4. Расчёт конвективной поверхности нагрева печи.

Поверхность нагрева конвекционных труб определяют по формуле:

H_K = Q_К / (k₁*∆T_ср)

где Q_К − количество тепла, передаваемого сырью в конвекционных трубах, Вт; k₁ − коэффициент теплопередачи в конвекционной камере печи, Вт/(м²∙К); ∆T_ср − средний температурный напор, К.

Количество тепла, передаваемого сырью в конвекционных трубах:

Q_К = Q_полезн – Q_Р = 7580 – 6000 = 1580 кВт = 1,58*10⁶ Вт

Коэффициент теплопередачи в конвекционной камере вычисляется по формуле:

k₁ ≈ 1,1*(α₁+α_л),

где α₁ − коэффициент теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к трубам, Вт/(м²∙К); α_л − коэффициент теплоотдачи излучением от трёхатомных газов к трубам, Вт/(м²∙К)

Коэффициент α₁ определяем по формуле:

α₁ = С*β*λ_г/d_н*Re^0,6*Pr^1/3

где − постоянная, для шахматного пучка труб, равная 0,33; β − коэффициент, зависящий от числа рядов труб в пучке (полагая, что число рядов будет более 10, примем β=1); λ − коэффициент теплопроводности дымовых газов, Вт/(м∙К).

Критерии Re и Pr в формуле вычисляются при средней температуре дымовых газов в камере конвекции (определяющий размер – наружный диаметр труб). Скорость газов рассчитывается для самого узкого сечения пучка.

В камере конвекции устанавливаются трубы с полезной длиной l_тр=9,5 м, наружным диаметром d_н=102 мм и толщиной стенки мм. В каждой камере размещается змеевик для одного потока сырья. В каждом горизонтальном ряду его установлено в шахматном порядке по четыре трубы с шагом S=172 мм.

Найдём наименьшую площадь свободного сечения для прохода дымовых газов:

f_г=(b_к–n₁*d_н)*l_тр=[(n₁-1)*S+3*d_н–n₁*d_н]*l_тр=[(4-1)*0,172+

+3*0,102 - 4*0,102]*9,5=3,93 м²

где n₁=4 − число труб в одном горизонтальном ряду.

Определяем линейную скорость дымовых газов в самом узком сечении пучка по формуле:

ω=B*∑V_i*T_ср/(m*3600* f_г*273)

где Т_ср = 0,5 * (Т_п+Т_ух)= 0,5 * (1023+593)=808 К – средняя температура дымовых газов в камере; m=2 − число параллельно работающих камер или, в нашем случае, число потоков сырья.

Тогда

ω=714*15,31*826,5/(2*3600* 3,93*273)=1,17 м/с

Для определения критериев Re и Pr нужно вычислить для дымовых газов при Т_ср=808 К кинематическую вязкость, плотность, теплоёмкость и коэффициент теплопроводности.

Коэффициент динамической вязкости найдём по формуле:

M_г/μ_г = ∑(x'_i*M_i/μ_i)

где M_г,μ_г − молекулярная масса и динамическая вязкость дымовых газов; M_i − молекулярные массы компонентов дымовых газов; μ_i − динамические вязкости компонентов дымовых газов; x'_i − объёмные доли компонентов дымовых газов в смеси.

Все необходимые расчёты сделаны в таблице 1.18.

Таблица 1.18.

Компоненты дымовых газов		, кг/кг топлива	, масс. доля	, м3/кг	, объёмн. доля		, Па∙с
CO2	44	2,69	0,142	1,37	0,0896	3,95	0,041	96
H2O	18	2,18	0,115	1,71	0,177	3,17	0,027	118
О2	32	0,23	0,012	0,16	0,0104	0,33	0,045	7,4
N2	28	13,84	0,731	11,07	0,723	20,2	0,037	550
Сумма:	—	18,94	1,00	15,31	1,00	Мг=27,7	—	771,4

Тогда

μ_г = М_г / ∑(x'_i*M_i/μ_i) = 27,7 / 771,4*10³= 3,58*10^-5 Па*с

Плотность дымовых газов:

ρ_г = М_г/22,4 * Т₀/Т_ср = (27,7/22,4)*(273/808)=0,42 кг/м³

Кинематическая вязкость газов:

ν_г = μ_г/ρ_г = 3,58*10^-5/0,42 =8,52*10^-5 м²/с

Коэффициент теплопроводности дымовых газов найдём по формуле:

λ_г = ∑x'_i*λ_i

где λ_i − коэффициент теплопроводности компонентов дымовых газов.

