Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Щукин А.А. Экономия топлива в черной металлургии. Повышение тепловой эффективности огнетехнических агрегатов

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

24.10.2023

Размер:

11.95 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 910 / 2810 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

агрегатами. Высокая интенсивность тепло- и массообмена создает перспективность применения циклонного принципа не только в энер гетике, но и в технологических агрегатах, особенно предназначенных для плавки металлов и обжига материалов.

Нагрев насадки

Насадка состоит из тонких тел и быстро прогревается. Сыпучая насадка состоит из шариков малого диаметра (дроби) различных материалов — чугуна, сплавленных керамических мате риалов, обладающих малым износом (MgO и др.). Частицы непра вильной формы в расчете принимают за сферические с эквивалентным диаметром d3 = 0,75dc p . При малых в термическом отношении зернах имеет место квазистационарный процесс, отличием которого является условие

Bi =

0,1-0,2.

(IV. 17)

Тепло как бы мгновенно проникает в толщу шарового зерна (т. е. теплопроводность Кт —> оо) и можно записать уравнение теплового баланса

^-p1ctdQ		= and2Qdx.						(IV.18)
Здесь	р т и ст	— плотность и теплоемкость				материала		насадки;
	а — коэффициент теплоотдачи;
	9 =		tr — t (t — температура зерна в				любой момент
			времени;	tr — температура		газа).
Интегрируя уравнение (IV. 18) от 0 до т и от 0Н до 8К 0 Н , получаем
1 п т К = 7 ? 1 Г т -								< I V - 1 9 )
Откуда
	оа		0К оц
Здесь	9Н = tr	—	t'\	зерна	в начальный момент			теплообмена;
	t' — температура			зерна	в начальный момент			теплообмена;
	t" — температура			в конечный момент.
Время	нагрева шарика можно				определить,	исходя	из	регулярного
режима нагрева,			то при темпе		нагрева
	За		г..

( 4 ) !

где а — коэффициент температуропроводности, время нагрева будет

Соединяя формулы (IV. 20) и (IV. 21), найдем

l n T & T ~ T § f c '

dV.22)

откуда можно определить конечную температуру нагрева t". Если нагревают тело не шаровой формы, а любой другой, то можно вывести формулу, полагая а = const и tr = const:

* = - W l n		f e '		( I V - 2 3 )
где GT — масса		элемента; Н — его поверхность.
Закон	изменения температуры			тела
		—аН
t=(tr	— О	[I — е с Л	j + f .	(IV.24)
В формулах коэффициент теплоотдачи а определяют как средний
для начальных		и конечных	условий
a =	^ i - - .			(IV.25)

Внешний теплообмен в плотном (фильтрующем) слое насадки

Нагрев кусков в слое, по мнению 3. Ф. Чуханова, можно рассматривать как внешнюю задачу только при значениях критерия Био Bi < 0 , 6 ч- 1,0. Напомним, что критерий

а к 4 э

где d3 — эквивалентный диаметр кусков (можно считать йэ примерно на 25% больше размера кусков);

Км — коэффициент теплопроводности материала; ак — коэффициент конвективного теплообмена.

При продувании неподвижного (фильтрующего) слоя материала излучающими газами теплообмен идет преимущественно конвекцией, так как из-за малых толщин слой газов в зазорах роль излучения незначительна. Ввиду переменного сечения зазоров вдоль хода газов скорость газов будет пульсирующей, что способствует турбу-

лизации потока.		Коэффициент		теплоотдачи конвекции а к , по
В. Н. Тимофееву, определяется по следующим формулам:
Яесл < 200Л^С Л		= 0,106/?сл,		(IV.26)
Recn > ШЫисл		= 0 , 6 1 ^ f .		(IV.27)
Здесь Nu,n=	—	критерий	Нуссельта;
	wd3	критерий	Рейнольдса;

	W •	скорость газов в шахте без насадки;
	K> V r •	коэффициенты		теплопроводности и кинемати
		ческой вязкости газа.

