Расчет петлевого рекуператора для методической печи

ПЗ.docx

Предварительное обследование объекта конструирования5
Синтез тепловой схемы высокотемпературной теплотехнической установки с регенерацией тепловых отходов7
Разработка алгоритма расчета эффективности подогрева компонентов составление программы для ПЭВМ и проведение вычислительного эксперимента9
Тепловой и аэродинамический расчет рекуператора и графическое представление эскизного варианта конструкции.10
Расчет показателей эффективности разработанного рекуператора19
Конструирование и проектирование являются одними из основных составляющих практической деятельности инженера. Актуальность дисциплины "Основы конструирования и САПР" определяется повышением сложности объектов энергетики и промышленности необходимостью применения системного подхода и методов моделирования в повседневной деятельности конструкторов и проектировщиков. САПР - признанная область применения вычислительной техники. Компьютер предоставляет конструкторам и технологам полный набор возможностей САПР и резко повышает производительность труда В нашем случае мы рассмотрим это на примере разработки теплообменника.
Теплообменные аппараты (теплообменники) представляют собой устройства предназначенные для передачи тепла от одной рабочей среды (теплоносителя) к другой. Теплообменники могут изготавливаться из металла (чугун сталь) либо из огнеупорного керамического материала. В зависимости от этого они подразделяются на металлические и керамические. Металлические рекуператоры подразделяются на блочные отливаемые из чугуна либо стали и трубчатые (иногда радиационные).
По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные и регенеративные.
Рекуперативные теплообменные аппараты представляют собой устройства в которых две жидкости с различными температурами текут в пространстве разделенном твердой стенкой. Теплообмен происходит за счет конвекции и теплопроводности стенки а если хоть одна из жидкостей является излучающим газом то и за счет теплового излучения.
Если же два и больше теплоносителей попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева то теплообменный аппарат называют регенеративным.
В большинстве рекуперативных аппаратов осуществляется непрерывная передача тепла через стену от одного теплоносителя к другому. Эти аппараты как правило являются аппаратами непрерывного действия. Рекуперативные аппараты в которых производится периодический нагрев или охлаждение одного из теплоносителей относят к аппаратам периодического действия.
В данном курсовом проекте рассматривается методика расчёта петлевого рекуператора методической нагревательной печи. Данный тип рекуператоров используется в том случае когда требуется высокий подогрев воздуха.
Предварительное обследование объекта конструирования
Объект проектирования представляет собой теплотехнический агрегат который называется рекуператором.
В настоящее время применяют щелевые радиационные рекуператоры и трубчатые (из труб малого диаметра).
Рекуператор – это теплообменный аппарат предназначенный для нагрева воздуха или газа за счет продуктов сгорания в связи с этим рекуператор позволяет экономить электроэнергию и эксплуатационные расходы. Эффективность тепловой работы и высокая стойкость рекуператора возможны при соблюдении следующих условий: применение жаростойких материалов для изготовления элементов конструкции рекуператора; достаточная теплопроводность материала; обеспечение минимально возможной температуры элементов конструкции предотвращение местных перегревов; обеспечение герметичности (газоплотности); создание условий обеспечивающих возможность чистки труб рекуператора в процессе его эксплуатации.
При температурах дымовых газов выше 900-1000°С основное количество тепла передается стенке рекуператора излучением.
Передача теплоты излучением газов зависит от эффективной длины луча или толщины излучающего слоя поэтому в рекуператорах каналы на дымовом пути выполняют большого сечения (диаметром 05—3 м) что снижает аэродинамическое сопротивление канала.
Для уменьшения потерь теплоты в окружающее пространство наружный цилиндр покрывают тепловой изоляцией. Малые рекуператоры снабжающие воздухом одну-две горелки размещают часто в вертикальных каналах в стенках печей. Схема газовых потоков в них обычно прямоточная. При температуре дымовых газов 1400—1600 °С температура подогрева воздуха может быть получена до 700°С и более. Принцип работы рекуператора представляющего собой поверхностный теплообменник состоит в непрерывной передаче тепла дымовых газов уходящих из рабочей камеры печи нагреваемому воздуху или газообразному топливу.
Рекуператор характеризуется непрерывным движением газов в одном направлении что сильно упрощает конструкцию печей и удешевляет строительство и эксплуатацию.
В трубчатых радиационных рекуператорах нагреваемый поток (воздух газ) движется по трубкам малого диаметра расположенным около стенок канала большого сечения по которому движутся дымовые газы. Такая конструкция повышает прочность рекуператора. Здесь используют схему прямо- и противотока.
