Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оценка энергетической эффективности теплотехнологических установок промышленных предприятий. Учебное пособие
.pdf
К
=
α
дг
+
∑
1
δ
λ
; (6.12, а)
+
α
11
пгi
i
К
=
+
δ
λ
уг
+
δ
ст
+
α
дг
λ
ст
, (6.12, б)
11
α
пгуг
где αдг, αпг – коэффициент теплоотдачи со стороны дымовых газов и
со стороны природного газа, соответственно, Вт/(м2·°С);
δст – толщина теплопередающей стенки, м;
δуг – толщина слоя сажистого углерода, м;
λст, λуг – коэффициент теплопроводности стенки и слоя сажистого углерода, Вт/(м·°С).
Из выражения (6.12, б) видно, что чем больше сажистого углерода отложилось на поверхности нагрева, тем ниже будет коэффициент
теплопередачи.
б) природного газа на горение подается примерно в 10 раз мень-
1
ше, чем воздуха, поэтому теплосъем, который возможен в случае подогрева топлива, гораздо ниже, чем при подогреве воздуха.
В промышленности для подогрева воздуха используются рекуператоры и регенераторы различных конструкций. Первые используются для подогрева воздуха до температур до 500-600 °С, вторые для
подогрева воздуха до более высоких температур.
Рекуператоры из гладких стальных труб весьма разнообразны по
конструктивному оформлению. В таких рекуператорах воздух (или
газ) может идти внутри труб, а дымовые газы снаружи, и наоборот.
Трубы при помощи сварки крепят к трубным доскам коробок из листовой стали, служащих для подвода и отвода воздуха. Для рекуператоров применяют обычные цельнотянутые трубы с внутренним диаметром от 15 до 100 мм и толщиной стенки 2-5 мм. Как исключение,
в отдельных случаях применяют водогазопроводные трубы.
Так как рекуператоры из гладких труб обычно бывают цельносварными, в условиях эксплуатации они довольно газоплотны. Для подо-
101
грева воздуха рекуператоры из гладких труб применяют в основном на
нагревательных печах, где нецелесообразно устанавливать ни термоблоки вследствие их больших габаритных размеров, ни игольчатые рекуператоры, имеющие плохие показатели по газоплотности.
Как показал опыт использования стальных рекуператоров, конструкции рекуператоров с проходом дымовых газов внутри труб более
компактны и дешевы, чем конструкции с обтеканием дымовыми газами
труб снаружи, так как во втором случае требуется обязательно наличие
огнеупорной футеровки и металлоконструкций для её крепления.
Р и с. 6.4. Рекуперативный воздухоподогреватель:
1 – верхняя трубная доска; 2 – нижняя трубная доска;
3 – трубы рекуператора;
компенсатор
4 –
102
Конструкция подобного трубчатого рекуператора, предназначенного для печей среднего размера, приведена на рис. 6.4. Рекуператор
является четырехходовым по воздуху; схема движения воздуха противоточная. Направляющие воздушные перегородки размещены через все поперечное сечение рекуператора, а воздушная струя поворачивается при помощи внешних воздушных коробок. В результате использования такой конструкции в каждом ходе рекуператора создается перекрестный ток воздуха по отношению к току дымовых газов.
Отходящие дымовые газы проходят через рекуператор сверху вниз
согласно рис. 6.4, не меняя своего направления.
6.3. РАСЧЕТ СТАЛЬНОГО РЕКУПЕРАТОРА
В данном параграфе приводится методика расчета рекуперативного трубчатого воздухоподогревателя, конструкция которого аналогична конструкции, представленной на рис. 6.4.
На первом этапе проводится конструктивный расчет рекуператора.
В рекуператоре могут быть применены трубы из жаропрочной
стали, сохраняющей свои свойства при температуре до 800 °С.
