книги из ГПНТБ / Кривандин В.А Керамические рекуператоры
.pdfОпределение потерь давления по воздушному пути
Сопротивление по воздушному пути складывается из сопро тивления шахматного пучка и сопротивлений поворотов из одно го хода в другой. Сопротивлением трения пренебрегаем. Прежде всего необходимо решить, какое количество отверстий для про хода воздуха следует оставить открытыми в каждой промежу точной перегородке. Примем следующее распределение откры тых отверстий по ходам (табл. 19).
|
|
Таблица 19 |
|
|
Таблица 20 |
Перегородка |
Количе |
Коэффициент |
Поворот |
Темпера |
Скорость |
между |
ство рядов |
сопротивле |
между |
тура |
воздуха |
ходами |
открытых |
ния поворота |
ходами |
воздуха |
м/сек |
|
отверстий |
(рис. 63) |
|
°C |
|
1—11 |
4 |
15 |
I—II |
170 |
1.06 |
11—111 |
5 |
11 |
II—Ill |
340 |
1,02 |
III—IV |
6 |
8 |
III—IV |
510 |
0,98 |
IV—V |
7 |
7 |
IV—V |
680 |
0,94 |
Скорость воздуха, |
равная в среднем 1 |
м/сек, за |
счет просо |
||
сов на дымовую сторону изменяется от 1,1 м/сек на входе до 0,9 м/сек на выходе. Если считать распределение температур и скоростей по высоте рекуператора прямолинейным, падение тем
ператур в одном ходе составит — = 170°, а падение скорости
5
—------ — = 0,04 м/сек. Тогда значение скоростей и температур
5
при поворотах будут равны (табл. 20).
Определяем потери давления в отдельных поворотах по фор муле
h, „ = 15 |
,0ба 1,29 1'1 + |
= 1,79 мм вод. ст.; |
1-11 |
2-9,8 |
273 / |
^П—III '~~
1,022 |
|
1,29 (1 Н----= 1,69 мм вод. ст.; |
|
2 ■ 9,8 |
к |
||
273 / |
h = 8 -0,982- 1,29 (1 + —) = 1,45 мм вод. ст.;
111 1У 2-9,8 \ 273/
h |
=7 Р'942 |
1,29 ('1 -г |
1,42 мм вод. ст. |
IV~V |
2 ■ 9,8 |
\ |
273 / |
Общие потери давления при поворотах составят
1,79 + 1,69 + 1,45+ 1,42 = 6,35 мм вод. ст.
142
Потери давления при прохождении шахматного пучка труб опре деляют по формуле (38):
Аш. п = 0,82/С(т + 1),
где т — общее число рядов труб во всех ходах, через которое проходит воздух.
По длине каждого хода при шахматном расположении (2р— 1) =
= 16— 1 = 15 рядов труб. На каждый ряд открытых |
отверстий |
|||||||
приходится |
один |
ряд труб |
(рис. 21). |
Поэтому |
в |
первом ходе |
||
15 — 4 = 11 |
рядов труб, |
не занятых |
поворотом; во |
втором |
||||
15 — 4 — 5 = 6; в |
третьем 15 — 5 — 6=4; в четвертом |
|
15 — 6 — |
|||||
— 7 = 2; в |
пятом |
15—7 = 8. Общее число рядов труб, |
не заня |
|||||
тых поворотами: |
11+6 + 4+2 + 8=31. Удельное |
сопротив |
||||||
ление одного ряда труб k определяем |
по рис. |
62 |
при средней |
|||||
скорости движения воздуха. |
|
|
|
|
|
|||
|
|
= 1 ^1 Ч—= 2,56 м/сек. |
Оно равно 0,06. |
|||||
Аш. п = 0,82 • 0,06(31 + 1) = 1,58 Л1Л« вод. |
ст. |
|
|
|||||
Если в рекуператоре в верхней части |
предусмотрено два па |
|||||||
раллельных воздушных хода, то сопротивление шахматного пучка рассчитывают отдельно для четырех нижних и двух верхних ходов.
