книги из ГПНТБ / Кривандин В.А Керамические рекуператоры

Глава VI

РАСЧЕТ КЕРАМИЧЕСКИХ РЕКУПЕРАТОРОВ

1. Общая схема расчета

Обычно целью расчета рекуператоров является определение величины поверхности нагрева, необходимой для обеспечения по­ догрева нужного количества воздуха до требуемой температуры. Иногда приходится решать обратную задачу.

Для определения необходимой поверхности нагрева F, а сле­ довательно, и размеров рекуператора по выражению (13) необ­ ходимо знать суммарный коэффициент теплопередачи К- С дру­ гой стороны для определения величины К необходимо знать раз­ меры рекуператора, без которых невозможно определить скоро­ сти движения газообразных сред и, как следствие, невозможно получить значение локальных коэффициентов теплоотдачи па дымовой и воздушной сторонах рекуператора. В силу отмеченно­ го выше задача расчета рекуператора решается подбором в следующей последовательности.

Тепловой баланс рекуператора

Для определения температуры отходящего из рекуператора дыма составляют тепловой баланс рекуператора с учетом потерь в окружающую среду, принимаемых обычно в размере 10% от общего количества тепла, оставляемого в рекуператоре дымовы­ ми газами. При составлении теплового баланса необходимо учесть утечку воздуха в дымовые каналы, которую для боль­ шинства конструкций целесообразно принимать в пределах от

ного количества воздуха, поданного в рекуператор. Уравнение

133

расчете рекуператора.

Параллельно с расчетом теплового баланса уместно опреде­ лить необходимое для последующего расчета количество тепла,

можно определить среднюю для всей поверхности нагрева раз­

арифметической разности температур.

При определении средней разности температур необходимо учитывать взаимный характер движения газообразных сред, вводя в некоторых случаях поправку' на перекрестный ток. Для рекуператоров, выполненных из восьмигранных карбошамотных труб, при установке их на нагревательных колодцах или сталеплавильных печах указанной поправкой можно пренебречь, поскольку там имеет место многократный перекрестный ток. При установке шамотного или карбошамотного рекуператора на мето­ дических нагревательных печах поправку на перекрестный ток необходимо учитывать.

Определение суммарного коэффициента теплопередачи

Для определения величины К целесообразно задаться не размерами рекуператора, а скоростью движения дымовых га­ зов и воздуха. Так, для рекуператоров нагревательных колод­ цев целесообразно принимать скорость воздуха (при 0°) от 0.8 до 1,2 м/сек, скорость дымовых газов (также при 0°) от 0,5 до 0,8 м/сек. При расчете рекуператоров к сталеплавильным пе­ чам скорости соответственно могут быть приняты wB0 = 0,9 —

—1,5 м/сек и = 0,7—1,0 м/сек, для рекуператоров методиче-

134

ских печей ге£=0.7—1 м/сек и геЯ=1,2—2 м/сек. Зная ско­

рости движения и температуры газообразных сред, можно опре­ делить локальные коэффициенты теплоотдачи на воздушной и дымовой сторонах. Полученные по расчету коэффициенты тепло­ отдачи конвекцией на дымовой и воздушной стороне могут быть увеличены на 10% из-за шероховатости стенок рекуператив­ ных элементов. Следует определять К отдельно для верха и низа рекуператора и пользоваться для дальнейшего расчета средней величиной.

Для расчета суммарного коэффициента теплопередачи надо отметить два специфических обстоятельства.

1.При расчете рекуператора сталеплавильной печи необхо­ димо учитывать запыленность дымовых газов плавильной пылью, количество которой, как показывают исследования, до­ стигает ощутимой величины. Для этого может быть использо­ ван метод, освещенный ib § 1 гл. IV.

2.Суммарный коэффициент теплопередачи для шамотного рекуператора системы Чапман-Штейн следует определять так же, как для оребренной поверхности, по следующему выраже­

нию [41]:

где F и Fop —соответственно основная поверхность теплооб­ мена и поверхность оребрения, м2.

