Теплотехнический расчет энерготехнологического агрегата для печи по выплавке медных анодов

Теплотехнический расчет энерготехнологического агрегата для печи по выплавке медных анодов

Введение

В металлургии находят применение промышленные печи, являющимися одними из основных потребителей топлива в стране. Поэтому одной из главных задач технологии является изыскание возможностей наиболее полного использования энергии сжигаемого в печах топлива при минимальных затратах, всемирного использования вторичных топливо-энергетических ресурсов. Существенная роль в этом плане отводятся теплообменным аппаратам, устанавливаемым на промышленных печах. В этих устройствах за счет физического тепла газов, покидающих рабочее пространство, осуществляется нагрев воздуха, подаваемого в печь на горение, а в отдельных случаях и газообразного топлива.

При сжигании топлива в металлургической печи, образуются дымовые газы, которые необходимо отводить из рабочего пространства, до теплообменных аппаратов, и далее. Для этой цели служат специальные дымовые каналы.

В зависимости от конструкции печи каналы для отвода продуктов горения могут проходить непосредственно по цеху, над печью (в этом случае они называются газоходами) или ниже уровня пола цеха, под печью (в таком случае их называют боровами). Борова и газоходы должны иметь необходимую пропускную способность, быть долговечными в работе, надежными и удобными в эксплуатации. По форме поперечного сечения каналы для отвода продуктов горения могут быть прямоугольными, круглыми, овальными и т.д.

Газоходы и борова должны быть достаточно плотными, чтобы при работе с положительным давлением продуктов горения не пропускать в окружающую среду газы, содержащие токсичные элементы, а при работе с отрицательным давлением - не пропускать воздух из окружающей атмосферы, который, добавляясь к продуктам горения, снижает их температуру и увеличивает общий расход газов, что приводит к ухудшению работы тяговых устройств (дымовых труб и дымососов) и, как результат, к ухудшению тепловой работы печи. Газоходы и борова должны быть достаточно хорошо теплоизолированы с целью предотвращения нагревания оборудования и фундаментов, вблизи которых они проходят, а также с целью снижения общего теплового фона в цехе, для создания нормальных условий труда обслуживающего персонала.

1. Описание конструкции проектируемого агрегата

.1 Описание газохода

Количество отходящих газов, образующихся при работе металлургических печей, весьма велико и значительно превосходит по весу количество твердых и жидких материалов и продуктов, проходящих через печи. Например, одна обжиговая печь, перерабатывая в течение суток 150-250 т твердой шихты, выдает 300 - 500 т (или 200-400 тыс. м^г) отходящих газов.

Рисунок 1. Газоходы металлургических печей: а - круглые; б - прямоугольные

Отходящие газы печей цветной металлургии характеризуются:

) высокой запыленностью: от 1 до 400 г./ж³, что соответствует уносу шихты в виде пыли от 0,5 до 50%;

) повышенным содержанием сернистого и серного ангидрида, составляющим 0,5 - 10%;

) высокой температурой (300-1300° С), что соответствует уносу тепла в количестве 20-70% от общего его расхода в печах.

Такая характеристика отходящих газов требует, чтобы они по соображениям экономического и санитарно-технического порядка были очищены от пыли и сернистых составляющих, а тепло, содержащееся в них, полезно использовалось. Все эти требования выполняются в газоходной системе металлургических печей.

Газоходная система имеет задачу - собрать отходящие газы от всех работающих печей, утилизировать тепло газов, очистить их от пыли и вредных газовых составляющих и выбросить охлажденные и очищенные газы на возможно большую высоту от земной поверхности. Для выполнения этой задачи в современные газоходные системы включен большой комплекс различных сооружений и устройств, к которым относятся: 1) собственно газоходы; 2) дымовые трубы и дымососные установки; 3) устройства для очистки газов; 4) устройства для утилизации тепла.