Определим геометрический напор, способствующий в дан ном случае движению воздуха:
л„ом = ^(-.в—
7» =----—9— = 0,51 кг/нм3;
Агеом = 2,30(1,29 — 0,51) = 1,80 мм вод. ст.
Таким образом, полные потери давления по воздушному пути рекуператора составляют
6,35+ 1,58— 1,80 = 6,33 мм вод. ст.
Определение |
|
потерь |
давления |
по |
дымов ому- |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пути |
|
|
|
|
|
|
Коэффициент сопротивления |
ч = 3 |
принимаем |
по приложе |
|||||||||||
нию VIII. Потери давления на преодоление местного сопротив |
|||||||||||||||
ления на |
входе в |
рекуперативные трубы (формула 37): |
|||||||||||||
|
, |
о |
0,62 |
|
1 |
on Л |
, |
1250 |
\ |
n on |
|
||||
|
Авхода = 3---- |
1 |
-----9,8 |
1,29 |
\ |
1 |
Ч--------- |
273 |
= 0,39 |
мм вод. ст. |
|||||
|
д |
|
2 - |
|
|
|
|
/ |
|
|
|
||||
Потери на трение (формула 35): |
|
|
|
|
|
||||||||||
, |
П ПС |
0,62 |
|
, |
on Л |
, |
|
|
945 |
\ |
|
2,30 |
о |
|
|
Лто |
= 0,05 |
—------ |
|
1,29 |
1 |
Ч--------- |
|
|
273 |
~------------ |
|
0.114 |
=0,11 мм вод. ст., |
||
тр |
|
2 • 9.8 |
|
|
\ |
|
|
|
/ |
|
|
|
|||
143
где 945— средняя температура дымовых газов. Потери давления на преодоление геометрического напора (формула 36)
, =-------- С29-------- = 0 29 кг/нл;3.
к273 )
Лгеом = 2,30(1,29 — 0,29) = 2,30 мм вод. ст.
Коэффициент сопротивления выхода из системы каналов в общий объем не исследовался. Однако известно, что внезапное расширение канала дает всегда в полтора-два раза большие по тери, чем внезапное сужение. Можно предположить, что выход из системы каналов будет вызывать большие потери, чем вход в систему каналов. Поэтому ориентировочно примем, что
5 |
|
= 2? |
|
^выхода |
|
^входа’ |
|
т. е. |
|
|
= 0,47 мм вод. ст. |
^выхода = 6 —1,29(1 + |
|||
2-9,8 |
\ |
|
273 / |
Полные потери давления по дымовому пути составят
= 0,39 + 0,11+ 2,30 + 0,47 = 3,27 лл вод. ст.
Пример 2. Расчет рекуператора для сталеплавильной печи (с учетом запыленности дымовых газов)
Задание. Определить размеры рекуператора из восьми гранных высокоглиноземистых (А12О3~60%) трубок высотой 398 мм, наружным диаметром 140 мм (рис. 21) для установки на сталеплавильной рециркуляционной печи с двусторонним отоплением емкостью 30—40 т. Топливо — мазут марки 80. Рас ход топлива — от 900 до 1500 кг!час. Коэффициент избытка воз духа 1,15. Необходимая температура подогрева воздуха 1100°. Расход воздуха: максимальный 18 800 нм3/час; минимальный
11300 нм31час.
Количество дымовых газов: максимальное 20 000 нм3/час; ми нимальное 12 000 нм3/час (приложение XI). Температура дымо вых газов при входе в рекуператор 1600°.
Начальная температура воздуха 0°. Утечка воздуха в рекупе раторе 20%. Потери воздуха в рекуператоре: максимальные 4700 нм3/час; минимальные 2800 нм3/час. Запыленность дымо вых газов 3 г/м3; размер пылинок 13—20 мк. Состав дымовых газов: О2 = 3%; Н2О= 9%; СО2= 12%; N2 = 76%. Расчет ведем на максимальный расход топлива.
