Расчет рекуперативного нагревательного колодца с одной верхней горелкой.

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Южно – Уральский Государственный университет





Филиал ГОУ ВПО «ЮУрГУ» в г. Златоусте

Факультет металлургический

Кафедра «Общей металлургии»













Пояснительная записка к курсовому проекту

по курсу «Теплотехника»

на тему «Расчет рекуперативного нагревательного колодца с одной

верхней горелкой»



150101.2008.1754.00.00 ПЗ

	

	

	

	

	

	

	

	

	Златоуст 2008

	
Аннотация



В проекте выполнены следующие расчёты: расчет горения топлива, определение размеров рабочего пространства печи, расчет нагрева металла, расчет теплового баланса печи, расчет топливосжигающего устройства и расчет рекуператора. Произведен выбор огнеупорной футеровки и способа утилизации дымовых газов.


Оглавление



	1	Расчёт горения топлива

	2	Определение размеров рабочего пространства печи

	3	Расчёт нагрева металла

	3.1 Температурный режим нагрева металла

	3.2 Время нагрева металла	

	3.2.1 Первый интервал

	3.2.2 Второй интервал

	3.2.3 Третий интервал

	4	Выбор огнеупорной футеровки

	5	Расчёт теплового баланса печи

	5.1 Приход тепла

	5.2 Расход тепла

	5.3 Потери тепла через свод печи

	5.4 Потери тепла через стены печи

	6	Расчёт топливосжигающего устройства

	7	Расчёт рекуператора	

	8	Выбор способа утилизации дымовых газов

	Библиографический список

	Приложение

	1 лист формата А1

	1 лист формата А3

	Электронная версия презентации

	Электронная версия пояснительной записки


1 Расчет горения топлива



Расчет горения топлива выполняют с целью определения: количества необходимого для горения воздуха, количества и состава продуктов сгорания и температуры горения. Состав сухого природного газа приведен в таблице 1.



Таблица 1 – Состав сухого природного газа 

Название

СН4

С2Н4

С3Н8

С4Н10

СО2

Н2S

N2

Процентная доля, (%)

85,78 

4,84

1,48 

1,038 

0,581 

1,267 

4,95 



Для сжигания газа выбираем инжекторную горелку, для данной конструкции горелки коэффициент расхода воздуха n = 1,1. Влажность природного газа принимаем W = 30 г/м3. Произведем пересчет состава сухого газа на влажное (рабочее) состояние (по формуле 1):



, (1)



где WP – процентное содержание влаги в рабочем топливе.



Состав влажных газов рассчитываем (по формуле 2):



 (2)



Определяем состав влажных газов (по формуле 2):



;

;

;

;

;

;

.

где ХР, ХС – процентное содержание компонентов природного газа соответственно в рабочей и сухой массах.



Таблица 2 – Состав влажных газов

Название

СН4

С2Н4

С3Н8

С4Н10

СО2

Н2S

N2

Процентная доля, (%)

82,699 

4,666 

1,427 

1,001 

0,560 

1,221 

4,772 



Низшую теплоту сгорания находим (по формуле 3):







(кДж/м3)(3)



Находим расход кислорода при сжигании природного газа при коэффициенте расхода воздуха n = 1,1 (по формуле 4):







(м3/м3) (4)



Расход сухого воздуха при n = 1,1находится (по формуле 5):



 (м3/м3) (5)

Находим объемы компонентов продуктов сгорания. Находим объём сгорания углекислого газа (по формуле 6):



 

  (м3/м3) (6)



Находим объём сгорания компонента (по формуле 7):



=

 

 (м3/м3) (7) 

Находим объём сгорания компонента азот (по формуле 8):

(м3/м3) (8)

Находим объём сгорания компонента (по формуле 9):



 (м3/м3). (9)

Суммарный состав продуктов сгорания находится (по формуле 10):

 (м3/м3) (10)

Процентный состав продуктов сгорания находим как отношение объёма компонента ко всему объёму продуктов сгорания (см.[1]):

;

;

;

.