Поверхность кусков FM определяют				по формуле
	f = -fc = " ^ г ^ м 2 ' м 3 >				( I V - 2 8 )
где	VM—объем	слоя;	(в долях	единицы).
	е — порозность слоя
Скорость газа		или воздуха	в насадке w0 и их скорость		на	входе
в насадку (в аппарате без насадки) w связана соотношением					w0 = -^~ ,
где	е — порозность насадки в долях от всего объема. Критерий					Recn

можно выразить через скорость в пустой шахте (при входе в насадку),

принимая	во	внимание,	что йэ = 4е//
/ ? в и =	^ в	= - £ е .	(IV.29)

Критерий Re иногда относят не к размеру частиц, а к эквивалентному диаметру каналов (ходов) и он будет иметь другое значение. Чем меньше критерий Био, тем термически тоньше шаровые частицы

насыпного	материала		и при критерии		Bi	< 0 , 1 ч- 0,25 имеют дело
с термически		тонкими	частицами	(а	не	только с	геометрически
тонкими);	все	точки	материала	имеют		одинаковую	температуру,

и процесс нагревания называют квазистационарным. Этот случай характерен для регенеративных дробепоточных воздухоподогрева телей или для воздухоподогревателей других конструкций, когда в качестве насадки используют шарики (дробь). При противоточно продуваемом и движущемся плотном слое теплообмен описывают

уравнением из работы [16]: при		ReCJl	< 2 0 0
Nu = 0,014/?ес л Рг0 , 3 3 ;				(IV.30)
при Rec„ = 200 ч- 700 и	Рг =	0,68	ч -	1,1
Nu = 0,Q56Re°cfPr°-33.				(IV.31)
Теплообмен в движущемся плотном			слое протекает слабее, чем
в неподвижном. Разница	объясняется			худшим газораспределением

в подвижном слое и для улучшения теплоотдачи необходимо увели чить равномерность движения твердого теплоносителя, для чего массу опускающегося слоя делят на секции [60, 61].

При наклоне стенок шахты больше угла внутреннего трения движение происходит во всем объеме равномерно. При поперечно-

продуваемом			слое теплообмен может быть рассчитан по формуле
из	работы		[16]
	Nucn	=	0,055/?ем ,						(IV.32)
при ReCJ1		=	140 ч~ 1000 и отношении водяных эквивалентов						насадки
WT	к водяному эквиваленту газов				Wr:WT/Wn =		0 ч-	1 и f	=	280—
830° С и		t"	= 210—600°	С
	П р и м е р		1. Определить	время нагревания		чугунного		шарика	d=5	мм
в плотном слое со скоростью продувания					w = 2	м/сек	при средней температуре
газов ^г =		600° С. Начальная температура			чугуна	f =	100° С.

Критерий ReT

для

газов

R e T ~ 4 T ~ 9 3 , 6 - Ю - » - 1 0 7 ,

где v r в 0 0 ° =

93,6- 10"6

м2 /сек — коэффициент

кинематической

вязкости.

По формуле В. Н.

Тимофеева при Rer <С 200

/Уиг =

0,106/?ес л

= 0,106-107 = Ц,34.

Отсюда коэффициент

теплоотдачи от газов

к поверхности

насадки

1тМиг

6,38-10~2-11,34

t A A

; /

„

а г

—d

5-10~3

к а л ^ м

4 - г Р а Д ) -

Здесь Хг

6,3810_ 3

ккал/(м-ч-град) — коэффициент теплопроводности газов.

Время нагревания

по формуле (IV.21)

с**

0,12-7000 (5 . ,

с е

к .

4я2 Я,т

4-3,143-31,8

Конечную температуру

нагрева

шарика

t" определим по формуле (IV.23)

2 > 3

] g

2-3,14^.31,8

= 3 ' 4

5 ' 1 0

= 1 , 5 , откуда Г =

442° С.

Критерий Био для

шарика

Следовательно, имеет место квазистационарный нагрев.

Теплообмен в «кипящем» (псевдоожиженном) слое

Теплообмен в кипящем слое более интенсивен, чем в непо движном. Интенсификация теплообмена в этом случае обусловлена сложным колебательно-вращательным движением, твердых частиц и высокой степенью турбулизации газового потока, которые в общем итоге способствуют разрушению пограничного слоя на твердых поверхностях. Этому способствует также столкновение твердых частиц между собой и со стенками теплообменного аппарата. Расчет ная формула для теплообмена между газообразным теплоносителем

итвердыми частицами в кипящем слое при Re =40—500 дана в работе

[15]в следующем виде:

Nu = 0,3We0J.	(IV.33)
Здесь
Я«„ = ^ ,	(IV.34)
где w — скорость, отнесенная к	площади решетки, на которой
расположен слой;
d3 — эквивалентный диаметр	частицы.

