Рецензент: ст. преп. Колесниченко Н.В.

СОДЕРЖАНИЕ

1 РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА………………………………………….4

2 СОСТАВЛЕНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ…………………………8

3 РАСЧЕТ ТРУБЧАТОГО СТАЛЬНОГО ПЕТЛЕВОГО РЕКУПЕРАТОРА МЕТОДИЧЕСКОЙ ПЕЧИ………………………….15

Приложение 1 Исходные данные к задаче 1…………………………..23

Приложение 2 Исходные данные к задаче 2……………………..……...24

Приложение 3 Исходные данные к задаче 1……………….…………....27

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ……………………………...31

1 РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

Рассчитать действительно необходимое количество воздуха L_д с коэффициентом расхода a, объем и состав продуктов сгорания V_д при сжигании 1 м³ влажного газа следующего состава, %: СН₄, H₂, O₂, N₂, CO, CO₂, H₂O, H₂S, в сухом воздухе следующего состава, %: O^в₂, N^в₂. Рассчитать материальный баланс процесса сжигания топлива.

Исходные данные для расчета представлены в приложении 1.

Исходные данные для расчета:

Состав газа, %: CH₄–25; H₂–20; CO–20; H₂S–10; O₂–10; N₂–5; CO₂–5; H₂O–5. Состав сухого воздуха, %: O^в₂=25, N^в₂=79; α=1,1.

Реакции сжигания горючих компонентов топлива:

CH₄+2O₂=CO₂+2H₂O;

H₂+0,5O₂=H₂O;

CO+0,5O₂=CO₂;

H₂S+ 1,5O₂=SO₂+ H₂O.

Теоретически необходимое количество воздуха:

Количество кислорода для сжигания газа:

Для определения количества кислорода воспользуемся стехеометрическими уравнениями реакций горения. Так, для сжигания 1м³ CH₄ необходимо 2м³ кислорода и в результате получим 1м³CO₂+2м³H₂O. Тогда, при сжигании 0,25м³CH₄ необходимо 2×0,25м³ кислорода и получаем 0,25м³CO₂ и 2×0,25м³H₂O. По аналогии определяем количество кислорода на сжигание H₂, CO и H₂S:

При сжигании 0,2м³H₂ ® 0,5×0,2м³O₂ = 0,2м³H₂O;

При сжигании 0,2м³CO ® 0,5×0,2м³O₂ = 0,2м³СО₂;

При сжигании 0,1м³H₂S ® 1,5×0,1м³О₂ =0,1м³SO₂+0,1м³H₂O.

Суммарное количество кислорода:

Расчетное количество кислорода:

Теоретически необходимое количество азота:

Теоретически необходимое количество воздуха:

Действительно необходимое количество воздуха:

Действительное количество влажного воздуха:

Влагосодержание воздуха d_в, г/м³ определяется по таблице 1 в зависимости от температуры воздуха.

Таблица1 – Влагосодержание воздуха

t, °С
d_в, г/м³	4,8	9,8	18,9	35,1	63,1

Количество продуктов сгорания:

Состав продуктов сгорания, %:

S100

Чтобы проверить правильность расчетов, составим материальный баланс горения топлива.

а) Доходные статьи баланса, кг:

масса топлива: m_г=r_г×V_г. V_г= 1 м³.

Плотность газа определяется по следующей формуле по составу газа, кг/м³:

;

Масса воздуха определяется по следующей формуле по составу влажного воздуха: m_в=r_в× .

Плотность воздуха, кг/м³: .

Пересчет сухого воздуха на влажный.

Коэффициент пересчета сухого воздуха на влажный:

Состав влажного воздуха, %:

S100

Прибыльная масса: m_прих= m_г+ m_в, кг.

б) Расходные статьи баланса, кг:

масса продуктов сгорания: m_д=r_д×V_д,

где плотность продуктов сгорания определяется по их составу, кг/м³:

, кг/м³;

Расходная масса: m_расх= m_д, кг.