Газоходы металлургических печей обычно круглые и прямоугольные (рис. 1). Круглые газоходы состоят из железного кожуха толщиной 3-7 мм, футерованного шамотным или полукислым кирпичом в половину кирпича или в целый кирпич. Диаметр круглых газоходов от 1 до 6 ж. По длине газоходов устраивают бункера с воронками для сбора и выпуска пыли. Круглые газоходы обычно подвешивают на консольные крепления к колоннам цеха или специальным колоннам. Прямоугольные газоходы (борова) по своей конструкции и креплению напоминают пламенные печи. Их выкладывают из комбинации шамотного или полукислого кирпича и строительного кирпича, идущего в наружный слой кладки. Для герметизации прямоугольных газоходов их наружную поверхность покрывают слоем штукатурки или обмазки. Размеры прямоугольных газоходов колеблются в широких пределах: ширина от 0,5 до 8 ж, высота от 1 до 4 м. Прямоугольные газоходы устанавливают на железобетонные или металлические эстакады или иногда укладывают в землю.

Прямоугольные газоходы обычно применяют для газов с высокой температурой (выше 1000° С), в то время как круглые предпочтительнее для более холодных газов.

Для регулирования движения газов в газоходах устанавливают дымовые шиберы, рассчитанные на устойчивую работу при высоких температурах. Шиберы чаще всего делают металлическими с водным охлаждением самого шибера и направляющей рамы. Водоохлаждаемые шиберы работают длительный срок и обеспечивают плавное и надежное регулирование движения газов. При установке шиберов в конце газоходного тракта, где газы уже сильно охлаждены, могут применяться металлические неохлаждаемые шиберы, отлитые из чугуна или из жаропрочной стали. В некоторых печах применялись шиберы, набранные из огнеупорных материалов (кирпичей, блоков) в металлическом каркасе. Однако такие шиберы при высокой температуре газов сильно деформируются и движение их в направляющих становится затруднительным.

.2 Описание рекуператора

Рекуператоры - это теплообменные аппараты, предназначенные для нагрева воздуха или газа за счет тепла продуктов сгорания, в которых теплопередача осуществляется через газонепроницаемую стенку. Процесс теплопередачи непрерывный, стационарный.

Конструкция рекуператора должна обеспечивать его длительную службу на печи без ремонта в течение нескольких лет. Эффективность тепловой работы и высокая стойкость рекуператора возможна при соблюдении следующих условий:

Применение жаростойких материалов для изготовления элементов конструкции рекуператоров;

Материал должен быть достаточно теплопроводным;

Обеспечение минимально возможной температуры элементов конструкции, предотвращение местных перегревов;

Обеспечение герметичности (газоплотности) всей конструкции;

Создание условий, обеспечивающих возможность чистки труб рекуператоров в процессе его эксплуатации.

Очень удобным материалом для изготовления рекуператоров является металл. Наиболее часто используется чугун, а так же различные стали, имеющие высокую теплопроводность. При этом весьма легко обеспечивается герметичность конструкции, особенно при применении мягких углеродистых и слабо легированных сталей, позволяющих использовать сварку. Высокая герметичность допускает высокие скорости движущихся газов, что в свою очередь обеспечивает более эффективный теплообмен между газовой средой и поверхностью разделенной стенки рекуператора, а следовательно, более низкую температуру стенки.

Недостатком металлических рекуператоров является малая жаропрочность дешевых сортов стали, в результате чего эти рекуператоры не позволяют нагревать воздух до очень высоких температур. Так, в случае использования простых сталей и чугуна температура подогрева воздуха не превышает 300-350⁰С, а температура стенки приблизительно равна 800⁰С. При использовании легированных марок стали возможно увеличение температуры подогрева воздуха до 700⁰С при температуре стенки примерно 1100⁰С.

2. Описание тепловой работы проектируемого агрегата

При сжигании топлива в печи развивается высокая температура. Постепенно по мере прохождения печных газов к дымовой трубе температура их понижается, а загруженный в печь металл нагревается. Происходит передача тепла раскаленных печных газов холодному металлу. Одновременно некоторая часть тепла расходуется на нагрев кладки, на потери тепла в окружающую атмосферу и теряется с уходящими дымовыми газами. Таким образом, работа пламенней печи неразрывно связана с движением печных газов и заключается в том, что горячие печные газы, передав часть своего тепла нагреваемому металлу, удаляются из печи и заменяются газами, поступающими из топки.