Применение подобного выражения вызвано следующими обстоятельствами. Рассматривая конструкцию рекуператора (рис. 17, сечение Г—Г), легко заметить, что поверхность воз­ душных каналов, обращенная внутрь блока, не принимает уча­ стия в теплообмене с дымовыми газами, а часть поверхности (меньшие грани, шириной 42 мм) принимает участие в тепло­ обмене аналогично поверхности ребер в металлических реку­ ператорах. Следовательно, поверхность нагрева рекуператора со стороны воздуха можно рассматривать и рассчитывать как

F -I- Fop

Определение поверхности нагрева и размеров рекуператора

Для определения поверхности нагрева пользуются выраже­ нием (13).

Деля общую поверхность нагрева рекуператора на удель­ ную поверхность, характерную для каждой конструкции, легко получить объем рекуператора и перейти к определению его раз­ меров. Методика определения размеров рекуператора ясна из ни­ же рассмотренных примеров.

135

Зная объем рекуператора, легко высчитать его стоимость. По данным сборника единичных расценок [54], средняя (по

районам страны) стоимость 1 т рекуперативных кирпичей может быть принята равной: для рекуператора системы Чапман- Штейн—2200 руб., для карбошамотного рекуператора—3700 руб. Учитывая, что 1 л3 насадки системы Чапман-Штейн весит 980 кг, а 1 л3 насадки карбошамотного рекуператора — 550 кг, легко получить стоимость 1 л3 рекуперативной насадки: стои­ мость керамических элементов 1 л3 карбошамотного рекуперато­ ра без накладных расходов составляет 2030 руб.; стоимость ке­ рамических элементов 1 м3 шамотного рекуператора системы Чапман-Штейн без накладных расходов составляет 2160 руб.

Стоимость работы при кладке 1 л3 насадки рекуператоров составляет 110—150 руб.

При расчете рекуператоров печей, работа которых характе­ ризуется переменной во времени тепловой нагрузкой, например, сталеплавильных печей, проведя расчет на максимальный рас­ ход топлива, необходимо провести, кроме того, поверочный рас­ чет на наименьший расход топлива.

2. Примеры расчетов

Пример 1. Расчет карбошамотного рекуператора нагреватель­ ных колодцев

Задание. Определить размеры и гидравлическое сопро­ тивление рекуператора из восьмигранных карбошамотных труб для установки на нагревательных колодцах с тепловой нагруз­

850°, коэффициент избытка воздуха п=1,2. Общая высота труб­ ки рекуператора 398 мм, полезная высота трубки 356 мм, на­

8330 нм3!час.

Величину утечки воздуха принимаем равной 20%; следова­ тельно, в рекуператор надо подать воздуха

6560 нм3!час.

0,8

Количество потерянного в рекуператоре воздуха составит 6560—

—5250=1310 нм31час. Схема работы рекуператора — многократ­ ный перекрестный ток. Воздух проходит между трубками, а ды­ мовые газы — внутри трубок. Температура воздуха: на входе в рекуператор t"R = 0°; на выходе из рекуператора /£=850°.

136

N2 = 7O°/o.

Определение суммарного коэффициента теплопередачи

Составим уравнение теплового баланса (39), считая, что те­ пловые потери составляют 10%. Для определения теплоемкости дымовых газов (приложение IX) на выходе из рекуператора за­ дадимся их температурой, равной 650°.

0,9 ■ 8330 (1250° • 0,375 — /д ■ 0,358) = = 5250 • 850 • 0,339 + 1310 /д • 0,332.

Решая это выражение относительно /J, получим /* = 640°.

Поскольку рекуператор данной конструкции работает по принципу многократного перекрестного противотока, поправкой на перекрестный ток пренебрегаем, и, таким образом, средняя ло­ гарифмическая разность температур равна

t „ (1250 - 850)-(640 - 0) _ 525О ср-лог" , 1250-850

2,31g -----------------

s 640 — 0

Для определения суммарного коэффициента теплопередачи К

коэффициент теплоотдачи по формуле (19). Для случая охлаж­ дения потока

137

По таблице (приложение VII) находим для воздуха три тем­ пературе 425° Л=4 -46 • 10-2 ккал/м ■ час ■ град-, v=67,13 ■ 10-6л12Усек и тогда

Яе = 2,56 ■ 0,22 = 838[)

67,13 ■ 10~6

Из номограммы (приложение IV) находим тц= 1,13; 42 = 1,01; ■>1з= I; произведение ni -4г •’>)з= 1,14.

