Тепловой расчёт и конструирование печи

 

 

Коэффициент полезного  действия печи

h = 100·Q_М/Q_ПРИХ = 100·5407/32389 = 16,7 %

 

Средний удельный расход теплоты:

K = Q_ПРИХ/E = 32389/6,515 = 4971 мДж/т

 

Удельный расход условного  топлива:

В_УСЛ = К/29,33 = 4971/29,33 = 169,5 кг/т

 

 

 

5. Расчет рекуператора.

 

Дымовые газы, покидающие рабочее пространство печи, имеют  высокую температуру, а следовательно, содержат значительное количество теплоты. Поэтому целесообразно обеспечивать утилизацию теплоты отходящих дымовых газов с возвратом части её обратно в печь. Для этого необходимо теплоту передать поступающему в печь воздуху. Для решения этой задачи широко используют рекуператоры.

Выберем для проектируемой  печи петлевой рекуператор.

Исходные данные для  расчета:

• средний часовой расход топлива В = 112 м³/ч;
• расход воздуха на 1м³ топлива L_g = 6,41 м³;
• количество продуктов сгорания (от 1м³ топлива) V_g = 7,31 м³
• температура подогрева воздуха t_B'' = 230⁰С;
• средняя за цикл температура уходящих из печи дымовых газов t_УХ = 1365 ⁰C;
• содержание лученепрозрачных газов в продуктах сгорания топлива CO₂ = 8,2%,

H₂O = 19,69%, N₂ = 70,3%, O₂ = 1,8%.

Для изготовления рекуператора выберем трубы диаметром 30/24,7 мм (в числителе наружный диаметр трубы, в знаменателе - внутренний). Примем коридорное расположение труб в рекуператоре с шагом s₁/d_н = 1,6;  s₂/d_н = 2.

Рис. 5.1. Схемы расположения и основные геометрические характеристики

коридорного (а) и шахматного (б) пучков труб в рекуператорах

 

Расчет начнем с определения  расхода воздуха и дыма, проходящих через рекуператор. расход воздуха  найдем по следующему выражению:

В_в = В·L_д(1 + n) = 112·6,41 = 718 м³/ч.

 

Коэффициент подсоса  воздуха n для трубчатых металлических рекуператоров равен нулю.

Расход дымовых газов  с учетом потерь дыма на выбивание  через дымовой шибер, а также  подсоса воздуха определяем по формуле:

В’_д = m·B·V_д(1 + ρ) = 0,7·112·7,31 ·(1 + 0,1) = 630 м³/ч.

 

При определении В’_д принималось, что коэффициент m, учитывающий потери дыма в печи и боровах до рекуператора, равен 0,7, а коэффициент подсоса воздуха ρ = 0,1.

Теплосодержание дыма перед  рекуператором с учетом подсоса  воздуха 

i’_д = i_ух /(1 + ρ) = 1600/(1 + 0,1) = 1584 кДж/м².

 

Теплосодержанию дыма i’_д = 1584 кДж/м² соответствует температура t_д’ = 1100°С.

Теплосодержание дыма за рекуператором вычислим по формуле:

i_д’’ = i_д’ – В_в·С_в·( t_в’’ - t_в’)/(В’_д·ξ),

принимая коэффициент  потерь в рекуператоре ξ = 0,82,

 

i_д’’ = 1584 – 718 ·1,3·(230 – 20)/(630·0,82) = 1205 кДж/м³.

Этому теплосодержанию  соответствует температура дыма за рекуператором t_д’’ = 800°С.

 

Среднелогарифмический температурный напор согласно

 

Δt_ср = ((t_д’ - t_в’’) – (t_д’’ - t_в’))/ln[(t_д’ - t_в’’)/( t_д’’ - t_в’)],

Δt_ср = ((1100 – 230) – (800 – 20))/ln[(1100 – 230)/(800 – 20)] = 746°С.

 

Средняя температура  дыма в рекуператоре:

t_д = (t_д’ + t_д’’)/2 = (1100 + 800)/2 = 950 °С.

 

Вычислим с помощью

α_д^к = (7,4 + 0,00924·t_д)·W_д^0,65/d_н^0,35

коэффициент теплоотдачи  конвекцией на дымовой стороне, приняв скорость дыма в рекуператоре W_д = 4 м/с,

α_д^к = (7,4 + 0,00924·950)·4^0,65/0,03^0,35 = 136 Вт/м²·град.

 

Общий коэффициент теплоотдачи  с учетом излучения на дымовой  стороне

α_д = 1,1· α_д^к = 1,1·136 = 149 Вт/м²·град.

Средняя температура  воздуха в рекуператоре

t_в = (t_в’ + t_в’’)/2 = (20 + 230)/2 = 125°С.

Принимая скорость воздуха  в рекуператоре W_в = 6 м/с, определим в соответствии с

α_в = (3,57 + 0,00174·t_в)·W_в^0,8/d_вн^0,2

коэффициент теплоотдачи  конвекцией на воздушной стороне  рекуператора:

α_в = (3,57 + 0,00174·125)·6^0,8/(0,0247)^0,2 = 33,3 Вт/м²·град.

