книги из ГПНТБ / Никифорова, Н. М. Основы проектирования тепловых установок при производстве строительных материалов учеб. пособие для техникумов

cCgJm/м^-С

Рис. 1. Номограмма для расчета коэффициента теплопередачи конвекцией а к нового чугунного ребристого экономайзера системы ВТИ

П р и м е ч а н н е. Для уточнения коэффициент теплоотдачи подсчитывают по формуле

11

шильных и печных установок используют конвективный способ теп­ лопередачи. Теплоносителем для него служат дымовые газы, полу­ чаемые при сжигании топлива, или горячий воздух. Источником получения горячего воздуха может быть тепло остывающих в печах изделий. Этот источник тепла хотя и дешевый, но ограниченный и не имеет повсеместного распространения. На керамических и не­ которых других производствах наиболее распространенным аппа­ ратом для получения горячего воздуха является калорифер.

В целях достижения высоких температур, ускоряющих процес­ сы, протекающие при теплообработке материалов, для сжигания топлива в печах используют горячий воздух, подогретый в рекупе­ раторах. В этом случае в качестве теплоносителя используют от­ работанные газы самих же печей, что значительно повышает коэф­ фициент полезного действия печных установок и экономит топливо.

При сравнительно невысокой температуре отходящих газов наи­ более пригодны металлические рекуператоры игольчатого типа, отличающиеся от керамических более высоким коэффициентом теп­ лопередачи и компактностью установки.

В настоящее время большое распространение получают автома­ тические конвейерные линии по изготовлению различных строитель­ ных деталей, на которых производятся следующие операции: подвялка, сушка, тепловлажностная обработка изделий горячим воз­ духом со сравнительно невысокой температурой подогрева его. В этих случаях часто применяют паровые калориферы.

Теплообменные аппараты, выпускаемые отечественными завода­ ми, предназначены для какой-либо определенной отрасли промыш­ ленности. К сожалению, для промышленности строительных мате­ риалов нет специально запроектированных конструкций теплооб­ менников, что в значительной степени усложняет их выбор. В табл. 2 и 3 приводится характеристика паровых калориферов п игольчатых рекуператоров, выбор которых производится после про­

12

13

Температура подогрева в одноходовых игольчатых рекуперато­ рах 150—200®С, в двухходовых 250—450° С, допустимо предель­ ная температура газов 700—1200° С.

§ 2. Проектирование и расчет теплообменников

Весь объем работ по проектированию теплообменного аппарата может быть разделен на несколько частей, выполняемых в строгой последовательности.

Сбор основных и дополнительных исходных данных. Основные исходные данные для проектирования теплообменников обычно указываются в задании. Поскольку теплообменный аппарат яв­ ляется аппаратом вспомогательного назначения, т. е. снабжает по­ догретым воздухом, водой или газообразным топливом сушилку, печь или котельную установку, в задании на проектирование долж­ но быть четко указано, для какой установки проектируется он и какова ее производительность.

Дополнительные данные собираются самим проектантом.

К ним относятся начальная и конечная температуры нагревае­ мой среды. Если подогревается воздух, то его начальная темпера­ тура может быть принята равной температуре помещения, из ко­ торого он поступает, а в случае подачи наружного воздуха — сред­ няя температура самой холодной пятидневки для данной местности. Конечная температура воздуха диктуется его потребителем — су­ шилкой, топкой, печью или установкой для тепловлажностной об­ работки изделий.

Температура теплоносителя при входе в теплообменник устанав­ ливается в зависимости от его типа как максимально допустимая температура стенки рекуператоров или газовых калориферов, а в случае паровых калориферов — по максимально допустимому дав­ лению сухого насыщенного пара в трубах. Если теплообменник ис­ пользует отбросное тепло, например отходящие газы какой-либо установки, то температура теплоносителя устанавливается по тем­ пературе отходящих газов.

После выбора типа аппарата по его технической характеристике принимается определенная скорость движения теплоносителя в трубках и в соответствии с ней коэффициент теплопередачи.

Технологические и теплотехнические расчеты. По производи­ тельности установки, являющейся потребителем тепла от проекти­ руемого аппарата, например сушилки, определяют потребное для нее количество нагреваемой среды, т. е. горячего воздуха. Если теплообменник проектируют для котельной установки, то по ее па­ ропроизводительности находят часовой расход топлива, а затем из расчета горения топлива— часовой расход воздуха. Методика этих расчетов приведена в табл. 4 и 42. Располагая всеми необходимы­ ми данными для выбора теплообменника, выбирают тот или иной его тип, если он конкретно не указан в задании па проекти­ рование. При выборе типа аппарата следует руководствоваться как температурами теплоносителя и нагреваемой среды, так и эконо­

14

Из уравнения теплообмена следует

4=

Ѵ„с"

Когда трубки теплообменника установлены непосредственно в одном из газоходов котельной установки или в дымовом канале пе­ чи, потери во внешнюю среду можно не учитывать.

Далее определяют среднеарифметическую разность температур между теплносителем и нагреваемой средой.

В остальных случаях среднелогарпфмическая разность температур между ними составит

ДАср

2 .3 1g

где А/щах и Д/тіп — максимальная и минимальная разности темпе­ ратур между двумя средами, обменивающимися теплом, °С.