Правильность расчета проверяем составлением материального баланса.


Таблица 3 – Материальный баланс

Единицы измерения – кг

Поступило

Получено

СН4

0,82699 ∙ 0,714 = 0,590

СО2

1,021 ∙ 1,964 = 2,005

С2Н4

0,04666 ∙ 1,250 = 0,058

Н2О

1,904 ∙ 0,804 = 1,531

С3Н8

0,01427 ∙ 1,964 = 0,028

N2

8,113 ∙ 1,250 = 10,141

С4Н10

0,01001 ∙ 2,589 = 0,026

О2

0,1949 ∙ 1,429 = 0,279

N2

0,04772 ∙ 1,250 = 0,060





Н2О

0,03726 ∙ 0,804= 0,030





Н2S

0,01221 ∙ 1,696 = 0,021





СО2

0,0056 ∙ 1,964 = 0,011





Всего

0,824

Всего

13,956

Воздух

10,209 ∙ 1,293 = 13,200

Невязка

0,078

Итого

14,024







Плотность газа находится (по формуле 11):



 (кг/м3). (11)

Плотность продуктов сгорания вычислим (по формуле 12):

 (кг/м3). (12)

Для определения калориметрической температуры горения найдем энтальпию продуктов сгорания с учетом подогрева воздуха (по формуле 13):

 (кДж/м3), (13)

где iВ =1109,05 кДж/м3 при tВ = 800 °С (см. [1]).

Зададим температуру t’К = 2500 °С и при этой температуре находим энтальпию продуктов сгорания (см. [1]) (по формуле 14):



 4238 (кДж/м3) (14)

Поскольку i2500 > i0, принимаем t’’К = 2400 °С и снова находим энтальпию продуктов сгорания по формуле (15):



 (кДж/м3)(15)

Находим калориметрическую температуру горения газа заданного состава по следующей формуле (по формуле 16):

(°С) (16)

Действительная температура горения вычисляется (по формуле 17):

=(°С) (17)

где  – пирометрический коэффициент. Принимаем его равным 0,75.


2 Определение размеров рабочего пространства печи



Внутренние размеры рабочего пространства печи определяются на основании практических данных. 

Ширина рабочего пространства вычисляется (по формуле 18) (см. [2]):

(м), (18)

где n – количество рядов заготовок по ширине печи, принимаем n = 3

a – зазор между рядами заготовок и между заготовками и стенками печи, принимаем а =0,25 м .

Для обеспечения производительности 20,83 кг/с в печи должно одновременно находится 120 тонн металла. 

Масса одной заготовки равна 3,7 тонн (см.[3]).

Количество заготовок, которые могут одновременно находиться в печи, рассчитываем (по формуле 19):



(шт) (19)



Принимаем  штуки.

В двухрядном расположении заготовок общая длина печи рассчитывается (по формуле 20):

(м) (20)



При ширине печи , площадь пода находится (по формуле 21):



(м2) (21)


3 Расчет нагрева металла 



3.1 Температурный режим нагрева металла



Процесс нагрева разделяют на ряд периодов, при этом температура печных газов в различные периоды разная. Температурный режим нагрева влияет на изменение температуры газов в печи. 

На рисунке 1 показаны графики изменения температуры газов tГ, температуры поверхности tП и центра заготовки tЦ в течение процесса нагрева.





Рисунок 1 – График изменения температуры в процессе нагрева металла:двухступенчатый нагрев



Температура газов в печи в момент загрузки заготовок t0Г зависит от величины допускаемых термических напряжений, конструкции печи, ее топливной инерции. 

Значение температуры газов во втором периоде t2Г при двухступенчатом режиме нагрева и в третьем периоде t3Г при трехступенчатом режиме назначается таким, чтобы получить в конце нагрева разность температур по сечению ΔtК не более допустимой величины. Допустимую разность температур по сечению принимают обычно по практическим данным при нагреве в следующих пределах:

– для высоколегированных сталей ΔtК = 100S;

– для других марок стали ΔtК = 200S при S ≤ 0,1 (м); 

Расчет допустимой разности температур по сечению заготовки проводится (по формуле 22):



ΔtК = 300S =300∙ (22)



где S – прогреваемая толщина металла, S > 0,2 (м).



