Выбор топливосжигающих устройств

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