Определение примерного коэффициента
теплопередачи
Составляем тепловой баланс (39), считая, что тепловые потери составляют 10%. Зададимся температурой дымовых газов на
144
выходе из рекуператора, равной 500°, и по приложению IX най дем теплоемкости дымовых газов и воздуха:
0,9 • 20 000 • 1600 • 0,386 — 0,9 • 20 000/д • 0,352 =
= 18800 • 1100° • 0,347 + 4700 Q • 0,327.
Решив уравнение относительно t* , получим *t =500°.
Определим среднюю арифметическую разность температур, пренебрегая поправкой на перекрестный ток, поскольку рассчи тываемый рекуператор будет работать по схеме многократного перекрестного противоточного теплообменника:
|
/ср. ар = |
(1600-1100)+ (500-0) |
= 50()о. |
|
Для определения суммарного коэффициента теплопередачи |
||||
принимаем среднюю скорость |
воздуха да® |
=1 м/сек и сред |
||
нюю скорость дымовых газов |
=0,8 м/сек. |
Коэффициент теп |
||
лоотдачи |
конвекцией |
на воздушной стороне |
(шахматный пу |
|
чок) а® |
определяем по выражению (20) и номограмме (прило |
|||
жение IV). Средняя температура воздуха
= 550°.
2
Средняя действительная скорость воздуха
да® = 1 (1 Н—1 — 3 м/сск.
По таблице, приведенной в приложении VII, находим для воз духа при температуре 550° : X = 5,08 • 10-2 ккал/м • час ■ град;
|
|
ч — 88,0 • |
10-6 мЧсек; |
|
||
|
|
|
|
w+nip |
|
|
|
|
|
Re =------- ; |
|
|
|
|
|
^ГНдР - |
= 0,22 м (рис. 21); |
|
||
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
Re = |
3 10 22 _ = 7500. |
|
||
|
|
|
88КГ6 |
|
|
|
Из номограммы, помещенной в приложении IV, |
находим: 4] = |
|||||
= 1,13; |
7)2=1,01; пз=1; |
произведение |
чгПг•’18=1,14. аожл = |
|||
= 0,18 5,08 ’ |
— Re0'6'-1,140= 17,0ккал/м?-час град. Для Опре- |
|||||
деления |
0,14 |
приблизительно |
найдем |
|
температуру |
|
а® |
среднюю |
|||||
стенки трубы: |
|
|
|
|
|
|
|
|
верх |
1600+1100 |
г пело. |
|
|
10 В. А. Кривандин |
145 |
виз = ,500 + о . = 250о
|
2 |
/ср |
1350 250 _ *800° |
I с |
2 |
|
ал — 17,0 ^1,6— 0,6 j = 19,2 ккал/м2~час. гра\
Учитывая величину шероховатости стенок, получим
а* = 19,2 • 1,1 =21,1 ккал/м.2-час. град.
Коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне определим по выражению
а= “д + аизл
д' д
По графику, приведенному на рис. 46, для w« =0,8 м/сек нахо дим сд = 6,8 ккал/м1 • час град.
Учитывая влияние шероховатости, получим
а* |
= 6,8 • |
1,1 = 7,48 ккал/м2-час-град. |
|||
Величину алзл |
определяем |
по |
методике, |
предложенной |
|
А. М. Гурвичем |
и др. |
(гл. IV, |
§ 1), |
используя |
формулы (22). |
(25), (26) и номограммы на рис. 47 и 48.
Для верха рекуператора (/д = 1600°). По формуле (25)
д-г = - |
0.3 + 1.6Рн |
|
/ |
1 — 0,38 |
|
Т |
\ |
= |
||
|
|
|
\ |
—I- |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
>ооо) |
|
||
_ 0,8 4-1.6-0,09 |
/ [ 0 38 |
|
1600 4- 273 \ |
= j |
86 |
1 |
||||
1^0,21 • 0.102 |
\ |
|
|
1000 |
/ |
|
|
|
ата-м |
|
Принимая диаметр пылинок равным 20 мк. получим по фор |
||||||||||
муле (26) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Кл = 7,0 |
1 |
|
= 0,006 |
м2/г. |
|
|||||
|
|
|
||||||||
|
|
1873“ |
|
■ 202 |
|
|
|
|
|
|
Для длинного цилиндра £Эф = 0,9 • d = 0,114 |
0,9 = 0,102; |
|||||||||
kS=(Kr Рсо1 + Н,о |
4-Кп -р) 3,ф = (1,86 |
0,21 4-0,006-3) 0,102 = |
||||||||
=0,0416. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Степень черноты запыленных газов определяют по выражению
(23):
ег + п = 1 — е-о,о41б о,О4.