«охл=-0,18 446q — /?е0,61 • 1,140 = 15,9 ккал/мг-час-град.

Для определения а* найдем с некоторым приближением сред­ нюю для всей поверхности нагрева температуру стенки трубы:

= 15,9/1,6 — 0,6 ■ 698= 18,5 ккал/.и--час. град.

\958 )

Если учесть влияние шероховатости стенок, то

*<в = 18,5 • 1,1 = 20,3 ккал/м2-час-град.

Коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне определяется из выражения

по приложению VII находим v= 162,3 • 10~6 м.2/сек.

138

Следовательно, имеет место ламинарный характер движения и поэтому применим формулу (16) или график (рис. 46), по ко­

торым найдем

а* = 6,8 ккал/м2-час-град,

Если учесть влияние шероховатости стенок, то а" = 6,8 • 1,1 = 7,48 ккал/м2-час-град.

=0,030; 0 =1,09.

По номограмме, приведенной в приложении V, /И = 80.

адЗЛ = (0>062 + 1,09 • 0,030) • 80 = 7,6 ккал/м2-час-град.

Среднее значение для коэффициента теплоотдачи излучением на дымовой стороне рекуператора равно

“дЗЛ = " 33 + 7,6 = 20,3 ккал/м2-час-град.

Общий коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне равен

ад = 20,3 + 7,48 = 27,78 ккал/.и2-час-град.

Определим коэффициент теплопроводности керамики реку­

139

к=____________________ !____________________

(Hr + T2’31g’F + ~JH--R‘p

Для определения поверхности нагрева рекуператора опреде­

Поверхность напрева рекуператора равна

Удельная поверхность нагрева составляет 8,5 м3/м3.

Объем рекуператоров без учета мест соединения труб будет равен

так как в нагревательных колодцах обычно ставят два рекупе­ ратора,-то полезный объем одного рекуператора составляет

-^-= 18,2 м3.

2

Количество продуктов горения начальное — 2,32 нм3/сек; конечное — 2,68 нм3/сек; среднее—2,5 нм3/сек. Определим на один рекуператор общую площадь отверстий для прохождения дымовых газов

^=Ч^=2’О8ЛЛ

Площадь отверстий для прохода дыма составляет 19% от общей площади зеркала рекуператора. На основании этого опре­ делим площадь поперечного сечения рекуператора, которая бу­ дет равна

= 11,0 м2.

0,19

Расход воздуха: начальный—1,82 нм3/сек; конечный — 1,46 нм3/сек; средний — 1,64 нм3/сек.

140

Средняя скорость воздуха принята равной 1 м!сек. Следовательно, необходимая свободная площадь для прихода воздуха составит

Полезная высота одного хода равна О',356 м, что при наруж­ ном диаметре трубы рекуператора 0,14 м и расстоянии между осями соседних труб 0,304 м (рис. 2 Г) дает 0,0585 м2 площади, свободной для прохода воздуха. ■ Следовательно, по ширине следует располагать следующее чис­ ло труб (на один рекуператор):

Общая ширина, учитывая расстояния от крайних труб до стенки рекуператора, будет равна

В -=(Р — 1)0,304 + 2-0,117 = 14-0,304 + 2-0,117 = 4,49 ж,

11,0

в то время как примерная длина рекуператора составит-^-^- =

= 2,44 м. Точнее, длина рекуператора при 8 трубах по длине

Таким образом, число воздушных ходов по высоте рекупера­ тора будет равно

1,72 с

-------------= о. 0,356

Высота кирпичей нижнего и верхнего перекрытия, а также про­ межуточных перегородок составляет 0,065 ж и, таким образом, полная высота рекуператора

0,356 -5 + 0,065 - 8 = 2,30 ж.

Часто для уменьшения гидравлического сопротивления по воздушному пути рекуператора наверху его делают два парал­

но заметить, что снизить сопротивление безусловно целесообраз­ но, но снижать *а в верхней, наиболее нагруженной в тепловом

отношении части рекуператора рискованно. Это будет способ­ ствовать перегреву керамики верха рекуперативной насадки.

Но если такой дополнительный ход выполнен, то общая вы­ сота рекуператора увеличивается на один ряд и увеличение по­ верхности нагрева компенсирует снижение а8к.

141