 

Коэффициент теплопередачи  найдем по формуле 

k = 1/(1/α_д + S/λ + 1/α_в),

где α_д – коэффициент теплоотдачи от дыма к стенке, Вт/м²·град; α_в – коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху, Вт/м²·град; S – толщина стенки, м; λ – коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/м·град. Будем предполагать, что тепловое сопротивление S/λ = 0:

k = 1/(1/149 + 1/33,3) = 27,2 Вт/м²·град.

Поверхность нагрева  рекуператора

F = В_в·С_в·( t_в’’ - t_в’)/(3,6·k·Δt_ср) = 718·1,31·(230 – 20)/(3,6·267,2·746) = 2,7 м².

 

Произведем компоновку рекуператора. Число трубных U–образных элементов

Z =4·В_в/(3600 · π · d_вн²·W_в) = 4·718/(3600·3,14·0,0247²·6) = 69.

 

Средняя поверхность  нагрева одного элемента

f_ср = F/Z = 2,7/69 = 0,039 м².

Средняя длина одного трубного элемента

l_ср = f_ср/[π·(d_н + d_вн)/2] = 0,039/(3,14·(0,03 + 0,0247)/2) = 0,45 м.

 

Число труб в ряду, перпендикулярном движению дыма

Z₁ = 2·В’_д/3600·(S₁ – d_н)·W_д·l_ср = 2·630/3600·(0,048 – 0,03)·4·0,45 = 11.

Число труб по ходу дыма Z₂ = Z/2·Z₁ = 69/2·11 = 3,14. Принимаем Z₂ = 4. (см рис. 5.1).

 

Эскиз компоновки рекуператора на рис. 5.2.

 

 

Рис. 5.2. Схема рекуператора.

 

 

6. Аэродинамический расчет дымового тракта

 

Аэродинамический расчет печей выполняют с целью определения  параметров движения газов и жидкостей в трубопроводах, служащих для подачи воздуха, топлива и охлаждающей воды к печам, а также в системах удаления продуктов сгорания (дымовых каналов) из пламенных печей.

При расчетах дымового тракта используются исходные данные,  полученные в предыдущих разделах расчета печи.

Исходные данные:

• Расход продуктов горения В_д = 820 м³/ч;
• Расход дыма, проходящего через рекуператор В’_д = 630 м³/ч;
• Температура дыма на выходе из печи t_ух = 1365 °С;
• Температура дыма перед рекуператором t’_д = 1100 °С;
• Температура дыма за рекуператором t’_д = 800 °С;
• Плотность дыма ρ = 1,23 кг/м³.

 

В рабочем пространстве печи имеется восемь дымовых окон 0,3·0,4 м, расположенных на боковых стенках симметрично по четыре с каждой стороны. Площадь всех дымовых окон:

F = 0,3·0,4·8=0,96 м².

Скорость движения газов в горизонтальных дымовых каналах (дымоходах) и вертикальных каналах (дымопадах) высотой 2 м:

W₀₁ = B_д / (3600·F) = 820 / (3600·0,96) = 0,24 м/с.

 

Рис. 6.1. Эскиз дымового тракта печи

Эквивалентный диаметр  канала равен

d₁ = (4·0,3·0,4)/2(0,3+0,4) = 0,34 м.

Динамический напор  газа на этом участке равен

P_диин1 = 1,23 · 0,24²·(1+1365/273) ·0,5 = 0,21 Па.

Потери на трение на горизонтальном участке канала длиной 0,34 м составят

P_тр1 = 0,05·0,34·0,21/0,34 = 0,01 Па.

Потери при повороте канала на 90° без изменения его сечения:

P_м1 = K₁·P_дин1= 1,3·0,21 = 0,27 Па.

Потери на трение в  дымопаде высотой 2 м:

P_тр2 = 0,05·2·0,21/0,34 = 0,06 Па.

Потери на преодоление  геометрического давления в дымопаде:

P_г1 = 9,81·2·(1,29/(1+20/273) – 1,23/(1+230/273)) = 10,5 Па.

Потери на поворот 90° из дымохода в боковой дымовой канал с расширением потока:

P_м2 = K₂·P_дин1= 0,8·0,21 = 0,17 Па.

Определим потери напора при движении дымовых газов в  горизонтальных боковых каналах  печи до места их слияния в общий дымовой канал, по которому газы движутся к основанию дымовой трубы. Размеры боковых каналов – 0,6х0,8 м, средняя скорость дымовых газов в них будет равна скорости газов в дымопадах, т.е. W₀₂ = W₀₁ = 0,25 м/с.

Средняя температура  дыма в боковых каналах:

t_ср2 = (1365+1100)/2 = 1232 °С.

Динамический напор  газа на этом участке:

P_дин2 = 1,23·0,24²·(1+1232/273)/2 = 0,19 Па.