146
Величину цтл для верха рекуператора определяют по формуле
|
|
|
1-(-М4 |
||
< 4.9 • |
*10 8 -^±± • гг + п *Т ------ = |
||||
|
|
z |
I__ |
1 ст |
|
|
|
|
|
|
тг |
= 4 9 • 10-8 |
0,85 + 1 |
] |
/ |
1623 \« |
|
- 0,04 • 18733 ------Li8?!/- = |
|||||
|
2 |
|
] |
_ 1623 |
|
|
|
|
|
“ 1873 |
|
|
= 39,2 |
ккал/м?. час-град. |
|
|
|
Для низа рекуператора (/д |
=500°): |
|
|
||
Хг = 0.8 Ч 1,6-О^ / j _ 0,38 273\ = 4f56------ 1------ . |
|||||
У 0.21 • 0,102 |
\ |
1000 У |
|
апга ■ м |
|
Кп = 7,0 1/---- Ц- = 0,0113 |
м2/г-, |
||||
У202 ■ 773г
kS =(4,56 • 0,21 + 0,0113 • 3) • 0,102 = 0,101;
е |
. = 1 — е |
=0,09; |
|
|
*1-У-р |
я"зл = 4,9 ■ 10 8 |
°’85"'. . 0,09 • 7733------- L-ZZLZ = |
|
д |
2 |
( 523 |
|
|
_ 773 |
|
= 4,62 ккал/Л12-час-град. |
|
Средний по всей поверхности нагрева коэффициент теплоотдачи излучением на дымовой стороне рекуператора будет равен
а |
изл |
— |
39,24-4.62 |
о 1 п |
ккал |
, о |
з |
д- ср |
-----------------2 |
=21,91 |
м-- |
час.град. |
|||
|
|
|
|
|
|
Суммарный коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне ра вен
ад = 21,91 -f- 7,48 = 29,39 ккал/м2-час-град.
Найдем величину коэффициента теплопроводности высокоглино земистого материала (табл. 3, гл. II) при средней температуре керамики 800°:
\ = 1,45 + 0,00002 • 800° = 1,47 ккал/м-час.град.
Определим суммарный коэффициент теплопередачи по выра жению (15):
Ю В. А. Кривандин |
147 |
|
|
|
|
1 |
|
|
/ |
1 |
1 |
„ , |
R? |
1 |
\ „ |
I |
7Г~ + |
|
2,3 1g ~p, |
f" |
Rep |
|
_______ ________._______ |
|
1_______________________ |
||||
1 |
1 |
2 |
j |
0,07 |
|
1 |
29,39 - 0,057 |
1,47 |
2’ |
8 |
0,057 |
+ 21,1-0,07 |
|
|
= 11,15 |
ккал/м2 • час ■ град. |
|
|||
Определение размеров |
рекуператора |
|||||
Для определения требуемой поверхности нагрева определим количество тепла, проходящее через поверхность нагрева (40):
Q„ = 18 800 - 1100 - 0,347 + • 0,347 -1100 =
— 8 065 000 ккал/часу
F = 8 065 000 = ]445
11,15-500
Так как величина удельной поверхности нагрева равна 8,5 м2/м3, получим общий объем рекуперативной насадки двух рекуперато ров
у= 1445 = 170 л(3 8,5
Общее количество дымовых газов
20 000 4 - 4 700 |
с ос |
, |
------------------3600 |
= 6,86 |
нм3 сек, |
|
|
или на одну сторону — 3,43 нм3!сек.
