6. Аэродинамический расчет воздушного 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 воздуха на рекуператор В_в = 843,52 м³/ч;

• Температура воздуха на входе в рекуператор t’_в = 20°С;

• Т емпература воздуха на выходе из рекуператора t_в’’ = 215°С.

Эскиз воздушного тракта с размерами показан на рис. 6.

Принимаем среднюю скорость движения воздуха от цехового воздухопровода до рекуператора w₀ = 10 м/с, после рекуператора w₀' = 6 м/с.

Определим диаметры воздухопроводов: до рекуператора

d₁ = 4 В_в /3600 w₀ = (4 843,52 /(3,14360010)) = 0,17 м,

после рекуператора

d₂ = 4 В_в /3600 w₀' = (4 843,52 /(3,1436006)) = 0,22 м.

Расход воздуха к горелкам распределяется поровну, т.е. 50% на одну сторону и 50% - на другую.

Отводы к горелкам

d₃ = d₄ = 4 В_в0,5 /3600 w₀' = (4843,52 0,5/(3,1436006)) = 0,16 м.

Определим потери давления на участке воздушного тракта от цехового воздухопровода до рекуператора. Динамический напор воздуха на этом участке найдем по формуле:

Р_дин = ρ_о·W_o²·(1 + α·t_г)/2,

где ρ_о – плотность газа при нормальных условиях (0°С, 101 кПа), кг/м³; W_o – скорость газа на рассматриваемом участке газопровода, отнесенная к нормальным условиям, м/с; α = 1/273 – коэффициент объемного расширения газов, град^-1; t_г – средняя температура газа на рассчитываемом участке газопровода, °С.

Р_дин1 = 1,29·10²·(1 + 20/273)/2 = 69,2 Па.

Потери на трение на этом участке длиной 15 м рассчитываем согласно

Р_тр1 = μ·l·Р_дин/d,

где μ - коэффициент трения; l - длина участка трубопровода, на котором определяются потери на трение, м; d - гидравлический диаметр трубопровода, м.

Р_тр1 = 0,03·15·69,2/0,17 = 183,2 Па.

Потери напора в двух плавных поворотах на 90^

Р_м1 = 2К₁·Р_дин1 = 20,25·69,2 = 34,6 Па,

где К₁ = 0,25 для R/d = 1,0.

Определим потери напора в рекуператоре. Средняя длина одного элемента в рекуператоре l = 0,48 м, внутренний диаметр труб d_вн = 0,0247 м, скорость движения воздуха в нем w_op = 6 м/с, а средняя температура воздуха:

t_в = (t_в’ + t_в’’)/2 = (20 + 215)/2 = 117,5°С.

Потери на трение в рекуператоре

Р_тр2 = μl w_op²(1+ t_в/273)ρ_ов/(2d_вн) =(0,03*0,48*6²(1+117,5/273)*1,29)/(2*0,0247)= 19,4 Па.

Потерями плавного поворота в рекуператоре на 180° можно пренебречь.

Найдем потери давления на участке от рекуператора до отвода к горелкам. Принимаем падение температуры воздуха при движении по воздухопроводу за рекуператором два градуса на один метр длины, тогда

t_ср3 = (t_в’’ + (t_в’’ - 24))/2 = (215 + (215 – 8))/2 = 211°С.

Динамический напор воздуха на этом участке:

Р_дин3 = 1,29·6²·(1 + 211/273)/2 = 41,2 Па.

Потери на трение составят:

Р_тр3 = 0,05·4·41,2/0,22 = 37,5 Па.

Геометрическое давление H = 3 м определим по формуле

Р_г = 9,81·Н·(ρ_ов/(1 + t_в/273) - ρ_од/(1 + t _ср3/273)),

где ρ_ов и ρ_од – плотности воздуха и дымовых газов при нормальных условиях, кг/м³; t_в и t_г – температуры воздуха и дымовых газов, °С.

Р_г3 = -9,81·3·[1,29/(1 + 20/273) – 1,29/(1 + 211/273)] = -14 Па.

На этом участке потери на преодоление геометрического давления отрицательны, так как горячий воздух поднимается на высоту 3 м. Потери напора в плавном повороте на 90°

Р_м3 = 0,2541,2 = 10,3 Па.

Потери напора при разветвлении потока на 180° составят

Р_м3^’ = К₄·Р_дин3 = 1,541,2 = 61,8 Па.

Для угла разветвления α = 180° коэффициент потерь K = 1,5.

Рассчитаем потери напора в отводах к горелкам:

t_ср4 = (211 + (211 – 26,5))/2 = 204,5°С.

Динамический напор воздуха в отводах:

Р_дин4 = 1,29·6²·(1 + 204,5/273)/2 = 40,6 Па.

Потери на трение

Р_тр4 = 0,05·6,5·40,6/0,16 = 82,5 Па.

Потери напора в плавном повороте на 90°

Р_м4 = 0,2540.6 = 10,15 Па.

Перед горелками в воздухопроводе устанавливается измерительная диафрагма для измерения расхода воздуха на горелки, а также дроссельная заслонка для регулирования соотношения топливо - воздух. Потери на измерительной диафрагме зависят от соотношения диаметра воздухопровода d_тр и диаметра отверстия диафрагмы d_дф. Для d_тр/ d_дф = 1,5 по табл. Из [4] находим значение К₅ = 7.

Следовательно, потери на измерительной диаграмме составят:

Р_м4^’ = К₅·Р_дин4 = 740,6 = 284,2 Па.

Потери на дроссельной заслонке зависят от угла φ поворота заслонки к направлению движения потока воздуха. При угле ее поворота φ = 30° для круглого воздухопровода согласно табл. из [4] значение К₆ = 3,91. Потери на регулирующей заслонке будут равны:

Р_м^’’ = К₆·Р_дин4 = 3,9140,6 = 158,7 Па.

Общие потери на воздушном тракте без учета сопротивления горелки определим по формуле

Р_п = ∑Р_тр + ∑Р_м +∑Р_г,

где ∑Р_тр, ∑Р_м и ∑Р_г – соответственно суммарные потери трения, на преодоление местных сопротивлений и геометрического напора по всему пути движения воздуха в рассматриваемой печной системе.

Р_п = 183,2+ 34,6 + 19,4 + 37,5 - 14 + 10,3 + 61,8 + 82,5 + 10,15 +284,2 + 158,7 = 868,35 Па.

Давление воздуха P_в перед горелкой при скорости выхода 30 м/с должно составлять 2550 Н/м² [4]. Следовательно, в цеховом воздухопроводе давление должно быть не менее

P_вп = 868,35 + 2550 = 3418,35 Па.