Высокая интенсивность теплообмена в кипящем слое может быть использована для быстрого нагрева или охлаждения погруженных в него твердых тел (например, нагрев или охлаждение стальных изделий при термообработке). В этом случае кипящий слой исполь зуют как промежуточный теплоноситель. Максимальное значение теплообмена между газообразным теплоносителем и тепловоспринимающей поверхностью достигается при

ReonT= 0.121Л/-0 '5 .		(IV.35)
gift	„ „
Здесь Ar = —4-	——- — критерий Архимеда;	(IV.36)

VРт

рт — плотность вещества частиц.

Для расчета максимальных коэффициентов теплоотдачи при Аг=

= (30 ч- 2)	• 105 можно пользоваться	формулой
Nutmx	= 0,86Лг0 '2 .	(IV.37)

Температурный напор в слое находят по среднеинтегральным зна

чениям

температур

частиц

газа

•±r\[Q(h)

— t(h)]dh

= QM — t„,

(IV.38)

где

Я —

высота кипящего

слоя;

и •& — температуры среды (газа, воздуха)

и твердых частиц;

h — расстояние

от

решетки;

и r>m — среднеинтегральные

температуры

среды и слоя по вы

соте кипящего

слоя.

По

данным

работы

[15]:

-L-jt(h)dh=(t'

—t")

, t' — t exp [

aFr

Мсстс

Mccmc .

(IV.39)

1 — exp

Mccmc

Величина

активной

зоны

теплообмена

может

быть

определена

по формуле

/ * а к т ~ З Я ^ £

- ,

(IV.40)

где

Мс — массовый расход

среды;

в интервале

температур;

Сто. — средняя

теплоемкость среды

— суммарная поверхность теплообмена частиц кипящего

слоя;

и t" — начальная

и конечная температура

среды;

а — коэффициент

теплоотдачи.

Температуру насадки на выходе из газовой камеры в расчете принимают средней между температурами газов и воздуха

t'	+ Г	t"+t'
	0* = - i ^ p . .		(IV.41)
Температуру	насадки на решетке принимают на 3 град, ниже газа
(или выше температуры воздуха).
Средний	температурный	напор будет	[17]

At,ср	С - К - 3		(IV.42)
	2,з1	8 (/;-#;)/з"

Для воздухоподогревателя с кипящим слоем (рис. 30) промежуточного теплоноси теля при анализе принимают следующие упрощения: кипящий слой имеет равномер ную температуру — градиентами температур пренебрегают, не учитывают потери тепла в окружающую среду, считают, что газы равномерно продувают слой, что газовая и воздушная камеры имеют одинаковые раз меры, одну и ту же массу промежуточного теплоносителя и, кроме того, что безразмер ные критерии равны:

arFr	q B f T
	W3

Тогда для элементарного объема высотой dh

и сечением	1 м2	по данным			работы	[17],
можно записать		тепловой		баланс
dtr		aFT	dh.		(IV.43)
tr — r)r		cxpayr r

или после	интегрирования			от	t'r до t"r	и от 0
до Н получаем
t"r —	т>г =	( / ; _ ф г ) е		wr	(IV.44)


Рис . 30.			Схема	о д н о с т у п е н
чатого		т е п л о о б м е н н и к а				с ки
п я щ и м		слоем:
/ — газовая камера;					2—	воз
д у ш н а я			камера;	3 — подача
газов;		4	— подача		в о з д у х а ;
5	— у л а в л и в а ю щ и й				карман;
6	— н а к л о н н а я			стенка

Средний температурный напор между нагреваемым слоем и горячим газом для одной ступени

Atmср =

(IV. 45)

Одна камера не может дать значительного к. п. д. вследствие малых градиентов кипящего слоя и поэтому необходимо воздухоподогре ватель сделать многополочным (многокамерным). В работе [17] при-

ведены следующие формулы для определения температуры					газов tl
и температуры		воздуха t"B в зависимости		от числа полок:
U	(l+R)t'r(n)		l t B ( I )		(IV.46)
U	(I ) — '				(IV.46)
	ntr	(п)	(1 + / ? ) /в (I)		(IV.47)
»в (п)		1 --1-я + Я			(IV.47)
		1 --1-я + Я
Здесь	Wr /WT		— отношение водяных эквивалентов газовой (воз
			душной) среды и	циркулирующего	твердого
			теплоносителя;
		п — число пар полок		(в газовой и воздушной
			камерах).

