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 = 128 м³/ч;

расход воздуха на 1м³ топлива L_g = 6,59 м³;

количество продуктов сгорания (от 1м³ топлива) V_g = 7,491 м³

температура подогрева воздуха t_B'' = 215⁰С;

средняя за цикл температура уходящих из печи дымовых газов t_УХ = 1137,4 ⁰C;

содержание лученепрозрачных газов в продуктах сгорания топлива CO₂ = =8,01%, H₂O = 19,758%, SO₂ = 0,011%, N₂ = 70,458%, O₂ = 1,736%.

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) = 128·6,59 = 843,52 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) = 0,7·128·7,491 ·(1 + 0,1) = 738 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) = 779/(1 + 0,1) = 708,2 кДж/м².

Теплосодержание дымовых газов i_ух, соответствующее t_ух = 1137,4°С, определяем согласно рис. 3. из [2]. Теплосодержанию дыма i’_д = 708,2 кДж/м² соответствует температура t_д’ = 987°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’’ = 708,2 – 843,52 ·1,3·(215 – 20)/( 738 ·0,82) = 354,85 кДж/м³.

Этому теплосодержанию соответствует температура дыма за рекуператором t_д’’ =596°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 = ((987 – 215) – (596 – 20))/ln[(987 – 215/(596 – 20)] = 669°С.

Средняя температура дыма в рекуператоре:

t_д = (t_д’ + t_д’’)/2 = (987 + 596)/2 = 791,5°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 + 0,00924·791,5)·4^0,65/0,03^0,35 = 123,6 Вт/м²·град.

Общий коэффициент теплоотдачи с учетом излучения на дымовой стороне

α_д = 1,1· α_д^к = 1,1·123,6 = 136 Вт/м²·град.

Средняя температура воздуха в рекуператоре

t_в = (t_в’ + t_в’’)/2 = (20 + 215)/2 = 117,5°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 + 0,00174·117,5)·6^0,8/(0,0247)^0,2 = 33 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/(1/136 + 1/33) = 26,6 Вт/м²·град.

Поверхность нагрева рекуператора

F = В_в·С_в·( t_в’’ - t_в’)/(3,6·k·Δt_ср) = 843,52 ·1,3·(215 – 20)/(3,6·26,6·669) = 3,34 м².

Произведем компоновку рекуператора. Число трубных U–образных элементов

Z =4·В_в/(3600 · π · d_вн²·W_в) = 4·843,52 /(3600·3,14·0,0247²·6) = 81.

Средняя поверхность нагрева одного элемента

f_ср = F/Z = 3,34/81 = 0,041 м².

Средняя длина одного трубного элемента

l_ср = f_ср/[π·(d_н + d_вн)/2] = 0,041/(3,14·(0,03 + 0,0247)/2) = 0,48 м.

Число труб в ряду, перпендикулярном движению дыма

Z₁ = 2·В’_д/3600·(S₁ – d_н)·W_д·l_ср = 2·738 /3600·(0,048 – 0,03)·4·0,48 = 12.

Число труб по ходу дыма Z₂ = Z/2·Z₁ = 81/2·12 = 3,375. Принимаем Z₂ = 4.

(см рис. 5.1).

Эскиз компоновки рекуператора на рис. 5.2.

Рис. 5.1. Схема рекуператора.