5. Расчет рекуператора для подогрева воздуха

Исходные данные для расчета: на входе в рекуператор t_в^н=0 ^оC, на выходе t_в^к=350 ^оC. Температура дыма на входе в рекуператор t_д^н=1050 ^оC.

Расход газа на отопление печи B=9,44 м³/с. Расход воздуха на горение топлива V_в=9,44·2=18,88 м³/с. Количество дымовых газов на входе в рекуператор V_д=9,44·2,76=26,05 м³/с.

Таблица 12. Процентный состав дымовых газов

	CO2	H2O	N2	O2
%	14,13	11,23	73,18	1,41

Выбираем керамический блочный рекуператор. Материал блоков – шамот, марка кирпича Б-4 и Б-6 (табл. 19 [2]). Величину утечки воздуха в дымовые каналы принимаем равной 10%.

Тогда в рекуператор необходимо подать следующее количество воздуха:

V_в^н=V_в/0,9 5.1

V_в^н=18,88/(1–0,1)=20,97 м³/с.

Количество потерянного в рекуператоре воздуха:

ΔV_в= V_в^н -V_в 5.2

ΔV_в=20,97–18,88=2,09 м³/с.

Среднее количество воздуха:

=(V_в^н +V_в)/2 5.3

=(20,97–18,88)/2=19,92 м³/с.

Количество дымовых газов, покидающих рекуператор (с учетом утечки воздуха) равно:

V_д^к=V_д+ΔV_в 5.4

V_д^к=26,05+2,09=28,14м³/с.

Среднее количество дымовых газов:

=(V_д+ V_д^к)/2 5.5

=(26,05+28,14)/2=27,09 м³/с.

Составим уравнение теплового баланса рекуператора, учитывая потери тепла в окружающую среду, равные 10% и утечку воздуха в дымовые каналы, используя формулу:

Q=0,9· ·(c_д^н·t_д^н-c_д^к·t_д^к)= ·(c_в^к·t_в^к-c_в^н·t_в^н)+ΔV_в·(c_в^д·t_д^к-c_в^н·t_в^н), 5.6

где c_в^н, c_в^к – удельные теплоемкости воздуха при t_в^н и t_в^к соответственно;

c_в^д – удельная теплоемкость воздуха при температуре t_д^к.

Для решения этого уравнения необходимо определить удельную теплоемкость дымовых газов на входе и на выходе из рекуператора.

Находим удельные теплоемкости дымовых газов при заданных температурах (приложение I [2]).

Зададим температуру дымовых газов на выходе из рекуператора: t_д^к=650 ^оC.

Таблица 13. Теплоемкость дыма и его составляющих при t_д^к=650 ^оC

Газ	Теплоемкость, кДж/(м3·K)
CO2	0,23
H2O	0,26
N2	0,96
O2	0,02
Суммарная теплоемкость, cдк	1,48

Таблица 14. Теплоемкость дыма и его составляющих при t_д^н=1050 ^оC

Газ	Теплоемкость, кДж/(м3·K)
CO2	0,25
H2O	0,28
N2	0,99
O2	0,02
Суммарная теплоемкость, cдн	1,54

c_в^к=1,32415 кДж/(м³·К), c_в^н=1,3009 кДж/(м³·К), c_в^д=1,3654 кДж/(м³·К).

Теперь решая уравнение относительно t_д^к получим:

0,9·27,09·(1,54·1050–1,48·t_д^к)=19,92·1,32415·350+2,09·1,3654·t_д^к

t_д^к=761,4^оС.

В принятой конструкции рекуператора схема движения теплоносителей – перекрестный ток. Среднюю разность температур находим по формуле:

Δt=Δt_прот·ε_Δt, 5.7

Определив среднелогарифмическую разность температур для противоточной схемы движения теплоносителей по формуле:

5.8

.

Найдя поправочные коэффициенты

, ,

по номограмме на рис. 23 [2] находим εΔt=0,98.

Тогда 730,95·0,98=716,33 ^оC.

Для определения суммарного коэффициента теплопередачи согласно табл. 28 [1] примем среднюю скорость движения дымовых газов ω_д0=1,2 м/с, а среднюю скорость движения воздуха ω_в0=1,5 м/с.

Учитывая, что эквивалентный диаметр воздушных каналов равен (табл. 19 [2]) d_в=0,055 м=55 мм, по графику 26 [2] находим значение коэффициента теплоотдачи конвекцией на воздушной стороне:

α_в^конв’=12,14 Вт/(м²·К).

Или с учетом шероховатости стен:

α_в^конв=1,1·12,14=13,4 Вт/(м²·К).

Коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне находим по формуле:

α_д=α_д^конв+α_д^изл 5.9

Учитывая, что гидравлический диаметр канала, по которому движутся дымовые газы равен (табл. 19 [2]) d_д=0,21 м, по графику на рис. 26 [2] находим

коэффициент теплоотдачи конвекцией на дымовой стороне:

α_д^конв’=6,4 Вт/(м²·К).

Или с учетом шероховатости стен:

α_д^конв=1,1·6,4=7,04 Вт/(м²·К).

Величину коэффициента теплоотдачи излучением на дымовой стороне определяем для средней температуры дымовых газов в рекуператоре, равной: 0,5·(1050 + 761,4)=905,7 ^оС.

Среднюю температуру стенок рекуператора принимаем равной:

0,25·[(1050+761,4)+(350+0)]=540.35 ^оС.

Эффективная длина луча в канале равна:

0,9·0,21=0,189 м.

Получим:

p_CO2·S_эф=10,93·0,189=2,66 кПа·м;

p_H2O·S_эф=16,03·0,189=3,03 кПа·м.

По номограммам на рис. 9–11 [2] при 905,7^оС находим

=0,066; =0,055; β=1,08;

=0,066+1,08·0,055=0,13.

Коэффициент Агаза-стенок:

5.10

.

Учитывая, что при степени черноты стен рекуператора 0,8, их эффективная степень черноты равна 0,5·(1+0,8)=0,9, по формуле находим коэффициент теплоотдачи излучением:

5.11

Вт/(м²·К).

Суммарный коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне равен:

α_д=7,04+25,03 =32,07 Вт/(м²·К).

При температуре стенки 542 ^оС коэффициент теплопроводности шамота равен (приложение Х [2]):

542=1,001 Вт/(м·К).

С учетом толщины стенки элемента рекуператора δ=0,019 м находим суммарный коэффициент теплопередачи по формуле:

, 5.12

где F и F - соответственно основная поверхность теплообмена и оребренная, м².

При F/(F+F )=0,8:

Вт/(м²·К).

Определяем поверхность нагрева и основные размеры рекуператора. Количество тепла, передаваемого через поверхность теплообмена, равно по формуле:

, 5.13

где η=0,9 – поправка, учитывающая потери тепла в окружающую среду.

Q= кВт.

Величина поверхности нагрева рекуператора:

F=Q/(K· ) 5.14

м².

Так как удельная поверхность нагрева рекуператора, выполненного из кирпичей Б=4 и Б=6, равна м²/м³ (табл. 19 [2]), можно найти объем рекуператора:

5.15

м³.

Необходимая площадь сечений для прохода дыма равна:

5.16

м².

Учитывая, что площадь дымовых каналов составляет 44% общей площади вертикального сечения рекуператора, найдем величину последнего:

м².

Принимая ширину рекуператора равной ширине печи, т.е. =9,6 м, находим высоту рекуператора:

5.17

м.

Длина рекуператора:

5.18

м.