Индекс I относится к первой паре полок, индекс п к n-ной паре. Коэффициент регенерации теплообменника при равенстве водяных

эквивалентов Wr = WB; для одной ступени

w/'(Г

t'\

(IV. 48)

для n ступеней

*в(п)

— (в (I)

Р и с . 31. З а в и с и м о с т ь к. п. д . т е п л о

t'r (я) — t'e (I)

l+n

+ R

(IV.49)

о б м е н н и к а т)р от числа

с т у п е н е й п

и о т н о ш е н и я в о д я н ы х

эквивалентов

На

рис. 31

показана

эта

зависимость

газов

и т в е р д о г о т е п л о н о с и т е л я ^

( п р и

WT = WB) 1 - 0 ;

2 - 1 ;

3—2;

графически.

Обычно

число

ступеней

4 - 5

редко бывает больше трех-четырех. Вы

сота

перетоков ограничивает число камер,

так как высоту слоя вы

бирают

из расчета

самотечного

перетока.

Если

делать

перетоки

с побуждением (эжекционные), то их высота

не будет

зависеть от

перепада

давлений между

камерами [17].

Теплообмен

в потоке

газовзвеси

(в

«падающем»

слое)

Теплообмен

потоке

газовзвеси

проходит

путем конвектив

ной

и рациационной

теплоотдач

от газов к частицам

и теплопро

водности внутри частиц. Более нагретые частицы отдают тепло


газовому потоку			или менее	нагретым частицам при их соприкосно
вении.	Большое		значение	имеют скорость потока, концентрация
частиц в потоке			газовзвеси	и размеры частиц.
Теплообмен		определяют		по формулам в зависимости от аэро
динамического		режима газовзвеси [16]:
при 30 < ReT < 480
NuT = 0,mRe°r7\				(IV.50)
при	Rer = 40 н- 500
NuT = 0,3l6Re°T-\				(IV.51)

Эта формула пригодна и для расчета псевдоожиженного (кипящего) слоя.

При 480 < Rex < 2000

NuT	= 1,14/teS'5.				(IV.52)
В формулах		(IV. 50) — (IV. 52) при определении			критерия ReT
скорость	потока выбирают			относительную:
при противотоке
\\wB	=	w + wT;	wT =wB	— w,	(IV.53)
при восходящем			потоке
\|\|ау в	= йУ— wr;		wr=w	— wB;
при нисходящем			потоке


\\w	— дат = — w B ;	wT=w-}-wB.
Здесь w,	wB, wT — абсолютная,		взвешивающая и скорость твердой
	частицы.
Путь,	пройденный частицами,		будет
D =	(шв — w) (тт — тр ) = о)тт,		(IV.54)
причем движение частиц можно рассматривать как равномерное.

Для определения аэродинамического сопротивления «падающего слоя» следует использовать формулы, приведенные в работе [16].

Связь между поверхностью нагрева сыпучей насадки и ее объемом

Если принять насадку, состоящую из шариков, диаметром d3, то в случае идеальной поверхности количество шариков при массе

насадки	G,	кг,	будет:
n = - g - .										(IV.55)
		п а
	- 7 Г - Р
Полная	наружная			поверхность			насадки
f =	„я 4 =		5	^	т ( 1 -	в	) .			(IV.56)
Здесь	F — полная				поверхность насадки, м2 ;
V H a c		— объем насадки				(полный),		м8 ;
	d3	— эквивалентный				диаметр		частицы,	м (для	шариков
		d3	=	d,	для		других	частиц	можно	принять
		d3	=	0,75d);

е— свободный объем, заполненный газами или порозность насыпного слоя

g	Унас — Участ	j . Рт	( [ у
7 А.	А. Щукин		97

откуда
У,аст =	(1 —	e)VH a c .		(IV.58)
Здесь р — плотность			частиц,	кг/м3 ;
р т — насыпная			насадка,	кг/м3 .
Порозность	для	идеальных шариков е = 0,5 = const, в других

случаях она может изменяться в зависимости от формы частиц от 0,4 до 0,6.