Необходимая площадь отверстий для прохода дымовых газов при принятой средней скорости 0,8 м/сек равна
fmE = |
= 4 29 лг2. |
0,8
Отверстия занимают 19% площади, следовательно, полная плог щадь зеркала рекуператора составит
4-29 |
пп с |
„ |
------- = |
22,6 |
м2. |
0,19 |
|
|
Откуда полезная высота будет равна
85 м3- = 3,76 м,
22,6 м2
что составляет — ю,5 труб по высоте. Принимаем три хода;
0,356
два высотой в три и один в четыре трубы. Полная высота реку ператора с учетом высоты кирпичей верхнего и нижнего перекры-
148
тий и промежуточных перегородок 0,356 |
10 + 0,065 |
13 = 4,405 м. |
||
Средняя скорость воздуха |
= 1 м/сек. |
|
|
|
Общий расход воздуха равен 18800 + 4700 |
= 6,54 нм3/сек, или на |
|||
одну сторону 3,27 нм3/сек. |
3600 |
|
|
в трех рядах |
Необходимое сечение |
||||
труб для прохода воздуха |
|
3 |
27 |
|
будет составлять—=3,27 м2, или |
||||
на один ряд 1,09 л2. Между соседними трубами приходится 0,0585 м2 площади для прохода воздуха (рис. 21), следователь но, в каждом ходе по ширине должно быть труб:
1,09 |
-+ 1 |
= 19,6, |
|
|
0,0585 |
|
|
||
|
|
|
|
|
принимаем 20 труб. С учетом |
расстояния от крайних труб до |
|||
стенок ширина хода: |
0,117 = 6,01 м. |
|
|
|
(р— 1)0,304 + 2 |
6 |
|
||
Примерная длина (по ходу воздуха) |
22 |
м. |
||
составит—+- = 3,76 |
||||
|
|
6,01 |
|
|
Площадь сечения для прохода воздуха через один ряд труб рав на (рис. 21):
6,01 • 0,356 — 20 • 0,14 • 0,356 =1,14 м2.
Поверочный расчет рекуператора сталеплавильной печи
Определим расчетным путем температуры подогрева воздуха и отходящих из рекуператоров дымовых газов, которые могут иметь место при работе рассчитанного выше рекуператора площадью 1445 м2 при минимальном расходе топлива 900 кг/час. Расход воздуха 11300 м3/час. Количество дымовых газов 12 000 м3/час. Изменение количеств воздуха и продуктов сгора ния повлечет за собой изменение суммарного коэффициента теп лопередачи К; поэтому поверочный расчет начнем с определения величины К.
Определение суммарного коэффициента теплопередачи
Секундный расход воздуха на один рекуператор составляет
1,57 нм3/сек.
Предположим, что температура подогрева воздуха будет око ло 1200°, а средняя температура стенки около 800°. Тогда средняя температура воздуха равна 600° и действительная средняя ско рость воздуха составит
„ |
1,57 |
/, . |
600 |
\ |
— |
, |
,с |
м |
сек. |
ю® = -------— |
1 Н--------- ) |
1,46 |
|||||||
' |
1,14 • 3 |
К |
273 |
,/ |
|
|
|
|
|
Для воздуха при температуре 600° |
|
|
|
10 ■-® |
м2/сек (приложе |
||||
X = 5,32 • 10-2 ккал/м ■ час • |
град', |
v=96,8 ■ |
|||||||
ние VII); |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10* |
149 |
|
|
/?е = |
1,42 ■ |
0,22 |
= 3320; |
|
|
|
93,8 • |
10~6 |
|
||
|
|
|
|
|
||
|
по формуле (19) аохл = 0,18-^- /?е0,61- |
= |
||||
|
|
|
|
а |
|
|
= 0,18- 5-32-' |
10~2 - • 332O0'61 • 1,14 = 11,0 ккал/м2-час-град; |
|||||
|
0,14 |
|
|
|
|
|
а следовательно, по формуле (20): |
|
|
|
|||
ак-- |
1 l,ofl,6 — 0,6-^—273-j = 12,25 ккал/м2-час. град. |
|||||
в |
1, |
|
800 -I- 273 / |
|
|
|
Коэффициент теплоотдачи конвекцией на дымовой стороне оста
ется неизменным и равным 7,48 ккал/м2 • |
час • град, поскольку |
скорость дыма при минимальном расходе |
топлива становится |
меньше и имеет место ламинарное движение, при котором ад не
меняется (рис. 46).
