Komina_yakovlev_uchebn

Теплопроизводительностьэкономайзера, кДж/ч, вычисляется по формуле

где k – коэффициент теплопередачи от греющего теплоносителя к нагреваемому;

F – площадь поверхности насадки в единице объёма, м2/м3;

tсрг – средняятемпературагреющеготеплоносителявтеплообменнике, °С;

tсрн – средняя температуранагреваемого теплоносителяв теплообменнике, °С.

Средняя температура греющего теплоносителя в контактном экономайзереопределяетсякаксреднеарифметическая полусумма температургреющего теплоносителя на входе и выходе из контактного экономайзера, °С, по формуле

Средняятемпературанагреваемогоорошаемоготеплоносителя в контактном экономайзере находится как среднеарифметическая полусумма температур нагреваемого теплоносителя на входе и выходе из контактного экономайзера, °С, по формуле

Коэффициент теплопередачи от греющего теплоносителя к нагреваемому, кДж/м2 ч град, определяется по формуле

где Ki – критерий Кирпичёва;

Οг – коэффициент теплопроводности греющего теплоносителя, кДж/м ч град;

dэкв – эквивалентный диаметр насадки, м. Критерий Кирпичёва находится по формуле

где Reг – критерий Рейнольдса для греющего теплоносителя;

Reн – критерий Рейнольдса для нагреваемого теплоносителя;

Prг – критерий Прандтля для греющего теплоносителя. Эквивалентный диаметр, м,

где V – свободный объём насадки, м3/м3;

F – площадь поверхности насадки в единице объёма, м2/м3. Критерий Рейнольдса для греющего теплоносителя опреде-

ляется по формуле

где wг – скорость греющего теплоносителя в свободном сечении насадки, м/с; Θг – коэффициент кинематической вязкостигреющеготеплоносителя, м2/с.

Площадь поперечного сечения насадки теплообменника для прохода греющего теплоносителя, м2,

где Vг – расход греющего теплоносителя через контактный теплообменник, м3/ч;

wг – скорость греющего теплоносителя в теплообменнике, м/с. Расход нагреваемого (орошаемого) теплоносителя через кон-

тактный экономайзер, м3/ч, определяется по формуле

где cн – средняя объёмная теплоёмкость нагреваемого теплоноси-

теля в области температур t'2 и t"2 , кДж/м3 град. Критерий Рейнольдса для нагреваемого теплоносителя

Θн – коэффициент кинематической вязкости нагреваемого теплоносителя, м2/с.

Интенсивность орошения, м3 / м2 с, определяетсяпо формуле

где S – площадь поперечного сечения насадки теплообменника для прохода греющего теплоносителя, м2. Вычисляется по форму-

ле (6.8);

V2 – часовой расход нагреваемого теплоносителя, м3/ч. Определя-

ется по формуле (6.9).

Площадь необходимой смоченной поверхности насадки теплообменника, м2,

где Κ – КПД теплообменника.

Необходимыйобъёмнасадкиконтактноготеплообменника, м3, определяется по формуле

где F – площадь поверхности насадки в единице объёма, м2/м3.

ПРИМЕР РАСЧЁТА

Выполнить расчёт контактного экономайзера, нагревающего воду от 25 до 65 °С для нужд горячего водоснабжения предприятия. КПД теплообменника 95 %. Продукты сгорания охлаждаются от 150 до 70 °С. Расход про-

дуктов сгорания V1 160 м3ч . Свободный объём насадки V = 0,5 м3/м3. Площадь поверхности насадки в единице объёма F = 80 м2/м3. Скорость продуктов сгорания в живом сечении насадка wг 2,5 мс. Определить расход горячей

воды (нагреваемоготеплоносителя), площадьомываемой поверхностииобъём насадки.

РЕШЕНИЕ

Средняя температура продуктовсгорания в теплообменнике вычисляется по формуле (6.2):

Средняятемператураводывтеплообменникеопределяетсяпоформуле(6.3):

Расходводывконтактномтеплообменникерассчитываетсяпоформуле(6.9):

Площадь необходимой смоченнойповерхности насадкиконтактного теплообменника определяется по формуле (6.12):

Коэффициенттеплопроводностидляпродуктовсгораниясреднегосостава при температуре 110 °С

Οг 11,34 10 2 кДжм2 ч град. Критерий Кирпичёва определяется по формуле (6.5):

Ki 0,01 Re0,7г Re0,7н Prг0,3 0,01 27570,7 560,7 3,980,3 64,86.

Эквивалентный диаметр насадки вычисляется по формуле (6.6):

Площадь поперечного сечения насадки теплообменника для прохода греющего теплоносителя определяется по формуле (6.8):

КритерийРейнольдсадляпродуктовсгораниянаходитсяпоформуле(6.7):

Коэффициенткинематическойвязкостипродуктов сгоранияпритемпературе 110 °С

Θг 22,67 10 6 м2с.