Если считать, что в регенеративном теплообменнике для передачи необходимого количества тепла требуется поверхность F, м2 , а время

пребывания частиц (время		нагрева или охлаждения) обозначить т,
сек, то	количество насадки, находящейся в аппарате, будет
g - ~ m o - ~ ^ -		(IV.59)
Откуда	время пребывания	частицы
	6 0 0 Ы э р
	GT

Поверхность F определяют в зависимости от условий теплообмена. Число циклов (оборотов) составит

G	60
п — ~ или п = — об/мин.		(IV.60)
Регенеративные	вращающиеся	воздухоподогреватели

Регенеративные вращающиеся воздухоподогреватели по конст рукции и в изготовлении сложнее, чем трубчатые. У них имеются вращающиеся детали, и механическая часть должна быть очень надежной. Но эти недостатки компенсируются более компактной конструкцией регенеративных воздухоподогревателей типа Юнгстрем по сравнению со стальными трубчатыми воздухоподогревателями и они являются в настоящее время основным типом регенеративных воздухоподогревателей, устанавливаемых в СССР за парогенерато рами большой мощности.

Основным элементом воздухоподогревателей типа Юнгстрем слу
жит вращающийся цилиндрический ротор (рис. 32)	с размещенной
в нем поверхностью нагрева (набивкой). Набивку	выполняют из
профилированных листов, собранных в съемные пакеты. Для набивки

используют дешевую сталь (марки Ст. 3)	толщиной 0,6 мм. Разный
профиль листов позволяет при их взаимной сборке в пакеты получить
каналы для прохода теплоносителей. Поверхность каждого листа
омывается теплоносителем одновременно с двух сторон. Такая кон
струкция поверхности нагрева позволяет повысить ее коэффициент
компактности до 250—350 м 2 /м 3 и выше,	что намного больше, чем
у трубчатого воздухоподогревателя, для	которого он составляет

30—60 м2 /м3 . Нужно, однако, иметь в виду, что сам принцип дей ствия регенеративного теплообменника требует вместо одной — две поверхности нагрева. Даже с учетом этого объем, занимаемый насад-

кой, будет в два-три раза меньше объема, занимаемого трубчаткой рекуперативного воздухоподогревателя. Малые эквивалентные диа метры каналов набивки (диаметры набивки, применяемой в СССР,

равны 7,8 и 9,9 мм) позволяют повысить степень турбулизации потоков теплоносителей по сравнению со степенью турбулизации в рекуперативных воздухоподогревателях. В итоге существенно снижается как объем воздухоподогревателей, так и затраты металла на их изготовление, что является преимуществом вращающихся аппаратов этого типа. По данным, полученным на Подольском маши ностроительном заводе им. Орджоникидзе [9], для равных условий


Р и с . 32. Схема	в р а щ а ю щ е г о с я		р е г е н е р а т и в н о г о		в о з д у х о п о д о г р е в а т е л я	типа Юнгстрем:
а — о б щ а я схема аппарата; /		— вал ротора;		2 — ротор; 3 — н а р у ж н о е		уплотнение; 4 — н а
р у ж н ы й к о ж у х ;	5 — п а т р у б к и	д л я в о з д у х а ; 6		— газовые патрубки; б — отдельные			пластины
р а з л и ч н о й формы; в — секция			с пластинами;	г — у п р о щ е н н а я схема у п л о т н е н и я ;			7 — н о ж и
п е р и ф е р и й н о г о	у п л о т н е н и я ;	8	— у п л о т н и т е л ь н а я		пластина

масса поверхности нагрева регенеративного воздухоподогревателя составляет 30—40% от массы поверхности нагрева трубчатого воз? духоподогревателя.

Общая же масса регенеративного воздухоподогревателя состав ляет 50—70% от соответствующей массы трубчатого рекуператив ного.

Масса металлической насадки (поверхности нагрева) является главной составляющей общей массы теплообменника, она зависит во-первых, от интенсивности теплообмена, во-вторых, от удельной поверхности нагрева (коэффициента компактности), ма /м3 , объема насадки и от ее порозности. И хотя во вращающихся регенеративных воздухоподогревателях процесс теплопередачи протекает также слабо, и общий коэффициент теплопередачи мал и не превышает 8—12 ккал/(м2 • ч • град), общая масса насадки получается меньше общей массы труб рекуперативного воздухоподогревателя в резуль тате большой компактности поверхности нагрева.

Органическим недостатком этих аппаратов являются большие присосы воздуха в поток дымовых газов, которые увеличивают расход электроэнергии на привод тяго-дутьевых машин и вызывают

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 910 / 2810 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