В нагревательных печах на подине поддерживается, как правило, нулевое или небольшое положительное давление печных газов. При отрицательном давлении холодный воздух, проникая в печь через неплотности в заслонке или кладке, подстуживает и окисляет металл, а при чрезмерно высоком давлении увеличивается выбивание газов и ухудшаются условия труда обслуживающего персонала. Как показывают опыты и исследования, многие законы гидравлики - науки о движении жидкостей - могут быть применимы к печным газам; знание этих законов и правильное их применение позволяют определять размеры печей, дымоходов и трубопроводов.

Многочисленными опытами установлено, что более легкие газы стремятся подняться вверх, а наиболее тяжелые опуститься вниз. Если движение газа осуществляется вследствие разности удельного веса различных его слоев, то такое движение называется свободным, или естественным. Если движение газов происходит под действием разности давлений, вызванной внешними причинами, например вентиляторами, горелками, форсунками, то такое движение называется принудительным.

3. Расчет процесса горения природного газа

3.1 Исходные данные

Сжигается природный газ, элементарный состав которого на сухую массу, %:

CH₄^С.Г = 95,0;                C₂H₆^С.Г = 2;          C₃H₈^С.Г = 1;          N₂^С.Г = 2;

Влагосодержание газа составляет q= 10,0 г/м³ сухого газа.

Температура подогрева газа t_T=20⁰c.

Коэффициент избытка воздуха =I, I.

3.2 Пересчет состава газа на рабочую (влажную) массу

Рассчитаем процентное содержание водяных паров в 1 м³ природного газа при влагосодержание q^с.г = 10,0 г/м³ сухого газа.

H₂O^В.Г=== 1,23%

Пересчитаем состав газа на рабочую массу:

CH₄ ^в.г =CH₄ ^С.Г *

C₂H₆^в.г = 2 * 0,987= 1,974%;

C₃H₈^в.г = 1 * 0,987= 0,987%;

N₂^в.г = 2 * 0,987= 1,974%;

Для проверки правильности расчета суммируем полученные данные по влажному составу газа:

CH₄^в.г + C₂H₆^в.г + C₃H₈^в.г + N₂^в.г = + 1,974 + 0,987 + 1,974 = 100%,

следовательно, пересчет на влажную массу произведен верно.

3.3 Расчет количества кислорода и воздуха для сжигания 1 м³ газа

Найдем объем кислорода, необходимый для окисления горючих составляющих природного газа (в формулу подставляем только те химические элементы, которые даны в задание; остальные, отсутствующие в газе, приравниваем нулю):

V₀₂ = 0,01 (2 CH₄ ^в.г +3,5 C₂H₆^в.г + 5 C₃H₈^в.г) = 0,01 (2* + 3,5 * 1,974 + 5*0,987) = =1,99507 м³/м³.

Далее находим количество воздуха при α = 1, необходимое для сжигания 1 м³ природного газа. Используя соотношение азота и кислорода в воздухе K = 3,76

L₀ = (1 + 3,76) * 1,99507= 9,49 м³/м³.

Практически введенное количество воздуха при α = 1,1 составит

L_α= 1,1 * 9,49 = 10,44 м³/м³.

3.4 Расчет объема и состава продуктов сгорания при сжигании 1 м³ газа

Сначала найдем объем продуктов сгорания при α = 1:

V₀^R02 =0,01 (CH₄^в.г +2C₂H₆ ^в.г +3C₃H₈ ^в.г) = 0,01 ( + 2 * 1,974 + 3 * 0,987) = =1,007 м³/м³;

V₀^H2O = 0,01 (H₂О ^в.г + 2CH₄ ^в.г + 3C₂H₆ ^в.г + 4C₃H₈ ^в.г) =

= 0,01 (1,23 + 2 *  + 3 * 1,974 + 4* 0,987) = 1,99 м³/м³;

V₀^N2 = 0,01 N₂ ^в.г + 3,76 V₀₂ = 0,01 * 1,974 + 3,76 * 1,99507 = 7,52 м³/м³.

Тогда

V₀ = 1,007 + 1,99 + 7,52 = 10,517 м³/м³.

Выход продуктов сгорания при α =1,1 измениться только на величину содержания азота (N₂), внесенного с избытком воздуха, и на величину избыточного кислорода O₂^ИЗБ:

V^N2= 0,01 N₂ ^в.г + α*3,76 V_O2 = 0,0I *1,974 + 1,1 * 3,76 * 1,99507 = 8,27 м³/м³._O2^ИЗБ = (1,1 - 1) * 1,99507 = 0, 199507 м³/м³.

