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 Lд с коэффициентом расхода a, объем и состав продуктов сгорания Vд при сжигании 1 м3 влажного газа следующего состава, %: СН4, H2, O2, N2, CO, CO2, H2O, H2S, в сухом воздухе следующего состава, %: Oв2, Nв2. 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, %: Oв2=25, Nв2=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 dв, г/м3 определяется по таблице 1 в зависимости от температуры воздуха.
Таблица1 – Влагосодержание воздуха
t, °С | |||||
dв, 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: mг=rг×Vг. Vг= 1 м3.
Плотность газа определяется по следующей формуле по составу газа, кг/м3:
;
Масса воздуха определяется по следующей формуле по составу влажного воздуха: mв=rв× .
Плотность воздуха, кг/м3: .
Пересчет сухого воздуха на влажный.
Коэффициент пересчета сухого воздуха на влажный:
Состав влажного воздуха, %:
S100
Прибыльная масса: mприх= mг+ mв, кг.
б) Расходные статьи баланса, кг:
масса продуктов сгорания: mд=rд×Vд,
где плотность продуктов сгорания определяется по их составу, кг/м3:
, кг/м3;
Расходная масса: mрасх= mд, 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 rо - расчетная толщина прогреваемого слоя - допустимый градиент температур (rо=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, %:
СОр = Кс-р·СОс
..........................
Н2Ор=0,1242·Кс-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 tух=900°С; температура воздуха на входе в рекуператор tв'=0°С; конечная температура подогрева воздуха tв”=400°С; расход газа в печи B=3200 м3/ч; С – длина одной секции, м; hmin – минимальная высота, м; Н – полная высота рекуператора, м; L – длина рекуператора по ходу дыма, м; Б – ширина рекуператора, м; b – длина прямого участка, м; ℓср – 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 Lд = 10 м3/ м3; количество продуктов сгорания на 1 м3 топлива Vд = 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 |
R |
c |
α |
a |
d |
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
;
.
Количество смежных рядов по ходу дыма в одной секции .
Длина одной секции .
Ширина рекуператора .
Длина прямого участка трубного элемента .
Принимаем R = 0,3, тогда .
Высота рекуператора м.
Уточняем и
:
;
.
Длина одной секции C = 1,9 м.
Ширина рекуператора м.
Длина прямого участка b = 2,44 м.
Высота рекуператора H =4,64 м;
.
Длина рекуператора м.
Приложение 1