Интенсивность орошения определяется по формуле (6.11):

Критерий Рейнольдса для воды вычисляется по формуле (6.10):

где Θн – коэффициент кинематической вязкости воды при температуре 45 °С;

Θн 0,61 10 6 м2с.

Критерий Прандтля для воды при температуре 45 °С

Prн 3,98.

Объёмнасадкиконтактногоэкономайзераопределяетсяпоформуле(6.13):

Глава 7. СХЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯТЕПЛОТЫ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ГАЗОВОГО ТОПЛИВА В СИСТЕМАХ ТГС С ПРИМЕНЕНИЕМ РЕКУПЕРАТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ

Рекуперативныетеплообменныеаппаратыустанавливаютсяза топками тепловых агрегатов по ходупродуктов сгорания и осуществляют утилизацию (отбор с дальнейшим использованием) теплотыпонизшейтеплотесгораниятоплива. Температурауходящих

газовзарекуперативнымитеплообменникаминедолжнаопускаться ниже 150160 °С. Впротивном случае в газоходах и дымовой трубе может наступить конденсация водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, что недопустимо.

Устанавливаемые за тепловыми установками рекуператоры, какправило, используютсядля подогревадутьевоговоздуха, который подаётся на горение непосредственно в саму тепловую установку, дляподогревагазовоготоплива, атакжемогутбытьиспользованыдляподогреватеплоносителястороннихпотребителейтепла на производственные и непроизводственные нужды.

Для производственных нужд может производиться выработка горячей воды с различными выходными параметрами температуры теплоносителя, используемого для приготовления бетонных смесей и других технологических целей.

Могут производиться подготовка горячей воды для непроизводственных или хозяйственно-бытовых нужд, подогрев приточного воздуха для систем вентиляции в зимнее время, выработка теплоносителя для системы отопления.

На рис. 6 показанасхема использования теплоты уходящих газовпутёмподогревавторичноговоздуха. Вентилятор2 забираетхолодный воздух и подаётего в рекуперативный теплообменник (воздухоподогреватель) 3. В воздухоподогревателе воздух подогревается и затем направляется в тепловую установку 1. При реализации такой схемы воздух, подаваемый в топку, удаётся подогреть до 300400 °С, что обеспечит подъём КПД установки на 1015 %. Однакоутакойсхемытемпературауходящих газовдостаточновелика.

Реализация схемы двухступенчатого использования теплоты уходящих газов путём подогрева вторичного воздуха и холодной воды, используемой в системе горячего водоснабжения (рис. 7), позволяет повысить КПД промышленных печей до 5060 %, а котельныхустановокиещёвыше. Вэтусхемудополнительнозавоздухоподогревателемвключенвторойрекуперативныйтеплообменник 5, который подготавливает горячую воду для производственных или хозяйственно-бытовых целей. Температура уходящих газовзавторымтеплообменникомнаходитсявпределах130150 °С.

Горячий воздух

Рис. 6. Схема использования теплоты уходящих газов путём подогрева вторичного воздуха:

1 – тепловая установка; 2 – вентилятор вторичного дутья; 3 – рекуперативный теплообменник (воздухоподогреватель)

Рис. 7. Схема двухступенчатого использования теплоты уходящих газов путём подогрева вторичного воздуха и холодной воды:

1 – тепловая установка; 2 – вентилятор подачи вторичного воздуха; 3 – воздухоподогреватель; 4 – рекуперативный теплообменник; 5 – бак; 6 – насос сети горячего водоснабжения

Глава8. ГАЗОГОРЕЛОЧНЫЕУСТРОЙСТВА

8.1. Требования, предъявляемые к горелкам для промышленных печей

Газовая горелка – устройство, обеспечивающее подачу определённого количества горючего газа и окислителя (воздуха и кислорода), создание условий их смешения, транспортировкуобразовавшейся смеси к месту сжигания и сгорание газа.

Требования, предъявляемые к горелкам:

создание условий для полного сгорания газа с минимальнымиизбыткамивоздухаивыходомвредных веществвпродуктах сгорания;

наличие пределоврегулирования, не меньших, чемтребуемое изменение тепловой мощности агрегата;

обеспечение необходимой теплопередачи и максимального использования теплоты газового топлива;

отсутствие сильного шума, уровень которого не должен превышать 80 дБ;

простота конструкции, удобство ремонта и безопасность в эксплуатации;

возможностьпримененияавтоматикирегулированияибезопасности;

соответствие современным требованиям промышленного дизайна.