Обычно величина t3Г составляет (по формуле 23):



(0С), (23)



где tПК – конечная температура поверхности металла, 0С (см. [1]).



Температура газов во втором периоде t2Г при трехступенчатом режиме нагрева определяется из условий службы огнеупоров и других соображений. Величина t2Г обычно равна (по формуле 24):



(0С) (24)



Температуры поверхности металла в конце промежуточных этапов tП и температуры центра tЦ предварительно задаются на основе практических данных, а затем уточняются расчетом.



3.2 Время нагрева металла



Изделие является достаточно массивным, поэтому примем, что температурный режим состоит из двух периодов: нагрева и выдержки. В период нагрева температура поверхности изделия повышается от до , температура дымовых газов в печи tГ меняется от 700 ºС до значения, вычисленного (по формуле 25):

(0С) (25)

Температура футеровки находится (по формуле 26):

(0С) (26)

Период нагрева разобьём на три интервала, в пределах которых температуру продуктов сгорания будем считать постоянной.

В период нагрева тепловая нагрузка печи (расход топлива) неизменна. В период выдержки тепловая нагрузка печи снижается так, что температура дымовых газов , металла  и футеровки  остаются неизменными.

Площадь тепловоспринимающей поверхности металла (по формуле 27):



 (м2) (27)



Площадь внутренней поверхности рабочего пространства печи (за вычетом площади, занятой металлом) находится (по формуле 28):





 (м2) (28)



Степень развития кладки находится (по формуле 29):	

 (29)

Эффективная длина луча находится (по формуле 30):

(м) (30)



3.2.1 Период нагрева



3.2.1.1 Первый интервал

Средние за интервал температуры вычисляются путем среднего арифметического между начальной температурой интервала и конечной равны (см. [1]):





Парциальные давления излучающих компонентов продуктов сгорания равны (см. [1]):

(кПа), (сюда включено );

(кПа).

Произведения парциальных давлений на эффективную длину луча 

равны (см. [1]):

(кПа∙м);

(кПа∙м).

По номограммам (см. [1]) при  находим:



Плотность потока результирующего излучения металла находим по формуле, принимая степень черноты металла равной  и шамотной кладки , находим значения комплексов. 

Находим значение комплекса М (по формуле 31):

 (31)

Находим значение комплекса А (по формуле 32):

 (32)

Находим значение комплекса В (по формуле 33):



 (33)

Находим значение результирующего потока энергии (по формуле 34):



 (34)



Коэффициент теплоотдачи излучением в 1-м интервале периода нагрева находится следующим образом (формула 35):



 (35)



Принимая значение коэффициента теплоотдачи конвекцией равным Вт/м2∙К, находим величину суммарного коэффициента теплоотдачи (по формуле 36):



 (36)



Заготовку прямоугольного сечения с b/h < 1,8 можно представить в виде эквивалентного цилиндра с диаметром, вычисляемым (по формуле 37)



 (м) (37)



Для заготовок, у которых отношение длины к эквивалентному диаметру , можно пренебречь передачей тепла через торцевые стенки.

В случае четырехстороннего нагрева коэффициент несимметричности нагрева равен  (см. [1]) расчётная толщина вычисляется (по формуле 38):



 (м) (38)



где  – коэффициент несимметричности нагрева; 

 – геометрическая толщина изделия, м.





Критерий Био находится (по формуле 39): 



 (39)



где (Вт/м2∙К) (см. [1])при  



Температурный критерий находится (по формуле 40):



 (40)



По номограмме для поверхности цилиндра (см. [1]) находим значение критерия Фурье: 	







Продолжительность 1-го интервала периода нагрева (по формуле 41):



 (с) (41)



где а =  м2/с – коэффициент температуропроводности стали при  (см. [1]).