Необходимые расчёты сделаны в таблице 1.19.

Таблица 1.19.

Компоненты дымовых газов	λi, Вт/(м∙К)	x'i*λi Вт/(м∙К)	сi кДж/(кг∙К)	Сi*xi кДж/(кг∙К)
СО2	0,057	0,0051	1,16	0,165
Н2О	0,072	0,0127	2,15	2,247
О2	0,063	0,00066	1,05	0,013
N2	0,057	0,0412	1,12	0,821
Сумма:	—	0,067	—	1,23

λ_г = 0,067 Вт/(м*К)

Теплоёмкость дымовых газов находим по формуле:

c_г = ∑c_i*x_i

где c_i − теплоёмкость дымовых газов; x_i − массовые доли компонентов в дымовых газах.

Результаты расчётов приведены в таблице 4.2, из которой и берём значение c_г=1,23 кДж/(кг∙К).

Находим значения критериев:

Re=ω*d_н/ν_г = 1,17*0,102/8,52*10^-5=1400

Pr=ν_г*с_г* ρ_г/ λ_г = 8,52*10^-5 * 1,23 *0,42*10³/0,067=0,66

После подстановки всех величин в формулу для вычисления α₁ получим:

α₁ = 0,33*1*0,067/0,102*1400^0,6*0,66^1/3=15 Вт/(м²*К)

Коэффициент теплоотдачи излучением от трёхатомных газов рассчитываем по эмпирическому уравнению Нельсона:

а_Л = 0,0256 * t'_ср – 2,33

t'_ср − среднелогарифмическая температура дымовых газов в конвекционной камере, ºC.

t'_ср=(t_п-t_ух)/(2,3*lg[t_п/t_ух])=(750-320)/(2,3*lg[750/320])=

= 505 ºC

Тогда

а_Л = 0,0256 * 505 – 2,33=10,598 Вт/(м²*К)

Суммарный коэффициент теплоотдачи будет равен:

k₁ ≈ 1,1*(15+10,598) = 28,16 Вт/(м²*К)

Средний температурный напор рассчитываем по уравнению Грасгофа:

∆Т_ср = (∆Т_макс-∆Т_мин)/(2,3*lg[∆Т_макс/∆Т_мин])

где ∆Т_макс = Т_п - Т_к = 1023-513=510К;

∆Т_мин = Т_ух – Т₁= 593-473 = 120К

∆Т_ср = (510-120)/(2,3*lg[510/120])=270К

Таким образом, поверхность нагрева конвекционных труб равна:

H_K = 1,58*10⁶ / (28,16*270)=208 м²

Определим число труб в конвекционной камере:

N_к = Н_к/(π*d_н* l_тр)= 208/(3,14*0,102*9,5) = 68

или в одной камере:

N'_к = N_к/2=68/2= 34

Тогда число труб по вертикали в одной камере:

m= N'_к/4=34/4 = 8

Высота, занимаемая трубами в конвекционной камере, при шаге труб по глубине конвекционного пучка S₁=0,148м

H_к = (m-1)*S₁ = (8-1)*0,148=1,1м

Таким образом, выбираем трубчатую печь типа ГС – 1 с однозарядным настенным экраном и свободным вертикальным факелом (форсунки подовые) с теплопроизводительностью 9722 кВт, поверхностью нагрева радиантной секции – 90 м², конвектной секции – 208 м² и с рабочей длиной радиантных труб – 9,5 м; ГС – 2 – 90/9,5.