8.2. Выбор типа горелок к промышленным печам

Выбор давления газа в сети газоснабжения промпредприятия зависит от принятого давления для газовых горелок и от давления газа в точке подключения предприятия к распределительному газопроводу.

Выбор типа и конструкции горелок для печей определяется рядом условий, а именно: конструкцией, тепловым и температур-

ным режимом печи, условиями сжигания газа и его свойствами, наличием автоматического регулирования процесса сжигания, необходимостью использования резервного топлива и др.

При выборе типа горелки можно руководствоваться следующими рекомендациями, которыедолжнывкаждомотдельномслучае уточняться с учетом реальных условий:

1.Диффузионные горелки целесообразно применять в печах

идругихтепловыхагрегатах, имеющихкамерусгораниязначительной длины и требующих равномерного нагрева и длинного светящегося факела.

2.Инжекционныегорелкиследуетприменятьвмалыхкотлах, небольших и средних тепловых агрегатах с относительно постоянным тепловым режимом в рабочем пространстве.

3.Горелки с принудительной подачей воздуха целесообразно устанавливать в тепловых агрегатах с различными тепловыми нагрузками, работающих с постоянным и переменным режимами на холодном и подогретом воздухе.

4.Комбинированные горелки следует применять в тепловых агрегатах, не допускающих перерыва в работе, а также на буферных потребителях газа.

Если можно использовать горелки при низком и среднем давлении, нужно отдавать предпочтениегорелкамсреднегодавления, исключение составляют горелки небольшой производительности. Применение горелок среднего давления позволяет уменьшить диаметры газопроводов и габариты газогорелочных устройств.

Одним из основных требований, предъявляемых к горелкам, являетсяобеспечениедостаточныхпределоврегулированияпорасходу газа. Различают минимальную, номинальную и максимальную тепловую мощность горелки.

Давлениегаза, соответствующееуказаннымтепловымнагрузкам, называется соответственно минимальным, номинальным

имаксимальным.

Диапазоном устойчивой работы горелки (пределомрегулирования) называется отношение максимальной тепловой мощности горелки к минимальной:

Диапазону устойчивой работы горелки по тепловой мощности(нагрузке) соответствуетдиапазонустойчивойработыподавлению в следующем соотношении:

Величина диапазона зависит от типа горелки и её конструкции, вида газообразного топлива, температуры газа и воздуха, коэффициента расхода воздуха, а также от способа регулирования соотношения газ – воздух. Практически диапазон устойчивой работы горелки определяется давлением газа, при котором происходят проскок и отрыв пламени или другие нарушения процесса горения (погасание пламени, увеличение недожога топлива).

8.3. Общие рекомендации по выбору типа горелок для промышленных печей

Вбольших нагревательных печах (с большим объёмом рабочего пространства) рекомендуются двухпроводные горелки, дающиерастянутыйфакелиобеспечивающиеравномерноераспределение температуры в объёме. В малых нагревательных печах обычно используют короткопламенные горелки как инжекционные среднего давления, так и двухпроводные различных типов.

Втермических печах могут использоваться горелки любых типов, обеспечивающие полноесжиганиегаза. Необходимо, однако, иметь в виду, что диапазон регулирования тепловой нагрузки термических печей может достичь 1:10, а температура в рабочем пространстве может быть нижетемпературы устойчивого горения природного газа, что сильно усложняет организацию устойчивого сжигания топлива. Дляполучения равномерногонагревавнекоторых конструкциях печей газ сжигается с помощью большого чис-

ла горелок небольшой производительности, но при этом усложняется обслуживание таких печей.

При наличии у печи рекуператора установка инжекционных горелок практически исключается, так как, во-первых, сопротивление рекуператора затрудняет нормальную работу горелки, вовторых, при остановке печи (при выключении горелки) воздух перестаёт проходить через рекуператор, который может прогореть.

Подогреввоздухадо400150 °Спрактическиневлияетнавыбор типа горелки. Но необходимо учитывать, что объем воздуха при нагревании увеличивается и при сохранении давления весовой расход воздуха снижается, а следовательно, снижается теплопроизводительность горелки.

Притемпературахвоздухасвыше400 °Стребуетсяприменять горелки специальных конструкций с водоохлаждающими носикамиилигорелочнымиплитамииз жаропрочныхсплавов. Приподачек печигаза низкого давления (Рг < 5000 Па) обычноиспользуют двухпроводные горелки, при подаче газа среднего давления – как двухпроводные, так и инжекционные.

Применениедвухпроводныхгорелокприводиткдополнительным затратам электроэнергии на привод вентилятора (стоимость тепла увеличивается на 1015 %). Однако это увеличение компенсируется установкой рекуператора с температурой подогрева воз-

духа до 150250 °С.