Найдем температуру в середине заготовки в конце 1-го интервала периода нагрева. Для этого по номограмме для центра цилиндра (см. [1]) при значениях  находим . Температура центра находится (по формуле 42):

. (42)



Среднюю по массе температуру заготовки в конце 1-го (в начале 2-го) интервала периода нагрева находим (по формуле 43):

. (43)



3.2.1.2 Второй интервал 

Средние за интервал температуры продуктов сгорания и поверхностей металла и кладки равны (см. [1]):









Произведения парциальных давлений на эффективную длину луча (см. [1]) равны:



(кПа∙м);

(кПа∙м).



По номограммам (см. [1]) при  находим:







Находим значение комплекса М (по формуле 31):







Находим значение комплекса А (по формуле 32):







Находим значение комплекса В (по формуле 33):





Находим значение результирующего потока энергии (по формуле 34):







Средний за второй интервал коэффициент теплоотдачи излучением (по формуле 35):







 С учетом конвективного теплообмена (по формуле 36):



(Вт/м2∙К)

Значение критерия Био (по формуле 39): 





Значения температурного критерия (по формуле 40):







По номограмме (см. [1]) находим, что . 

Продолжительность второго интервала периода нагрева (формула 41):



(с)



Найдем температуру в середине заготовки в конце второго интервала периода нагрева (по формуле 42). Для этого по номограмме для центра цилиндра (см. [1]) при значениях  находим .	







Среднюю по сечению температуру заготовки в конце второго (в начале третьего) интервала периода нагрева находим (по формуле 43):







3.2.1.3 Третий интервал 

Средние за интервал температуры продуктов сгорания и поверхностей металла и кладки равны (см. [1]): 











Произведения парциальных давлений на эффективную длину луча (см. [1]) равны:





По номограммам (см. [1]) при  находим:





 



Находим значение комплекса М (по формуле 31):







Находим значение комплекса А (по формуле 32):







Находим значение комплекса В (по формуле 33):





Находим значение результирующего потока энергии (по формуле 34):





Средний за интервал коэффициент теплоотдачи излучением (формула 32):



(Вт/м2∙К)



А с учетом конвективного теплообмена (по формуле 36):



(Вт/м2∙К)



Значение критерия Био (по формуле 39): 



;

где λ = 30 (Вт/м  К)



Значения температурного критерия (по формуле 40):







По номограмме (см. [1]) определяем . 

Продолжительность третьего интервала периода нагрева (формула 41):



,



где а = 5,83  10-6 м2/с при 1100 0С (см. [1]).



Найдем температуру в середине заготовки в конце 3-го интервала периода нагрева (по формуле 42). Для этого по номограмме для центра цилиндра (см. [1]) при значениях  находим .







Перепад температур по сечению заготовки в конце периода нагрева (по формуле 43):





Общая продолжительность периода нагрева (по формуле 44):



 (44)



Согласно технологической инструкции, время нагрева стали 45 в нагревательном колодце составляет 1,58 часа (см. [3]).



3.2.2 Период выдержки

В течение периода выдержки средняя температура продуктов сгорания равна (см. [1]): 





Температура поверхности металла (см. [1]):

 





Температура кладки (см. [1]):





В конце периода выдержки перепад температур по сечению заготовки ,тогда степень выравнивания рассчитывается (по формуле 45):



 (45)



По номограмме (см. [1]) находим значение критерия Фурье для периода выдержки. 

Тогда продолжительность периода выдержки (по формуле 46):



 (46)



Общее время пребывания металла в печи (по формуле 47):



 (47)




4 Футеровка печи



Футеровка печи выполняется, как правило, многослойной: огнеупорный слой и теплоизоляционный. Подину колодцев выкладывают обычно в три слоя: внутренний слой из хромомагнезитного кирпича, средний – шамотный кирпич, внешний теплоизоляционный слой из диатомитового кирпича. 

Стена колодцев выполняют трехслойными. Внешний слой – теплоизоляционный, затем слой шамотного кирпича. Внутренний слой в нижней части стен (приблизительно на 1 м высоты) выполняют из хромомагнезита, остальное из динаса. 