Тогда объем продуктов сгорания при α = 1,1 составит

V_α = 1,007 + 1,99 + 8,27 + 0, 199507 = 11,46 м³/м³.

RO₂ =

H₂O =

N2 =

Состав продуктов сгорания при α = 1,1:

RO₂ =

H₂O =

N2 =

O₂^изб =

3.5 Расчет теплоты сгорания природного газа

Подставляем в формулу те горючие составляющие, которые указаны в исходных данных и пересчитаны на рабочую массу в п..1:

Q_H^P = 358 CH₄ ^в.г + 636 C₂H₆ ^в.г + 913 C₃H₈ ^в.г = 358*+636*1,974+913*0,987 = = 35748,3 кДж/м³.

3.6 Расчет температур горения

Для нахождения по it - диаграмме соответствующих температур горения t_б^T и t_б^B рассчитаем общее и балансовое теплосодержание.

Первоначально определим химическую энтальпию топлива:

i_x = кДж/м³.

Физическая энтальпия топлива:

i_Т = кДж/м³.

Здесь удельная теплоемкость топлива С_т рассчитана с использованием справочника:

C_T = 0,01* (C_CH4 * CH₄ + C_C2H6 * C₂H₆ + C_C3H8 * C₃H₈ + C_N2 * N2) =

= 0,01*(1,55 *  + 2,11 * 1,974 + 3,05 * 0,978 + 1,294 * 1,974) = 1,553 кДж/(м³ * К)

Физическая энтальпия подогретого воздуха:

i_B = кДж/м³.

где С_В = 1,315 кДж/(м³ * К);

t_в = 250^оС.

Тогда общая энтальпия продуктов сгорания составит:

i _общ = i_x + i_t + i_B = 3119,4 + 2,71 + 307,46 = 3429,57 кДж/м³.

Далее, используя соответствующую - диаграмму и вычислив содержание избыточного воздуха в продуктах сгорания,

_L =  * 100 = 8,3%.

найдем теоретическую температуру горения природного газа: t_б^T= 1950⁰C. Затем, найдя энтальпию химического недожога,

i₃ =  кДж/м³,

рассчитаем общее балансовое теплосодержание продуктов сгорания:

i^б _общ = i _общ - i₃ = 3429,57 - 62,39 = 3367,18 кДж/м³.

По той же it - диаграмме, но уже по пунктирным кривым, используя то же значение U_L = 8,3%, найдем балансовую температуру горения: t_б^б= 2030⁰C.

4. Расчет вертикального газохода

.1 Рассчитываем расход дымовых газов, м³/с:

Vq = V_a*B, (1)

где V_a=l 1,46 - объем продуктов сгорания при a=1,1, берем из статьи расчет горения природного газа;

В = 0,195 - определенный расход топлива, м/с

Vq = 11,46*0,195 = 2,23м³/c.

.2 Энтальпию дымовых газов вычисляем по следующей формуле, кДж/м³

 (2)

где i - энтальпия дымового газа при заданном составе и температуре, кДж/м;

i_j - энтальпия отдельных составляющих (С0₂; Н₂0; N₂; 0₂) дымового газа при заданной температуре, кДж/м³;

r_j - объемное содержание отдельных компонентов в дымовом газе, %;

i¹₁₁₅₀ =(2227*0,0887)+(1713*0,1735)+(1394*0,7215)+(1480*0,0173)=1626,1кДж/м³.

i^II₈₀₀=(1719*0,0887)+(1328*0,1735)+(1095*0,7215)+(1162*0,0173)=1101,3кДж/м³.

.3 Тепловой поток Q вычисляем по формуле, кВт:

Q = 0,95*[Vq(i_д^I - i_д^II)] (3)

Q = 0,95*[2,3*(1626,1-1101,3)]=709,3 кВт.

.4 Площадь сечения потока вычисляем по формуле, м²:

f = Vq/w, (4)

где w =1-2 м/с - скорость потока.

f= 2,23/1,5= 1,48 м².