Эквивалентный диаметр  бокового канала:

d₂ = (4·0,6·0,8)/2(0,6+0,8) = 0,69 м.

Потери на трение в  боковом канале до входа в боров:

P_тр3 = 0,05·(6+1,5) ·0,19/0,69 = 0,10 Па.

Потери при повороте бокового дымового канала на 90 градусов без изменения его сечения:

P_м3 = K₃·P_дин2= 1,3·0,19 = 0,25 Па.

Определим потери напора при движении газов в борове от его начала до основания трубы. Среднее количество дымовых газов, проходящих через него, с учетом утечки дыма и подсоса воздуха:

В_{д ср} = (В_д+В_д’)/2 = (820+630)/2 = 725 м³/ч.

Скорость движения газов  в борове

W₀₃ = W₀₂ = W₀₁ = 0,25 м/с,

тогда его площадь  поперечного сечения:

F_б = В_дср/(3600·W₀₃) = 725/(3600·0,24) = 0,84 м².

Если высота борова H_б=0,8 м, то ширина борова b = F_б/H_б = 0,84 / 0,8 = 1,05 м.

Эквивалентный диаметр  борова:

d₃ = (4·0,84)/2·(1,05+0,8) = 0,91 м.

Среднюю температуру  в борове от его начала до рекуператора можно считать равной средней температуре дыма в боковых каналах, т.е. t_ср3 = t_ср2 = 1232 °С.

Следовательно, динамический напор газа на этом участке

P_дин3 = P_дин2 = 0,19 Па.

Потери на преодолении  трения от начала борова до рекуператора (длина этого участка равна 1м):

P_тр4 = 0,05·1·0,19/0,91 = 0,01 Па.

Определим потери давления в рекуператоре.

Число межрядных участков вдоль дымового канала n = 9; расстояние между осями труб в ряду, перпендикулярном движению дыма s₁ = 0,048 м; расстояние между осями труб в ряду по ходу дыма s₂ = 0,06 м; m = 0,2; β = 2,85.

Коэффициент сопротивления:

K_кор = 9·0,06·0,2/0,048 + 2,85 = 5,1.

Средняя температура  дыма в рекуператоре:

t_ср4 = (1100+800)/2 = 950 °С.

Потери напора в рекуператоре:

P_м4 = K_кор·P_дин4 = 5,1·1,23·0,24²·(1+950/273)*0,5=0,81 Па.

Определим потери напора от рекуператора до дымовой трубы. Пусть при движении по борову дымовые газы охлаждаются на 1 градус на 1 м его длины, тогда средняя температура дыма на этом участке длиной 20 м составит:

t_ср5 = (t”_д+(t”_д-20))/2 = (800+780)/2 = 790 °С;

P_дин5 = 1,23·0,24²·(1+790/273) ·0,5 = 0,14 Па.

Потери на преодоление  трения на этом участке:

P_тр4 = 0,05·20·0,14/0,91 = 0,15 Па.

Потери на дымовом  регулирующем шибаре с учетом степени  его открытия на 10% составляет:

P_м5 = K₅·P_дин5 = 193·0,14 = 27,02 Па.

Потери при повороте на 90° в дымовую трубу при K₆ = 0,66:

P_м6 = 0,66·0,14 = 0,09 Па.

Общие потери при движении дымовых газов от рабочего пространства печи до основания трубы:

P_п = 0,01 + 0,27 + 0,06 + 10,5 + 0,17 + 0,1 + 0,25 +0,01 + 0,81 + 0,15 + 27,02 + 0,09 = 39,44 Па.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Выполнив курсовой проект на тему "Тепловой расчет и конструирование печи", я познакомился с современными методиками расчета основных процессов, определяющих тепловую работу печей, а также качественные и количественные связи между параметрами, обеспечивающими требуемый технологический режим нагрева металла.

В проделанной работе, я рассчитал КПД и производительность камерной садочной печи для цилиндрических заготовок диаметром 620 мм и длиной 1380 мм из стали 08. В качестве топлива использовалась смесь природного и коксового газов. Полученный мной КПД для данной печи получился равным 16,7 %, а производительность 655 кг/ч. Такое низкое значение КПД можно объяснить тем, что печь работает под ковку и это значение не должно превышать 30 – 35% для современных печей. Удельный расход условного топлива получился равным 169,5 кг/т и средний удельный расход теплоты 4971 мДж/т. Для уменьшения потерь используют рекуператор, число трубных U – образных элементов которого получил равным 69, со средней длиной одного трубного элемента 0,45 м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы.

 

1. Казанцев Е.И. Промышленные печи: Справочное руководство для расчётов и проектирования. - М.: Металлургия, 1975. – 368с.
2. Расчёты горения топлива, параметров нагрева металла в печах периодического действия: Методические указания. В.И.Становой, А.А.Буйлов.
3. Расчёты теплового баланса и рекуператора. Аэродинамические расчёты камерных садочных печей: Методические указания. В.И.Становой, А.А.Буйлов.