В настоящее время применяют крышки как с арочной футеровкой, так и с подвесным сводом. И в том, и в другом случае можно применять шамотный кирпич (см. [2]). 

Футеровка печи приведена на рисунке 2. 





Рисунок 2 – Футеровка печи: 

1 – шамотная присыпка;

2 – динас; 

3 – хромомагнезит



Выбрана следующая кладка. Стены печи состоят из слоя динаса толщиной  = 0,23 м и слоя хромомагнезита толщиной  = 0,35 м. 

Суммарная толщина кладки равна 0,57 м, что не превышает максимально допустимые 0,6 м. 


5 Тепловой баланс печи



Тепловой баланс рабочего пространства печи представляет собой уравнение, связывающее приход и расход тепла. При проектировании печи тепловой баланс составляют с целью определения расхода топлива (в топливных печах) или мощности (в электрических печах). В этом случае статьи расхода и прихода тепла определяют расчетным путем. 

Тепловой баланс действующей печи составляют с целью определения технико-экономических показателей ее работы. В этом случае статьи баланса можно определять как экспериментально, так и расчетом. 

Для печей непрерывного действия тепловой баланс обычно составляют на единицу времени, для печей периодического действия – на время цикла (или отдельного периода обработки).



5.1 Приход тепла:



 – тепло от горения топлива вычисляется (по формуле 48):



 (кВт), (48)



где В – расход топлива, м3/с;



– тепло, вносимое подогретым воздухом (по формуле 49):



 (кВт), (49)



где iВ – энтальпия воздуха при температуре tВ = 800 °С (см.[1]); 

VВ – расход сухого воздуха.



– тепло экзотермических реакций (принимаем, что угар металла составляет 1%, а при окислении 1 кг металла выделяется 5652 кДж) вычисляется (по формуле 50):



 (кВт), (50)

где Р – производительность печи, кг/с; 

а – угар металла.



5.2 Расход тепла



– тепло, затраченное на нагрев металла вычисляется (по формуле 51):



 (кВт), (51)



где  – энтальпии малоуглеродистой (Ст.45) стали (см.[1]):



– тепло, уносимое уходящими дымовыми газами в (по формуле 52):



 (кВт) (52)



Находим энтальпию продуктов сгорания iП.С при температуре t0Г = 800 °С (см.[1]):



 (кДж/м3);

 (кДж/м3);

 (кДж/м3);

 (кДж/м3);

iП.С = 1192,127 (кДж/м3).



– потери тепла теплопроводностью через кладку. Потерями тепла через под пренебрегаем. 



5.3 Потери тепла через свод печи



Площадь свода принимаем равной площади пода FС = 32,5 м2; толщина свода 0,3 м; материал – хромомагнезит. 

Принимаем, что температура внутренней поверхности свода равна средней по длине печи температуре газов, которая равна (по формуле 53) (см.[1]):



 (°C) (53)



Примем температуру окружающей среды равной tОК = 20 °С, а температуру наружной поверхности свода tНАР = 300 °С. 

При средней по толщине температуре свода коэффициент теплопроводности каолина (см.[1]) вычисляется (по формуле 54):



 (°С) (54)

Коэффициент теплопроводности хромомагнезита (по формуле 55):



(Вт/м∙К) (55)



Тогда потери тепла через свод печи вычисляется (по формуле 56):



 (кВт) (56)



5.4 Потери тепла через стены печи



Стены печи состоят из слоя динаса толщиной  = 0,23 м и слоя хромомагнезита толщиной  = 0,35 м. 

Наружная поверхность стен (см.[1]) вычисляется следующим образом:

– методической зоны и сварочной зоны вычисляется (по формуле 57):



 (м2) (57)



– торцов печи вычисляется (по формуле 58):



 (м2) (58)

– полная площадь стен вычисляется (по формуле 59):



 (м2) (59)



Коэффициенты теплопроводности для принятых материалов (см.[1]):

 





Далее определяем среднюю температуру для каждого материала (см.[1]). Используется следующая формула:



 (60)



В полученных формулах  является неизвестной переменной. Она вычисляется решением уравнения (формула 61):





 (61)



Зная температуру между слоями, можно найти (по формуле 62):



 (62)



Данные температуры удовлетворяют условиям эксплуатации, так как они меньше максимально допустимых (см.[1]).