.5 Вычисляем диаметр по формуле, м:

pd²/4 = f (5)

отсюда

d = =l, 4 м

4.6 Среднюю логарифмическую температуру вычисляем по формуле,°C:

 (6)

 = t_д^I - t_в = 1150 - 150 = 1000°C

 = t_д^II - t_в = 800 - 150 = 650°C

°C

.7 Определяем температуру газов по формуле, К:

Т_г =  = 1223 К (7)

4.8 Определяем спектральный коэффициент ослабления:

где S_эфф = d = 1,4 м (9)

Р_S = 0,1735 + 0,0877 = 0,2612

4.9 Определяем коэффициент поглощения и степень черноты дымовых газов по формуле:

ε_д =1-ехр (-Sэфф*к_д*Р_S)= 1-ехр (-0,9369*0,2612*1,4) = 0,29 (10)

a_д=1-ехр (-Sэфф*к_ст*Р_S) = 1 - ехр (-1,49*0,2612*1,4) = 0,42

.10 Коэффициент теплопередачи вычисляем по формуле

 (11)

где  = g = 0,003;

= 0.

4.11 Лучистый теплообмен вычисляем по формуле:

, (12)

где

С_о=5,67 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/м²*К⁴;

α_д,ε_д - соответственно коэффициент поглощения и степень черноты дымовых газов;

ε_ст - степень черноты стенок трубного пакета (принимаем равной 0,8);

Т_д, Т_ст - соответственно средняя температура дымовых газов и наружной поверхности стенки в рассматриваемом пакете, К.

.

4.12 Находим площадь поверхности по формуле, м²

 (13)

F = 709,3*10³ / 814*37,5 = 23 м²

4.13 Находим высоту газохода, м:

h = F/2pR (14)

h = 23/2*3,14*0,7 = 5,27 м.

5. Расчет металлического трубчатого петлевого рекуператора для нагрева воздуха

5.1 Компоновка рекуператора

газоход рекуператор петлевой горение

Принимаем скорость движения воздуха в рекуператоре ω_Во= 3 м/с, скорость продуктов сгорания ω_До= 1,5 м/с.

Общая площадь сечения труб для прохода воздуха, м²:

ω_В = V_B /ω_Во = 3,73/3 = 1,24 м² (15)

где V_B=3,73 м³/с.

Общая площадь сечения для прохода продуктов сгорания между трубами, м²:

ω_Д = V_Д /ω_До = 6,43/1,5 = 4,3 м² (16)

где V_Д = V_Д^п + V_Д^под = 5,84 + (5,84*0,1) = 6,43 м³/с.

На основании этих параметров можно выбрать за основу секцию №1 табл. 5 [3, табл. 5, с. 30], имеющую поверхность нагрева F = 100 м². Воздух разделим на два самостоятельных подблока. В каждом подблоке будет одна секция. Включение параллельное. Тогда фактическая скорость воздуха и продуктов сгорания определится следующим образом.

Расход воздуха на один подблок рекуператоров, м³/с:

V_B^* =  = 3,73/2 = 1,865 м³/с (17)

Одна секция рекуператора имеет проходное сечение для воздуха ω^* = 0,2 м², соответственно и подблок имеет то же сечение.

Фактическая скорость воздуха, м/с:

ω_Во =  = 1,865/0,49 = 3,81 м/с (18)

Площадь сечения для прохода сгорания одной секции ω¹_д = 3,7 м², и подблока из одной секций ω^I_д = 1* 3,7 = 3,7 м².

Тогда фактическая скорость продуктов сгорания:

ω_д0 = 6,43/ 3,7 = 1,74 м/с. (19)

В соответствии с таб. 5 [3, табл. 5, с. 30], общая поверхность нагрева рекуператора будет равна F*= 2 * 100 = 200 м².

Секция рекуператора состоят из 42 трубок в основном диаметром 76 мм и толщиной 4,5 мм, трубы двух крайних рядов имеют диаметр 102 и толщину стенки 6 мм.

Шаг между трубами (коридорное расположение) составляет: по направлению движения продуктов сгорания S₂ = 140 мм. В поперечном направлении - S ₁ = 150 мм. Число трубок в направлении движения продуктов сгорания Z₂ = 6, в поперечном - Z₁= 7.