Недостаток больших трубчатых рекуператоров в том что при различном тепловом удлинении трубок возможен их отрыв от коллекторов.
Наиболее важное преимущество радиационных рекуператоров перед конвективными состоит в возможности осуществления высокотемпературного подогрева при меньшем удельном расходе (на единицу переданной теплоты) окалиностойкой стали. Весьма эффективна конструкция щелевого радиационного рекуператора двойной циркуляции. Подобная конструкция позволяет повысить температуру подогрева воздуха по сравнению с обычным щелевым на 100 — 150°С.
Преимуществом конструкции петлевого рекуператора является свободная самокомпенсация температурного расширения каждой трубы (петли) в отдельности.
Общим недостатком всех конструкций радиационных рекуператоров по сравнению с конвективными например трубчатыми является их громоздкость.
Коэффициент теплопередачи у радиационных рекуператоров может доходить до 25 Вт(м2.К).
В рекуператорах передача тепла происходит через стенку по одну сторону которой движутся дымовые газы а по другую — нагреваемые воздух или газ.
Если направления потоков воздуха и дымовых газов в рекуператоре параллельны то рекуператор называют прямоточным; если эти направления противоположны то рекуператор называют противоточным. Если направления движения воздуха и дымовых газов взаимно перпендикулярны то рекуператор называют рекуператором с перекрестным движением газовых сред Однако практика эксплуатации рекуператоров показала что прямоток можно применять только при относительно тонкостенных элементах металлических рекуператоров. В толстостенных элементах рекуператоров (например чугунных.) на участке входа дымовых газов в рекуператор при прямотоке перепад температур в пределах стенки настолько возрастает что вызывает образование трещин. Поэтому в чугунных рекуператорах в последнее время стали чаще применять противоток а при перекрестном токе и многоходовом рекуператоре- перекрестный противоток.
Кроме этих элементарных схем на практике обычно встречаются более сложные схемы движения воздуха и дымовых газов представляющие комбинации перекрестного тока с противотоком или прямотоком. Перекрестному току свойственны промежуточные значения распределения температур между прямотоком и противотоком.
Под многоходовым понимают такой рекуператор в котором ток воздуха или дымовых газов (чаще воздуха) не идет прямолинейно а изменяет свое направление два три и более раз на 180°.
Синтез тепловой схемы высокотемпературной теплотехнической установки с регенерацией тепловых отходов
Методическая печь является примером печи в которой тепло дымовых газов уходящих из сварочной камеры используется для предварительного подогрева изделий. Перепад энтальпии газов в самой печи здесь является наиболее значительным. Путем подогрева воздуха в рекуператоре можно значительно поднять начальную энтальпик дымовых газов. Технологический к. п. д. печи может достигать 60—66%.
Широкое распространение на заводах черной металлургии получили «петлевые» рекуператоры из гладких стальных труб. Рекуператоры типизированы для поверхностей нагрева 100 — 300 м2 . Конструкция петлевого рекуператора показана на рис.2-1 а основные данные характеристики и габаритных размеров этих рекуператоров приведены в справочной литературе.
Основным преимуществом конструкции петлевого рекуператора является свободная самокомпенсация температурного расширения каждой трубы (петли) в отдельности. Недостатком конструкции петлевого рекуператора является то что все трубные петли но направлению движения дымовых газов имеют разную длину (например наружная петля примерно в 2 раза длиннее внутренней) а отсюда и разное аэродинамическое сопротивление отчего в наружные петли блока самые теплонагруженные с дымовой стороны поступает меньше воздуха чем в остальные петли.
Рис. 2-1. Петлевой рекуператор из гладких стальных труб
Схема сгорания представлена на рис.2-2: воздух из окружающей среды забирается вентилятором и подается в рекуператор где происходит его нагрев. После рекуператора воздух подается в горелки печи. В горелках топливо перемешивается с воздухом после чего происходит его сгорание. Дым после печи подается в рекуператор где происходит его охлаждение (передача тепла воздуху). После рекуператора дым направляется в дымовую трубу.