Вычисление коэффициента теплопроводности при температуре (см.[1]):







Тепловой поток равен частному от деления разности температур кладки и  на сумму сопротивлений огнеупоров (по формуле 63): 



(Вт/м2) (63)

где .



Проверяем принятое значение температуры наружной поверхности стенки. (по формуле 64):

 (°С) (64)



Вычисляем относительную погрешность (по формуле 65): 



 (65)



Общее количество тепла, теряемое теплопроводностью через кладку, определяется (по формуле 66):



 (кВт), (66)

где  кВт



Потери тепла с охлаждающей водой по практическим данным принимаются равными 10% от тепла, вносимого топливом и воздухом (по формуле 67):



 (кВт) (67)



Неучтенные потери тепла определяем по следующей формуле:



 кВт (68)

Уравнение теплового баланса будет иметь вид (по формуле 69):





 

 (69)

Расход топлива для методической печи  м3/с.

Тепловой баланс печи представлен в таблице 1.



Таблица 1 – Тепловой баланс печи

Статьи прихода

Q, кВт, 

(%)

Статьи расхода

Q, кВт, 

(%)

Тепло от 

горения топлива

18445,39

73,44

Тепло на нагрев 

металла

14955,78

59,54

Физическое 

тепло воздуха

5493

21,87

Тепло, 

уносимое 

уходящими газами

7030,36

27,99

Тепло экзотермических реакций

1177,311

4,68

Потери

 тепла теплопроводностью 

через кладку

406,8

1,61

Итого

25115,99

100

Потери тепла

 с охлаждающей водой

2438,82

9,71







Неучтенные потери

284,562

1,13







Итого

25115,11

100


6 Выбор топливосжигающих устройств



Подбираем горелку типа «труба в трубе» для сжигания 0,525 м3/с природного газа с теплотой сгорания  кДж/м3. Давление газа перед горелкой составляет 4,0 кПа, давление воздуха 1,0 кПа. Газ холодный (по условию подогрев топлива отсутствует), а воздух подогрет до температуры 800 °С. Коэффициент расхода воздуха n = 1,1. 

Плотность газа  кг/м3; количество воздуха  м3/м3.

Пропускная способность горелки по воздуху (по формуле 70):



 (м3/с) (70) 



Расчетное количество воздуха определяем по следующей формуле:



 (м3/с) (71)



Из справочной литературы (см.[5]) следует, что при заданном давлении требуемый расход воздуха обеспечивает горелка ДВБ 425.

Найдем количество топлива, проходящее через одну горелку (формула 72):



 (м3/с) (72)



Далее найдем расчетное количество газа по следующей формуле:



 (м3/с) (73)



По графикам (см.[1]) определяем, что диаметр газового сопла должен быть равен 80 мм; при давлении 4,0 кПа и плотности  кг/м3 скорость истечения газа равна 78 м/с, а воздуха – 35 м/с.


7 Расчет рекуператора



Керамические рекуператоры, применяемые в нагревательных колодцах, выполняют из восьмигранных трубок. Обычно монтируют 6 – 8 рядов труб, из них два верхних и нижний ряды из карбошамотных трубок, остальные – из шамотных.

	В рекуператоре воздух подогревается от  °С до  °С. Температура дыма на входе в рекуператор  °С; количество подогреваемого воздуха  м3/с; количество дымовых газов  м3/с; состав дымовых газов: 12 % СО, 3 % О2, 10 % Н2О, 75 % N2. 

	Рекуператор набирается из трубок, каждая из которых имеет общую высоту 398 мм, полезную высоту 356 мм, наружный диаметр 140 мм и внутренний диаметр 114 мм. Дымовые газы проходят внутри трубок, воздух – между трубками. Схема работы рекуператора – многократный перекрестный противоток.