При установке большого числа горелок небольшой производительности легче обеспечить равномерный нагрев металла и избежатьнагрева отдельных участков кладки и металла, но при этом усложняются эксплуатация и автоматизация печи, поэтому следует стремиться к установке меньшего количества горелок, но не в ущерб необходимой равномерности нагрева.

В автоматизированных печах горелки объединяются в группыпозонамрегулирования, изменениерасходагазаивоздухапроизводится обычно для всей группы, поэтому необходимо обеспечивать максимально возможную равномерность распределения расходагазаи воздухамеждуотдельнымигорелкамизоны. Диапа-

зонустойчивой работыдвухпроводных горелок, регулируемых автоматически, значительно сокращается. В этом случае должны приниматься специальные меры по обеспечению надёжной и безопасной эксплуатации автоматизированных печей.

Подбор газогорелочных устройств производится по типовым альбомам или справочной литературе.

Газковсемгорелкамбольшойпроизводительностиподводится с помощью колена, снабжённого смотровым патрубком.

8.4. Горелки типа «труба в трубе» конструкции «Стальпроекта»

Этигорелкипредназначеныдляустановкинапромышленных печах различных конструкций. Общий вид горелок «труба в трубе» показаннарис. 8, аконструктивныеразмерыприведенывсправочной литературе или прил. V.

«Стальпроектом» разработаны горелки типа «труба в трубе» трёх серий: малой тепловой мощности – серия М, средней тепловоймощности – серия C и большой тепловой мощности– серияБ. Каждаясерияимеетдваисполнения: длягазовсвысокойтеплотой

Конструкциягорелокпозволяетприменятьгази(или) воздух, подогретые до 400 °С.

Рекомендуемоемаксимальноедавление газаперед горелкой– 6 кПа, минимальное, определяемое возможностью работы приборов автоматического регулирования, – 0,1 кПа.

Горелки типа «труба в трубе» малой, средней и большой тепловой мощности различаются размерами и конструктивным исполнением, а горелки для газовс высокой и низкой теплотой сгорания– соотношениемпроходныхсеченийдлявоздухаигаза. Номинальноеихделениеявляется, однако, условным, посколькуприопределённых соотношениях давлений и температур подогрева газа

Газ

Рис. 8. ГорелкаДВС и ДВБ конструкции «Стальпроекта»

и воздуха, теплоты сгорания газа и коэффициентов расхода воздуха теплопроизводительность горелки серии С может оказаться выше, чемгорелки серииБ, и, наоборот, длясжиганиягазаснизкой теплотой сгорания может потребоваться горелка исполнения В.

Соотношениескоростейгазаwг ивоздухаwв ввыходныхсеченияхгорелкирекомендуетсявыбиратьвпределах1 : 21 : 4, скорость истечениягаза изсоплапри этом недолжнапревышать 100 м/с.

Минимальнуюсреднююповыходномусечениюскоростьсмесиwсм следуетпринимать неменее5 ине более40 м/с. Приуказанныхпараметрах потоковгорелкиэтоготипаидругиеаналогичные = 1,01,05 растянутый по длине факел; при = 1,101,15 факел укорачивается.

Главные преимущества горелок типа «труба в трубе» – возможность получения высоких скоростей продуктов сгорания, использованиеподогретоговоздухадо500 °С(игаза), атакжеширокие пределырегулирования мощностии малые габаритныеразмеры.

8.5. Горелки ГНП конструкции «Теплопроекта»

Горелки типа ГНП (9 типоразмеров), разработанные институтом«Теплопроект» (рис. 9), широкоприменяютсявпромышленных печах и сушилах. Они рассчитаны на сжигание природного газа. Номинальноедавлениегаза– 2,4 кПа, воздуха– 1,6 кПа. Вгорелках типа ГНП использована подача в закрученный лопатками воздушный поток однойцентральной газовой струи (соплотипаБ) или нескольких струй, истекающих под углом 45° к оси горелки (сопло типа А). Во всем диапазоне рабочих нагрузок горелки устойчиво работают при = 1,05. Горелка с соплом типа А позволяет организовать более устойчивый факел, чем горелка с соплом типа Б, однако различия в длине факела при использовании сопел типов А и Б практически нет. Горелки могут работать с воздухом, подогретым до 500 °С. Они выполнены из литых деталей и крепятся на печи с помощью горелочной плиты. Технические характеристики горелок ГНП и номограммы для их подбора приведены в прил. IV.

96

а

б

Рис. 9. Горелки ГНП конструкции «Теплопроекта»:

a – с многосопловым наконечником; б – с односопловым наконечником; 1 – насадка; 2 – корпус; 3 – газораспределительное устройство;

4 – наконечник; 5 – завихритель; 6 – фронтовая плита

97