в) Невязка материального баланса, %:

2. СОСТАВЛЕНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Определить расход топлива и общую тепловую мощность трехзонной методической печи для нагрева заготовок под прокатку. Составить тепловой баланс.

Исходные данные для расчета предоставлены в приложении 2.

Общая тепловая мощность:

где - полезная тепловая мощность, МВт;

- мощность холостого хода, МВт.

; ,

где - тепло, идущее на нагрев металла, МВт;

- тепло,необходимое для покрытия тепловых потерь в печи, МВт;

- коэффициент использования тепла топлива.

Тепло, идущее на нагрев металла, определяется по следующей зависимости:

где Р – производительность печи, кг/с;

Δi – приращение теплсодержания металла, кДж/кг.

[1, с.74]; .

Температура нагрева (температура поверхности в конце нагрева ) принимается в зависимости от марки стали по литературе [1, с.350-353]. Перепад температур в конце нагрева рассчитывается по формуле: , где r_о - расчетная толщина прогреваемого слоя - допустимый градиент температур (r_о=μ·S). Коэффициет несиметричности для двухстороннего нагрева на водоохлаждаемых трубах методической толкающей печи μ=0,55-0,6. Величину Δt округлить до 5°С в меньшую сторону. Для условия нагрева металла принимаем коэффициент усреднения температуры по сечению тела = 2,75 [1, с.316].

де – физическое тепло подогрева воздуха, кДж/м³: ,

де – действительный расход влажного воздуха, м³/м³;

– теплоемкость влажного воздуха в интервале от 0 до температуры подогрева воздуха, кДж/м³К [1, с.24];

- температура подогрева воздуха, °С;

- тепло уходящих газов, кДж/м³: ,

где - объем продуктов сгорания, м³/м³;

– теплоемкость уходящих газов (продуктов сгорания) в интервале температур от 0 до температуры отходящих газов, кДж/м³К [1, с.24];

- температура уходящих газов, °С. При нагреве металла под прокатку температуру уходящих газов можно выбрать, .

Температура подогрева воздуха определяется по следующей зависимости:

, де r = 0,3...0,4 – коэффициент рекуперации тепла.

Каллорийнсть топлива определяется по рабочему составу газа по следующей формуле:

Пересчет сухого состава газа на рабочий:

Коэффициент перерасчета: .

Рабочий состав газа, %:

СО^р= К_с-р·СО^с

..........................

Н₂О^р=0,1242·К_с-р

__________________

Σ=100%

Влагосодержание сухого газа W, г/м³ можно принять:

- для доменного газа – 45,

- для коксового газа – 35,

- для природного газа – 15.

Тепловые потери в рабочем пространстве печи определяются по формуле:

где - потери тепла теплопроводностью через кладку печи, МВт;

- потери тепла излучением через открытые окна, щели, отверстия печи, МВт;

- потери тепла в охлаждаемых элементах, МВт.

Прежде чем приступить к расчету теплових потерь, необходимо выбрать толщину огнеупорной и теплоизоляционной кладки по температуре с учетом особенностей нагреваемого материала. Для упрощения расчетов кладку можно принять двухслойной: рабочий слой толщиной ₁=350 мм и теплоизоляционный слой толщиной ₂=115 мм.

Потери тепла теплопроводности через кладку:

где - средняя температура газов в рабочем пространстве, °С;

-температура окружающего воздуха,°С, можно принять

=20°С;

- внешняя поверхность кладки, м²;
k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К);

Коэффициент теплоотдачи і можно принять следующими:

≈ 100 Вт/м²К; ≈ 10...15Вт/м²К.

Коэффициент теплопроводности каждого слоя определяется по средней температуре соответствующего слоя (рис.1).

Рисунок 1 – Схема изменения температуры по толщине стенки

; ,

где - средняя температура газов .

