Для нахождения теплоотдачи воздуха, определим критерий Рейнольдса по формуле [13]

Re = , (7.31)

Re = = 17277,58.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией находится по формуле [13]

б_кон = б_граф·К_t· К_l , (7.32)

где б_граф - коэффициент теплоотдачи, определяемый графически по рис. 13 [13],

б_граф=11 Вт/м^2•єС

К_t, К_l - поправочные коэффициенты определяются графически по рис.13 [13]

К_t=0,8;

К_l=1,24;

б_кон = 11·0,8·1,2= 10,56 (Вт/м^2•єС).

7.4.2 Определение среднего коэффициента теплоотдачи излучением

Коэффициент теплоотдачи излучением от дымовых газов определяем отдельно для верхней и нижней части рекуператора, т.к. при высоких температурах изменения б по высоте рекуператора значительны.

Эффективная толщина излучающего слоя определяется по формуле [13]

S_эф = 0,9·D₁; (7.33)

S_эф = 0,9·1,75 = 1,575 (м).

Для СО₂ получим:

Р_со2· S_эф = 0,0926·1,575 = 0,1458 (атм•м).

Для Н₂О получим:

Р_н2о· S_эф = 0,1788·1,575 = 0,2816 (атм•м).

Определим степень черноты газа для нижней части рекуператора по рис. 10-12 [13] при температуре =1487,59 єС

е_со2 = 0,075;

е_н2о = 0,11;

в = 1,12.

Степень черноты газа определяется по формуле [13]

е_г^н = е_со2 + е_н2о· в; (7.34)

е_г^н = 0,075 + 0,11 · 1,12 = 0,198.

Определим коэффициент излучения для низа рекуператора

, (7.35)

где е_ст -степень черноты стенки рекуператора, принимаем [13] е_ст= 0,8

= 1,075 (Вт/м²К⁴).

Для нахождения температуры стенки внизу рекуператора воспользуемся соотношением [13] .

T₀ = ; (7.36)

T₀ = = 2629,26 (К);

а = ; (7.37)

а = = 3,89.

По таблице 13 [13] находим значение отношения =0,576 и определяем Т_ст

= Т₀ · 0,576 = 2629,26 · 0,576 = 1514,45 (К)=1241,45 (єС) .

Удельный тепловой поток находим по формуле [13]

, (7.38)

= 46736,55 (Вт/м²).

Коэффициент теплоотдачи для нижней части рекуператора определяется по формуле [13]

, (7.39)

= 189,88 (Вт/м²•єС).

Определим степень черноты газа для верхней части рекуператора по рис. 10-12 [13] при температуре =1138 єС

е_со2 = 0,09;

е_н2о = 0,12;

в = 1,12.

Степень черноты газа определяется по формуле [13]

е_г^в = е_со2 + е_н2о· в, (7.40)

е_г^в = 0,09 + 0,12 · 1,12 = 0,224.

Определим коэффициент излучения для верха рекуператора

, (7.41)

где е_ст -степень черноты стенки рекуператора, принимаем [13] е_ст= 0,8

= 1,209 (Вт/м²К⁴).

Для нахождения температуры стенки вверху рекуператора воспользуемся соотношением [13] ;

T₀ = ; (7.42)

T₀ = = 1247,05 (К);

а = ; (7.43)

а = = 0,467

По таблице 13 [13] находим значение отношения =0,805 и определяем Т_ст

= Т₀ · 0,805= 1247,05 · 0,805 = 1003,88 К = 730,88 (єС).

Удельный тепловой поток находим по формуле [13]

, (7.44)

= 35643,2 (Вт/м²).

Коэффициент теплоотдачи для нижней части рекуператора определяется по формуле [13]

, (7.45)

= 87,55 (Вт/м²•єС).

Среднее значение коэффициента теплоотдачи излучением находим как среднюю логарифмическую величину по формуле [13]

; (7.46)

= 131 (Вт/м²•єС).

Учитывая излучение предрекуператорного пространства и принимая предварительное отношение Н/D = 2, находим увеличение излучения на 30% [13]

= 170,3 (Вт/м²•єС).

Общий коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне находим по формуле (7.26)

б_д = 10,56 + 170,3= 180,86 (Вт/м²•єС).

Коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к воздуху определяется по формуле [13]

к = , (7.47)

к = = 39,32 (Вт/м²•єС).

Поверхность нагрева рекуператора рассчитывается по формуле [13]

F = , (7.48)

где q_в - количество тепла, получаемое воздухом в рекуператоре по формуле (7.11)

q_в = 241994,35 кВт;

- средняя логарифмическая разность температур по формуле (7.17)

= 1119,94 єС.

F = = 5,5 (м²).

При принятом D₁ высота рекуператора должна быть

Н = , (7.49)

Н = = 1 (м).

Учитывая недостаточно полное использование поверхности нагрева в местах входа воздуха в рекуператор и выхода из него, увеличиваем значение высоты рекуператора на 10% [13]

Н = 1,1 м.

7.5 Максимальная температура стенки

Температура будет максимальна в нижней части стенки рекуператора,

нагревательная печь радиационный рекуператор

= =0,2777. (7.50)

По графику (рис. 20) [13] для определения средней температуры стенки рекуператора найдем соотношение, исходя из соотношения 7.50,

= 0,7.

Следовательно,

t_ст^мах = 0,7 · (t_д^{`</sup> - t<sub>в</sub><sup>`}) + t_в^`, (7.51)

t_ст^мах = 0,7 · (1487,59 - 20) + 20 = 1047,31?C.

Для рекуператора выбираем жаропрочную и окалиностойкую хроммистую сталь Х28 [13], допустимая температура применения которой = 1050?C.

Вывод: Выбрали и рассчитали радиационный щелевой рекуператор, который, используя теплоту уходящих газов, подогревает воздух до температуры 300?C.

Размещено на Allbest.ru

...