Определим коэффициент теплоотдачи излучением для верха и низа рекуператора.
Так как температура дымовых газов остается прежней, то ве
личина ег+п |
остается равной |
0,040. |
Коэффициент теплоотдачи |
|
излучением в верхней части рекуператора |
|
|||
|
= 1600 °t„ = --в°° + 1200 - = 1400°) |
|||
будет равен (22): |
|
/ |
1400 + 273 '< |
|
|
|
|
||
аизл = 4,9 • |
10~8 0,85 + 1 - • |
0,040 • |
18733 ----- 1600 + 27?..-. . = |
|
д |
2 |
|
1 |
1673 |
|
|
|
|
— 1873 |
41 ккал/м2-час.град.
Задаемся температурой дымовых газов в 450°; тогда, проведя со ответствующие расчеты, получим, что для низа рекуператора
г г+д = 0,095 и осдзл = 4,1О ккал/м2 • час-град.
Средний коэффициент теплоотдачи излучением на дымовой стороне рекуператора будет равен
“дЗЛ '■=■-■ 41 + 4,1 = 22.55 ккал/м2. час-град
и полный коэффициент теплоотдачи составит
ад = адзл + ад = 22,55 + 7,48 — 30,03 ккал/м2• час-град.
Используя полученные величины локальных коэффициентов теплоотдачи на дымовой и воздушной сторонах, нетрудно по вы ражению (15) определить суммарный коэффициент теплопере дачи в рекуператоре, который будет равен 8,30 ккал/м2 ■ час ■ град.
150
Для определения температуры подогрева воздуха и конечной температуры дымовых газов решим совместно два уравнения: первое, составленное на базе основного уравнения (13):
VB • с* *(t - t“) + -^- *с (^ - ф =
(^-ф+(/-* ”)
и второе уравнение теплового баланса рекуператора (39) при ра боте печи с расходом топлива 900 кг/час. Решив указанные два уравнения относительно fKB и i" , получим, что температура по
догрева воздуха равна 1160°, а температура отходящих дымовых газов 425°.
Таким образом, уменьшение тепловой нагрузки приводит к возрастанию температуры подогрева воздуха и снижению темпе ратуры отходящих из рекуператора дымовых газов.
Пример 3. Расчет шамотного рекуператора методической нагревательной печи
Задание. Определить размеры и гидравлическое сопротив ление по воздушному пути рекуператора из шамотных блоков (рис. 17) при установке его на методической печи, отапливаемой доменным газом (Qp = 890 ккал/нм3). Расход доменного газа
равен 15 000 нм3/час, температура подогрева воздуха 500°. Необ ходимое количество воздуха для горения (при п — 1,05) 1 м3 до менного газа составляет 0,755 нм3 (приложение XI). Следова тельно, полное количество воздуха будет равно
0,755 ■ 15 000 ; 11 300 нм3/час = 3,14 нм3/сек.
Величину утечки воздуха принимаем равной 10%; тогда в реку ператор необходимо подать воздуха
*' — = 12 550 нм3/час = 3,5 нм?/сек.
Количество потерянного в рекуператоре воздуха составит: 12 550— 11 300 - 1 250 нм3/час.
Среднее количество воздуха------ ------- |
= 3,32 нм3/сек. |
Количество дымовых газов, образовавшихся в результате горе ния 1 м3 доменного газа, составляет 1,6 нм3, отсюда полное коли чество образовавшихся дымовых газов будет равно
1,6 • 15 000 = 24 000 нм3/час = 6,7 нм3/сек.
Количество дымовых газов, отходящих из рекуператора (с уче том подсосанного воздуха), составит
24 000 + 1 250 = 25 250 нм3/час = 7 нм3/сек.
15!