.2 Проверка требуемой поверхности нагрева

На выходе из печи при α^π= 1,1 в продуктах сгорания содержится избыточного воздуха:

υ^π_L =  (20)

При температуре t^п_д = 1150⁰ С по графику энтальпия продуктов сгорания после разбавления их подсосанным воздухом составит:

i_д =  (21)

При этом количество избыточного воздуха (при α= 1,22):

υ_L =  (22)

Это соответствует температуре продуктов сгорания после подсоса воздуха t_д = 800⁰ С. При этой температуре и υ_L =11,6% энтальпия продуктов сгорания на входе в рекуператор составит i^»_д = 1225 .

Энтальпия воздуха при t^,_в = 0⁰С i^,_в = 0 ; при t^»_в = 280⁰С i^»_в = 395 .

Так как металлический трубчатый рекуператор является газоплотным аппаратом, то количество тепла, переданное воздуху, находим по формуле:

Q_в = V_в*(i^»_в - i^,_в) = 3,73 (395 -0) = 1473,4 кВт (23)

Величина Q^’’_д = V_д * i^,_д =6,43 * 1225 = 7876,75 кВт.

Тогда количество тепла, уносимое продуктами сгорания, Q^’_д = 0,95* Q^’’_д - Q_в = 0,95 * 7876,75 - 1473 = 6009,51 кВт.

По формуле

i^»_д = Q^’’_д / V^»_д = что при υ_L = 11,6% соответствует 620⁰ С.

При данной компоновке рекуператора (см. рис. 25 [3, рис. 25, с. 58]) в обоих подблоках реализуем противоточно - перекрестный ток.

Тогда среднелогарифмическая разность температур по формуле:

t_ср = (24)

где  = t^’_д - t^’’_в;

 = t^’’_д - t^’_в.

t_ср = .

_ст = 0,5 (710 + 140) = 425⁰ С.

Определим коэффициенты теплоотдачи. Воздух проходит внутри трубок рекуператора. Расчет проведем на диаметр труб d_э = 76 - 2 * 4,5 = 67 мм.

При _В = 140⁰ С н = 34,9 * 10^-6 м/с; Pr = 0,680; л= 3,93 * 10^-2 Вт/(м*⁰С) (см. табл. 3 прил. 4) [3, прил. 4, с. 71]. Действительная скорость воздуха:

ω_в = ω_в0 (1 + β _В) = 9,325 (1 +  (25)

Тогда

Re =  (26)

Режим движения воздуха турбулентный.

Отношение

Т_ст/ Т_в =  (27)

т.е. 0,1<Т_ст/ Т_в < 3,5.

Тогда:

К_т =(1,7)^-0,55=0,747 (28)

Коэффициент К_I = 1.

Поверхность труб имеет изгиб средним радиусом:

R = 0,5 * 1090 = 545 мм (29)

Значение радиуса берем из таблицы [3, табл. 5, с. 30].

Тогда сомножитель изогнутых труб:

К_и = 1 + 1,8  = 1,25 (30)

В целом

К_рек = К_t К_I К_и = 0,747 * 1.0 * 1,25 = 0,93 (31)

Критерий Нуссельдта:

Nu = 0,023 Re^0,8Pr^0,4 * К_рек = 0,023 (26068,7) ^0,8 * (0,680) ^0,4 * 0,93 = 57,3 (32)

Коэффициент теплоотдачи конвекций на пути движения воздуха:

б^,_к.в = б^,_в = Nu (м²*⁰С) (33)

В пересчете на поверхность наружной трубы:

б_в = б^,_в (м²*⁰С) (34)

Продукты сгорания омывают наружную поверхность труб рекуператора. При д = 710⁰ С; v =112,1*10^-6 м²/с; Pr = 0,61; л = 8,28*10^-2  (м*⁰С) см. [3, прил. 4, с. 71].

Действительная скорость продуктов сгорания:

щ_д = щ_д0 (1 + в _д) = 1,74  (35)

Тогда

Re =  (36)

Режим движения продуктов сгорания переходный, расположение труб - коридорное. В нашем случае Z₂ = 6, тогда К_z = 1. При движении продуктов сгорания К_t = 1, т.е. К_РЕК = К_z*К_t = 1.