В сварочной (нагревательной) зоне нагрев осуществляется при постоянной температуре печи, а в томильной зоне при постоянной температуре поверхности. Температуру в сварочной (нагревательной) зоне рекомендуется выбирать на 150-250°С выше конечной температуры металла, то етсь , а температуру газов в конце томильной зоны можно принять на 50°С выше конечной температуры металла, то есть . Коэффициенты теплопроводности λ выбирают в зависимости от материалов огнеупорной [1, с.132] и теплоизоляционной кладки [1, с.150-151]. Площадь внешняй поверхности кладки определяется по следующим формулам:

;

где H-среднее растояние от свода до уровня пода, можно выбрать Н=2,2-2,5м;

L- общая длина печи, L=33-35 м;

В- ширина печи, , м;

z – число рядов заготовок в печи (принимаем z =2);

δ=0,25-0,3 м – ширина зазора между торцами заготовок и кладки;

ℓ - длина заготовок, м;

, м.

Потери тепла излучением, МВт,

де - поверхность, по которой происходят потери тепла излучением =(3,6-3,8 м²).

Потери тепла с охлаждающей водой.

Основным источником потерь тепла с охлаждающей водой в методической печи являются глиссажные водоохлаждаемые трубы в методической и сварочной зонах.

Обычно устанавливают продольные трубы на расстоянии 1200 мм друг для друга и опорные сдвоенные трубы на расстоянии 2000 мм. Внешний диаметр всех труб можно принять равным 76 мм. Длина одной трубы ℓ=4000-5000 мм.

Количество труб:

- по длине печи (принять большее значение);

- по ширине печи

Всего труб - m·n. Таким образом, внешняя поверхность всех труб:

, м².

, МВт.

Коэффициентом 1,1 учитывают потери тепла в других водоохлаждаемых элементах (отбойниках, крышках и т.п.).

Общий расход топлива, м³/c: .

Удельный расход тепла, МДж/кг: .

Удельный расход условного топлива, кг у.п./т: .

Коэффициент полезного действия .

Коэффициент использоввания тепла топлива .

Тепловой баланс печи сводится в таблицу 2.

Таблица 2 – Тепловой баланс печи

Статьи	Приход тепла	Статьи	Расход тепла
МВт	%	МВт	%
Химическое тепло горения топлива			Тепло, идущее на нагрев маталла
Физическое тепло подогрева воздуха			Тепловые потери
			Тепло уходящих газов

Невязка баланса

3. РАСЧЕТ ТРУБЧАТОГО СТАЛЬНОГО ПЕТЛЕВОГО РЕКУПЕРАТОРА МЕТОДИЧЕСКОЙ ПЕЧИ

Рассчитать:

- расход воздуха и дыма перед рекуператором;

- удельную теплоемкость и температуру продуктов сгорании до и после рекуператора;

- среднелогарифмическую разницу температур;

- расход тепла на нагрев воздуха;

- коэффициент теплопередачи;

- поверхность нагрева.

Провести конструктивный расчет рекуператора.

Исходные данные для расчета представлены вприложении 3.

Начальные данные для расчета

Температура дыма на выходе печи t_ух=900°С; температура воздуха на входе в рекуператор t_в'=0°С; конечная температура подогрева воздуха t_в”=400°С; расход газа в печи B=3200 м³/ч; С – длина одной секции, м; h_min – минимальная высота, м; Н – полная высота рекуператора, м; L – длина рекуператора по ходу дыма, м; Б – ширина рекуператора, м; b – длина прямого участка, м; ℓ_ср – средняя длина трубного элемента, м; z₁ – количество трубок в двух смежных рядах, перпендикулярных движению дыма; z₂ – количество рядов по ходу движения дыма; z – общее количество трубных элементов; x₁, x₂ – продольный и поперечный шаги пучка, м; d – наружный диаметр трубы, м; a – кратчайшее расстояние между трубками для прохода дыма; расход воздуха на 1 м³ топлива L_д = 10 м³/ м³; количество продуктов сгорания на 1 м³ топлива V_д= 11 м³/ м³; состав продуктов сгорания, %: CO₂=9,1; Н₂0=18,2; О₂=0,9; N₂=71,8.