	Примем тепловые потери равными 10 % и величину утечки воздуха в дымовые каналы равной 20 %. С учетом утечки в рекуператор нужно подавать количество воздуха, равное  м3/с.

Следовательно, величина утечки воздуха (формула 74):

	

	 (м3/с) (74)

	

	Принимая температуру дымовых газов на выходе из рекуператора 650 °С и определяя теплоемкость дымовых газов аналогично предыдущему расчету, составляем уравнение теплового баланса (формула 75):

	 (°С) (75)

	

	Рекуператор данной конструкции работает по принципу многократного перекрестного противотока, поправкой на перекрестный ток пренебрегаем и определяем среднюю разность температур (формула 76):

	 (76)

Для определения суммарного коэффициента теплопередачи  принимаем среднюю скорость дымовых газов  м/с, среднюю скорость воздуха  м/с.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией на воздушной стороне  для шахматного пучка находим по формуле  и номограмме (см.[1]).

Найдем с некоторым приближением среднюю по всей поверхности нагрева температуру стенки (см.[1]):



 (°С);

 (°С);

 (°С).



Средняя температура воздуха (формула 77):



 (°С) (77)



Средняя действительная скорость потока воздуха (формула 78):



 (м/с) (77)



Принимая для рекуператора значения ,  и число рядов в пучке равным 7, вычисляем по следующей формуле:



 (Вт/м2∙К) (78)



Учитывая шероховатость стенок, вычисляем по следующей формуле:



 (Вт/м2∙К) (79)



Коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне (формула 80):



 (80)



Согласно графику (см.[1]), при скорости движения потока  м/с и диаметре трубы  м  (Вт/м2∙К). 

С учетом шероховатости стен, вычисляем по следующей формуле:

 

 Вт/(м2∙К) (81)



Для определения  по номограммам (см.[1]) находим: 

– для верха рекуператора (, ):



; ; ;

;

.

 Коэффициент теплоотдачи излучением (принимая  и, следовательно, ), (формула 82):



 (Вт/м2∙К) (82)

– для низа рекуператора (, ):

; ;



Коэффициент теплоотдачи излучением (формула 82):

 (Вт/м2∙К)

Среднее значение коэффициента теплоотдачи излучением на дымовой стороне рекуператора вычисляем по следующей формуле:

 (Вт/м2 ∙К) (83)



Коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне (формула 84):



 (Вт/м2∙К) (84)



Теплопроводность карбошамота на 30 % выше теплопроводности шамота. Следовательно, при средней температуре стенки  коэффициент теплопроводности карбошамота (формула 85):



 (Вт/м2∙К) (85)



Учитывая, что ;  и , суммарный коэффициент теплопередачи рекуператора находим (по формуле 86):



 (Вт/м2∙К) (86)



Находим количество тепла, проходящее через поверхность нагрева (по формуле 87):

(Вт) (87)



Поверхность нагрева рекуператора (формула 88):

 (м2) (88)

Удельная поверхность нагрева карбошамотного рекуператора составляет 8,5 м2/м3 (см.[1]).

Объем рекуператора без учета мест соединения труб  м3.

Начальное количество дымовых газов (2,31 м3/с) вследствие утечки воздуха увеличивается до 2,68 м3/с. Следовательно, среднее количество 2,5 м3/с.

Определим общую площадь отверстий для прохождения дымовых газов вычисляем по следующей формуле:



 (м2) (89)



Так как площадь отверстий для прохода дыма в карбошамотном рекуператоре составляет 23,1 % от общей площади зеркала рекуператора, то площадь поперечного сечения рекуператора вычисляем по следующей формуле:



4,16/0,231=18,0 (м2) (90)



Расход воздуха средний – 1,64 м3/с.

Поскольку средняя скорость движения воздуха принята равной 1,0 м/с, то необходимая площадь для прохода воздуха составит (формула 91):



 (м2) (91)



Полезная высота одного хода равна 0,356 м, что при наружном диаметре трубы рекуператора 0,14 м и расстоянии между осями соседних труб 0,304 м составляет 0,0585 м2 площади, свободной для прохода воздуха.