Как правило, в начале известны температуры дымовых газов на
входе и выходе из рекуператора, или температура дымовых газов перед воздухоподогревателем и необходимая температура горячего
воздуха. Сначала определяется температура подогретого воздуха из
уравнения теплового баланса:
, (6.13)
tсVtсVtсVtсV '
⋅⋅+⋅⋅=⋅⋅+⋅⋅
отхдгрдггвврвотхдгрдгхвврв
....
где Vв, Vдг – расход воздуха и дымовых газов, соответственно, м3/с;
с
р.в
и с
– теплоемкость воздуха и дымовых газов, соответствен-
р.дг
но, кДж/(м3·0С);
tхв, tгв, t
отх
, t′
– температуры холодного и горячего воздуха, от-
отх
ходящих дымовых газов до рекуператора и после, соответственно,
103
°
С.
При определении температуры подогрева воздуха необходимо
(
)
⋅−⋅+⋅
⋅
в
дг
учитывать потери теплоты в окружающую среду через ограждающие
конструкции рекуператора, которые составляют от 7 до 12%.
Температура подогретого воздуха, °С:
'tсtсVtсV
= 1
t
гв
⋅
сV
в.рв
отхдг.ротхдг.рдгхвв.рв
( )
, (6.14)
ϕ−⋅
где φ – доля теплоты, теряемой через ограждающие конструкции.
Для дальнейших расчетов необходимо принять скорость воздуха
и дымовых газов. Скорость дымовых газов принимается от 3 до 5 м/с,
скорость воздуха от 7 до 10 м/с.
Общее сечение каналов для прохождения воздуха, м2:
V
в
, (6.15)
w
f =
в
где Vв – объемный расход воздуха, м3/с;
wв – скорость воздуха, м/с.
Общее сечение каналов для прохождения дымовых газов, м2:
V
дг
, (6.16)
w
f =
дг
где Vдг – объемный расход дымовых газов, м3/с;
wдг – скорость дымовых газов, м/с.
Как правило, дымовые газы идут внутри труб, а воздух обтекает
трубы снаружи. В рекуператоре наиболее частыми являются трубы
сечением 53/60 мм, т.е. имеющие внутренний диаметр d = 53 мм и
толщину стенки δ = 3,5мм.
Число труб на пути движения дымовых газов, шт:
f4
n =
д
, (6.17)
2
d14,3
где d – внутренний диаметр трубки, м.
Рекомендуется принять расположение труб шахматным и в газоходе расположение по прямоугольнику. Как правило, количество
труб в прямоугольнике больше чем расчетное количество. Поэтому
по выражению (6.17) уточняется площадь поперечного сечения для
104
дымовых газов, а затем по выражению (6.16) уточняется скорость
=
=
k
a
⋅
⋅⋅⋅α=
α
ν
⋅
дымовых газов.
Шаг труб в направлении движения потока воздуха (S1) и поперек
(S2) его принимается равным, мм:
d5,1SS
, (6.18)
нар21
где d
– наружный диаметр трубки, мм.
нар
Высота одной секции по ходу воздуха, м:
f
в
b
=
, (6.19)
где а – расстояние между стенками соседних труб, м;
k – число труб, расположенных по высоте.
Действительная скорость воздуха, м/с:
t
ср
273
, (6.20)
где
д
в
0
1ww
в
t
– средняя температура воздуха, °С.
ср
+=
Коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху, Вт/(м2·К):
CCС163,1
, (6.21)
фszнв
где αн – определяется по номограмме в зависимости от действительной скорости (рис. 6.5), ккал/(м2·ч·К);
С
, Сф – поправочные коэффициенты, которые также определя-
z
ются по номограмме (рис. 6.5);
С
=1,0
s
– поправочный коэффициент.
Действительная скорость дымовых газов, м/с:
t
ср
273
, (6.22)
где
д
дг
0
дг
+=
1ww
t
– средняя температура дымовых газов, °С.
ср
Критерий Рейнольдса:
dw
Re
=
, (6.23)
где ν – коэффициент кинематической вязкости, м2/с;
d
– внутренний диаметр трубки, м.