Тогда в соответствии с табл. 2 [3, табл. 2, с. 27]:

Nu = 0,200*Reⁿ*Pr^m*K_pek = 0,200 (4144)^0,64 * (0,61)^0,35 * 1 = 29,4 (37)

Коэффициент теплоотдачи конвекций на пути движения дыма:

б_k.д = Nu  (м² * ⁰С) (38)

Эффективную длину луча для данного расположения труб рекомендуется определять по формуле:

S_эф = 3,5 * d_H = 3,5 * 0,076 =0,266 м (39)

Учитывая излучение из окружающего, рекуператор объема продуктов сгорания, особенно на крайние трубы, увеличиваем найденное значение S* эф на 20%,

т.е. Sэф = 1,2 * 0,266 = 0,319 м.

.2.22 При б = 1,22 в продуктах сгорания для данного вида топлива получено содержание CO₂ = 7,97%; H₂О = 15,77%.

Произведения pSэф для CO₂ - 2,54 кПа*м, для H₂O - 5,03 кПа*м. Тогда по приложению 6, а [3, прил. 6, с. 73] для температуры 710⁰ C интегральные степени черноты ɛ_CO2 = 0,075; ɛ’_H2O = 0,09; поправочный коэффициент в = 1,1. Тогда интегральная степень черноты:

ɛ_r = 0,075 + 1,1 * 0,09 = 0,174 (40)

Для температур газа 710⁰ C и стенки 425⁰ С по табл. 1 [3, табл. 1, с. 26] значения б»_r = 0,672 и б»_ст = 0,752. По формуле величина:

ɛ»_r = ɛ_r/ б»_r = 0,174/0,672 = 0,259 (41)

Величина коэффициента лучистой тепло - отдачи:

 (42)

где  и  - средние температуры продуктов сгорания (газа) и стенки, К.

б_л.д = Вт/ (м² * ⁰С) (43)

Суммарный коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к стенке рекуператора:

б_д = б_к.д + б_л.д = 31,75 + 20,7 = 52,4 Вт/(м² * ⁰С) (44)

Находим по формуле (13) [3, с. 23] суммарный коэффициент теплоотдачи, принимая для случая металлического рекуператора значение :

К* = Вт/(м² * ⁰С) (45)

С учетом загрязнения труб рекуператора этот коэффициент уменьшаем на 10%, т.е. фактическая величина К = 18,5/1,1 = 16,8 Вт/ (м² * ⁰С).

По формулам (12) [3, с. 23] находим значения R и P:

R =  F =  (46), (47)

По рис. 17 [3, рис. 17, с. 21] для противоточно - перекрестного ɛ_t ≈ 0,99. Поверхность нагрева определяется по формуле:

F = м² (48)

Как видим, требуемая поверхность нагрева получилась несколько меньше, чем задано по предварительному выбору секций и их компоновке. В таком случае предварительно принятую компоновку можно оставить, т.е. фактическая поверхность нагрева рекуператора будет несколько больше расчетной F = 200 м².

5.3 Определение максимальной температуры стенки рекуператора

Тепловой поток от продуктов сгорания к воздуху на горячей стороне рекуператора:

q = K* (t’_д - t»_в) = 18,5 (800 - 280) = 9620 Вт/м² (49)

По формуле (28) [3, с. 29]:

Tст_max = 800 -  (50)

Выбираем материал труб - сталь Х17, имеющую предел по допустимой температуре 800⁰ С.

Заключение

Для проведения расчетов энерготехнологического агрегата я ознакомился с конструкциями вертикального газохода и металлического рекуператора.

Произвел расчет горения топлива для данной печи, конструктивный расчет вертикального газохода и, подобрав подходящий рекуператор, произвел расчет металлического петлевого рекуператора.

Скомпоновал рекуператор и подобрал марку стали для труб внутри рекуператора.

На основании произведенных мною расчетов, я считаю, что данный энерготехнологический агрегат будет удовлетворять заданному ресурсу работы.

1. С.Н. Гущин, М.Д. Казяев, «Расчеты горения топлив». Учебное пособие. Екатеринбург, 2001

2.       В.А. Гольцев, В.И. Матюхин, Н.Б. Лошкарев, В.В. Мадисон ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ КОТЛОВ-УТИЛИЗАТОРОВ: Методические указания. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2006. - 17 с.

.        В.Г. Лисенко, В.Б. Кутьин Теплотехника. Теплообменные аппараты металлургических печей. Свердловск: УПИ, 1982.