Компоновка стального петлевого рекуператора представлена на рис.2.

Для рекуператора выбираем стальную трубу с наружным диаметром d=76 мм и толщиной стенки δ = 4,5 мм.

Сборка рекуператора

Воздух поступает в общий короб, а оттуда попадает в трубки. Каждая труба поворачивается на 180° с радиусом R. Принимаем шахматное расположение трубных элементов в пучке как более выгодное в теплотехническом отношении. Шаг пучка примем одинаковым . Из геометрии пучка . Из конструкции рекуператора получим

;

; ; ; .

Расчетные расходы воздуха и дыма Расход дымовых газов перед рекуператором с учетом потерь дыма на выбивание и через обводный шибер, а также подсоса воздуха:

где - количество дымовых газов, образующихся в печи, м³/ч; m = 0,85-0,9- коэффициент, учитывающий утечки дыма в печи, n=0,1-0,15 – подсосы атмосферного воздуха в борове.

м³/ч; м³/ч.

Для металлического рекуператора утечек воздуха нет, поскольку он герметичен м³/ч.

Удельное теплосодержание и температура продуктов сгорания до и после рекуператора

Удельное теплосодержание продуктов сгорания до рекуператора

где - теплосодержание продуктов сгорания при , [1, с. 25]; . Ориентировочную температуру определяем по i-t диаграмме [1, с. 193]: . По составу продуктов сгорания определяем теплосодержание продуктов сгорания при [1, с.24]: кДж/(м³∙К),тогда .

Z₂

x₁

Рисунок 2 – Компоновка рекуператора

Из теплового баланса рекуператора определяем конечное теплосодержание и температуру дымовых газов

, откуда , где , - теплосодержание воздуха соответственно при температуре воздуха и і [1, с.25]; ξ = 0,9-0,95- коэффициент, учитывающий тепловые потери рекуператора в окружающую среду.

Для , ; , .

По i-t диаграмме определяем ориентировочную температуру По составу продуктов сгорания определяем теплоемкость, а затем температуру продуктов сгорания за рекуператором

; .

Среднелогарифмическая разность температур

Расход тепла на нагрев воздуха

Коэффициент теплопередачи

Для металлических рекуператоров термическим сопротивлением стенки можно пренебречь (S/λ ≈ 0). Тога коэффициент теплопередачи

где - коэффициент теплоотдачи конвекцией на воздушной стороне, Вт/(м²К);

- коэффициент теплоотдачи излучением и конвекцией на дымовой стороне, Вт/(м²К):

Коэффициент теплоотдачи излучением

, где .

Поскольку температура стенки неизвестна, определим ориентированно:

, где ; ;

Ориентированно можно считать, что эффективная длина луча при x/a = 2. Для того, чтобы более точно определить , необходимо найти объем, занимаемый рекуператором и все поверхности, ограничивающие этот объем.

Находим произведение парциального давления и эффективной длины луча:

;

Степень черноты газов при средней температуре продуктов сгорания определяем по номограмме [1, с. 308, 309].

; ;

При поперечном омывании шахматного пучка продуктами сгорания

Рекомендуемая скорость дымовых газов боровах = 2-4 м/с; принимаем = 3 м/с.

Тога, .

Коэффициент теплоотдачи на воздушной стороне вычисляем по формуле

, где

- скорость воздуха в трубопроводе, рекомендуется = 5-10 м/с. Принимаем = 10 м/с.

Тогда = 0,076-2∙0,0045 = 0,067 м.

Коэффициент теплопередачи ; .

Поверхность нагрева

Окончательная компоновка рекуператора

Компоновка начинается с вычисления общего количества трубок

шт.

Определяем среднюю поверхность одного трубного элемента

Средняя длина одного трубного элемента

Количество труб в двух смежных рядах, перпендикулярных движению дыма: шт, где (a∙Н) – сечение для прохода дыма; поскольку высота рекуператора неизвестна, то в первом приближении принимаем ;