105
Р и с. 6.5. Номограмма для определения коэффициента теплоотдачи
от стенки к воздуху
106
При рекомендованных конструктивных и технологических характеристиках: d = 53мм и w0 = (3…5) м/с, режим течения потока будет переходный. Для определения коэффициента теплоотдачи от дымовых газов к стенке α′дг и поправочного коэффициента kиспользуют
номограмму, приведенную рис. 6.6.
Р и с. 6.6. Номограмма для определения коэффициента теплоотдачи
от дымовых газов к стенке
107
Коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке, Вт/(м2·К):
α⋅=
α
∆−∆
t
K
∆
⋅
'k
. (6.24)
дгдг
Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К):
1
К
=
α
+
δ
+
λ
, (6.25)
11
α
дгв
где λ – коэффициент теплопроводности стенки трубы, Вт/(м·К).
Среднелогарифмический температурный напор, °С:
tt
мб
, (6.26)
t
б
м
t
=∆
∆
ln
t
∆
где ∆tб и ∆tм – больший и меньший температурные напоры, °С. Схема
температурных напоров в рекуператоре приведена на рис. 6.7.
Р и с. 6.7. Схема температурного напора в рекуператоре.
t′дг, t″дг – температура дымовых газов на входе и на выходе рекуператора,
соответственно; tхв,tгв – температура холодного и горячего воздуха
Необходимая поверхность нагрева рекуператора, м2:
Q
F
=
, (6.27)
где Q – теплота, переданная дымовыми газами воздуху, Вт.
108
Длина труб, м:
гв
отх
−
L
= , (6.28)
тр
cp
nd14,3
⋅
где dср – средний диаметр трубы, м.
Согласно рис. 6.4 рекуператор по току воздуха имеет четыре секции. Высота одной секции определяется из выражения (6.19). Учитывая компенсатор и трубные доски, длину труб принимают на 10 %
больше расчетной.
Для определения правильности выбора материала трубок необходимо знать максимальную температуру её стенки.
Максимальная температура стенки, °С:
F
tt
−
гвст
, (6.29)
tt
=σ
где σ – показатель, определяемый в зависимости от отношения αв/αд
по рис. 6.8.
Р и с. 6.8. График для определения средней температуры стенки
109
(
)
+∆⋅⋅=
⋅ξ=
ξ
Если максимальная температура стенки ниже допустимой температуры, то материал трубки выбран верно. Если максимальная температура стенки выше допустимой, то следует выбрать более жаростойкую сталь.
На втором этапе проводится аэродинамический расчет рекуператора.
Потери давления, связанные с сопротивлением труб рекуператора
со стороны воздушного тракта, Па:
1zhCCh
2sdтр
, (6.30)
где Сd, ∆h – величины, которые определяются по номограмме, изображенной на рис. 6.9;
z2 – число труб (4 хода);
Cs – коэффициент, который принимается равным от 1 до 1,2.
Потери давления на повороты в переходных воздушных коробках
(поворот на 180°), Па:
где
2
w
h
пов
w
– скорость воздуха в переходных коробках при нормальных
0
0
2
ср
t
ср
+ρξ=
1
273
, (6.31)
условиях, которая принимается равной (5…7) м/с;
ρ
– плотность дымовых газов при средней температуре воздуха,
ср
кг/м3;
ξ – коэффициент сопротивления поворота.
Учитывая наличие направляющих перегородок и закруглений
наружных стенок коробок, обычно принимают коэффициент сопротивления при повороте на 90° в коробке ξ
= 1,0. В рассчитываемом
90
рекуператоре всего три коробки, причем в каждой из них струя воздуха поворачивается на 180°. Поэтому общий коэффициент сопротивления для всех коробок составит:
n
, (6.32)
9090
где ξ90 – коэффициент сопротивления поворота на 90°;
n
– суммарное число поворотов на 90° в рекуператоре.
90
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]