Следовательно, по ширине рекуператора следует располагать следующее число труб (формула 92):



 (шт) (92)



Общая ширина с учетом расстояния от крайних труб до стенки рекуператора равна (формула 93):



 0,304+2∙0,117 = 14∙0,304+2∙0,117 = 4,49 (м) (93)

Примерная длина рекуператора (формула 94):



18,0/4,49 = 4,08 (м) (94)

где –  площадь поперечного сечения рекуператора, м;

 B – общая ширина рекуператора, м.



Точнее, длина рекуператора при восьми трубах по длине (формула 95):



  (м) (95)



 Площадь равна (формула 96):



4,49∙2,36 = 10,6 (м2) (96)



Полезная высота рекуператора (формула 97):



 (м) (97)


8 Выбор способа утилизации дымовых газов



Дымовые газы, покидающие рабочее пространство печи имеют весьма высокую температуру и поэтому уносят много тепла из пространства печи (до 80 %). Дымовые газы уносят тем больше тепла, чем выше их температура и чем меньше коэффициент использования тепла в печи. В связи с этим целесообразнее обеспечивать утилизацию тепла в печи. Данную задачу можно решить двумя способами:

1. С использованием котлов – утилизаторов. Тепло уходящих дымовых газов не возвращается в печь, а идет на использование в тепловых котельных и турбинных установках.

2. С использованием теплообменников рекуперативного и регенеративного типа. Часть тепла уходящих дымовых газов возвращается в теплообменник и идет на подогрев воздуха, подаваемого в горелку. 

Использование теплообменника позволяет повысить коэффициент полезного действия печного агрегата, увеличивает температуру горения, позволяет сэкономить топливо. Если температура дымовых газов или дыма после теплообменников остается высокой, то дальнейшая утилизация тепла целесообразнее в тепловых установках.

Для рассчитываемой печи рациональнее использовать второй способ утилизации тепла дымовых газов, так как используется рекуперативный теплообменник. 

Рекуператор выбран по следующим причинам:

рекуператор обеспечивает постоянную температуру в печи, то есть режим работы печи стационарный;

не требуется никаких перекидных устройств, что обеспечивает ровный ход печи и возможность автоматизации и контроля её тепловой работы;

отсутствует вынос газа в дымовую трубу;

объём и масса рекуператора меньше, чем у регенератора.

Рекуперативный нагревательный колодец с одной верхней горелкой является одним из наиболее прогрессивных типов нагревательных печей. Дымовые газы возвращаются в рекуператор, проходят по трубам и осуществляют подогрев воздуха, который подается в горелку, где смешивается с топливом. Согласно правилу, единицы физического тепла, отобранные у отходящих дымовых газов и вносимые в печь воздухом, оказываются значительно ценнее, чем единицы тепла, полученные от сгорания топлива, так как тепло, подогретого воздуха не влечет за собой потерь тепла с дымовыми газами.


Библиографический список



1 Теплотехника и теплоэнергетика металлургического производства: Учебное пособие к курсовому проектированию / Составитель О. В. Сухотина – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. – с. 55 – 69, с. 80 – 106 

2 Теплотехника и теплоэнергетика металлургического производства: Методическое пособие к курсовому проектированию/ Составитель Д. В. Принцман – Челябинск: ЧГТУ, 1991. – с. 12 – 13, с. 25 – 31 

3 Технологическая инструкция к первому прокатному цеху ОАО «Златоустовский Металлургический Завод». – с. 18 – 53 

4 Кривандин В. А. Металлургическая теплотехника учеб. Пособие: в 2 кн. Москва, Металлургия, 1986. –Т.2 – с. 286 – 295

5 Мастрюков Б.С. Теория, конструкции и расчёты металлургических печей: учеб. Пособие: в 2 кн. Москва, Металлургия, 1986. –Т.2 – с. 250 – 258