Для определения среднелогарифмпческой разности температур можно воспользоваться графиком рис. 2.

Рис. 2. Номограмма для определения средней ло­ гарифмической разности температур

16

Из уравнения теплообмена через стенку теплообменника с по­ верхностью теплопередачи f находят количество передаваемого че­ рез нее тепла (кдж/ч):

<7ч = /гД/?Ср/-3,6,

где k — коэффициент теплопередачи, ат/ж2-°С; Д/Ср — средняя раз­ ность температур, °С; f — поверхность теплопередачи принятого к установке теплообменника, м2.

Коэффициент теплопередачи может быть определен в зависимо­ сти от скорости движения теплоносителя для экономайзеров по гра­ фику рис. 1, для рекуператоров — по графику рис. 3.

6т/мг °О

к установке больший типоразмер аппарата или установить несколь­ ко аппаратов с большей поверхностью теплопередачи, отвечающей

2 ЭКЗЕМПЛЯР

Число установленных аппаратов

n — F l f .

При проектировании теплообменника с .использованием данных, указанных в его технической характеристике, следует обращать особое внимание не только на совпадения поверхности теплопере­ дачи аппарата с расчетной, но и на достижение заданной для выб­ ранного аппарата скорости движения газов. Чтобы выдержать по­ следнее условие, тепловые аппараты или их трубы располагают с последовательным или параллельным включением. При последова­ тельном расположении живое сечение для прохода газов, а следо­ вательно, и скорость их движения остаются без изменения, а по­ верхность теплопередачи увеличивается пропорционально числу аппаратов. При параллельном расположении живое сечение и по­ верхность теплопередачи возрастают пропорционально числу аппа­ ратов или отдельных элементов теплообменника.

Таким образом, в проекте необходимо разработать установку нескольких типовых аппаратов или теплообменника, состоящего из секций типовых труб, как это, например, делается при проектиро­ вании игольчатых рекуператоров пли пластинчатых паровых кало­ риферов. К сожалению, существующая в настоящее время типиза­ ция теплообменных аппаратов не охватывает все отрасли промыш­ ленности. Если в энергетической, химической, металлургической создано значительное количество типоразмеров различных тепло­ обменников, то сушильная техника не располагает даже минималь­ ным выбором, что значительно затрудняет их проектирование. Теп­ ловая экономичность запроектированного аппарата оценивается его термическим к. п. д., рассчитанным по результатам баланса теп­ ла как отношение количества полезно использованного тепла ко всему количеству тепла, внесенному в аппарат. Баланс тепла удоб­ нее составлять на 1 ч работы для одного аппарата при отдельной установке и для комплекта в целом. Составляют его по форме, при­ веденной ниже.

Часовой приход тепла (кдоіс/ч).

1. С теплоносителем

Ц\—Ичс tn.

Часовой расход тепла (кдэіс/ч).

А. Полезный.

1. На нагрев среды

(}l = \/itC ( t K tn).

Б.Потери тепла.

2.С отработанным теплоносителем

q'2 = V\c"iK.

18

3. Во внешнюю среду, если аппарат установлен отдельно от свое­ го потребителя, в огражденном кожухе

? з = а сумЛ (*„ — 0 3 ,6 ,

где Fi — наружная поверхность ограждения теплообменника, м2; Ui-ум— суммарный коэффициент теплоотдачи, вт/м2-°С; tCT, tD— температуры наружной поверхности ограждения аппарата и окру­ жающего воздуха, °С.

Уравнение баланса тепла

<7і= ?і + ?2+ ?з.

Термический к. п. д.

Пример. Запроектировать воздухоподогреватель к паровому котлу производи­ тельностью 10 т/ч сухого насыщенного пара давлением 13 бар. Топливо — уголь Прокопьевско-Кисельковского месторождения.

Дополнительные данные. Состав топлива приведен в гл. VI. Теплота сгорания топлива Q„р=28 549 кдж/кг. Температура'отходящих газов котельной установки /„"=450° С; воздуха, поступающего из цеха в воздухоподогреватель, in'=15°C; возду'ха, поступающего в полумеханическую топку, /,<'= 250° С. Коэффициент из­ бытка воздуха а=1,25.

Определяем часовой расход топлива котлом:

= 209 кдж/кг; Q„p — теплота сгорания топлива, Q„p=28 549 кдж/кг\ г|т -—к. п. д. топки, для слоевой топки принимаем т)т= 0,85.

Из расчета горения топлива при а=1,25 (см. табл. 42) имеем: количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива, — 9,27 м3, объем образовавших­

’ К установке принимаем ориентировочно воздухоподогреватель рекуператив­ ного типа, двухходовой трубчатый, с поверхностью теплопередачи 185 м2.

Согласно его технической характеристике живое сечение для прохода воздуха /і =0,6 м2, для прохода газов />=0,59 м2. Скорость теплоносителя в трубах при­ нимаем равной U2=12 м/сек, скорость воздуха OI=0,4-I>2=0,4-12=4,8 м/сек. Тогда расход воздуха через аппарат составит W = 0 ,6-4,8-3600= 10,4-ІО3 м3/ч, что впол­ не соответствует его необходимому количеству, полученному расчетом. Расход газов

Ѵч = 12-0,59-3600 =25,5-103

19