Рис. 2-2. Принципиальная схема пламенной нагревательной печи
Согласно задания на проектирование:
Тип печи – методическая нагревательная печь
Тип рекуператора – петлевой
Вид топлива – смесь доменного и коксового газа Qнр=1255 кДжм3
Расход топлива – 2600 м3ч
Предварительно принимаем к установке двухсекционный петлевой рекуператор который предполагается установить в боровах размером 3х5 м. В первом приближении принимаем:
диаметры труб подогревателя – 5750 мм;
средняя скорость движения дымовых газов мс – 15;
средняя скорость движения смеси подогреваемого газа мс–20
температура холодного воздуха оС -20
температура подогретого воздуха оС -400
температура дыма на выходе из печи оС -870
Разработка алгоритма расчета эффективности подогрева компонентов составление программы для ПЭВМ и проведение вычислительного эксперимента
Для автоматизации теплового расчёта рекуператора расчёт выполнен в программе Excel в которой нужно задать начальные параметры для рассчитываемого конвективного рекуператора (теплоту сгорания топлива коэффициент избытка воздуха температуру входа дымовых газов воздуха объём дымовых газов на 1м3 топлива и т.д.) и программа выполнит весь расчет автоматически. Блок-схема алгоритма расчета приведёна на рис.3-1
Рис.3-1. Блок схема алгоритма расчета рекуператора.
Тепловой и аэродинамический расчет рекуператора и графическое представление эскизного варианта конструкции.
Тепловой расчет рекуператора.
Состав сухих газов % Таблица 1 и влажность коксового газа и доменного газа .[1 с. 89]
Состав влажных газов [1 с. 89]:
Низшая теплота сгорания газа [1 с. 84]:
Доля доменного газа в смеси [1 с. 84]:
Расход кислорода для сжигания смешанного газа при коэффициенте избытка воздуха а=1 [1 с. 84]:
Расход сухого воздуха [1 с. 85]:
где - коэффициент избытка воздуха;
k – отношение объемных содержаний N2 и О2 в дутье k = 3762.
Состав продуктов сгорания [1 с. 85]:
Суммарный объем продуктов сгорания [1 с. 85]:
Истинная энтальпия продуктов сгорания [1 с. 86]:
где - конечная температура воздуха оС;
- теплоемкость воздуха кДж(м3*К).
Энтальпия продуктов сгорания при заданной t к' [1 с. 86]:
Калориметрическая температура горения смешанного газа [1 с. 85]:
Величина m [2 с. 257]:
где - КПД рекуператора = 085-09.
Относительная температура подогрева воздуха [2 с. 257]:
Температура продуктов сгорания на выходе из рекуператора [2 с. 257]:
Температура труб рекуператора0С [2 с. 257]:
Действительная скорость мс [2 с. 278]:
Число Рейнольдса [2 с. 172]:
где dэ – эквивалентный диаметр трубы м;
- коэффициент кинематической вязкостим2с.
Коэффициент теплоотдачи конвекцией отнесенный к наружной поверхности труб Вт(м2*К) [2 с. 275]:
Эффективная степень черноты стенки [2 с. 279]:
Коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания к стенке рекуператора Вт(м2*К) [2 с. 183]:
где Спр – приведенный коэффициент излучения тела Спр = 577 Вт(м2*К4) [2 с. 164].
Коэффициент теплопередачи от продуктов сгорания к воздуху отнесенный к наружной поверхности труб рекуператора Вт(м2*К) [2 с. 279]:
Средний по рекуператору коэффициент теплопередачи от продуктов сгорания к воздуху Вт(м2*К) [2 с. 280]:
Поверхность нагрева рекуператора м2 [2 с. 257]:
Площадь поверхности теплообмена одной трубки м2 [3 с. 414]:
где l – длина трубки рекуператора м.
Общее число трубок составляющих поверхность теплообмена рекуператора [3 с. 414]:
Количество труб по ширине борова [3 с. 415]:
S2 – шаг между трубами по ходу движения дыма м.
Число рядов труб по ходу движения газов [3 с. 415]:
Общее число труб в рекуператоре [3 с. 415]:
Площадь живого сечения для прохода дыма м2 [3 с. 415]:
где - площадь борова м2;
Площадь живого сечения рекуператора для похода воздуха м2 [3 с. 415]:
Средние секундные расходы теплоносителей при их средних температурах м3с [3 с. 415]:
Фактические значения скоростей теплоносителей мс [3 с. 415]:
Температура труб рекуператора о С [2 с. 276]:
Аэродинамический расчет рекуператора
Потери на трение в дымовых каналах Па [1 с. 133]:
где - коэффициент трения;
- плотность - 129 м3кг;
- средняя температура дымовых газовоС
Коэффициент трения [1 с. 134]:
Скорость дымовых газов в подводящем канале мс [1 с. 134]:
где - площадь сечения коробам2;
суммарная площадь сечения труб м2
Потери давления на входе и выходе из труб рекуператора Па [1 с. 134]:
Потери давления на преодоление геометрического давления Па [1 с. 134]:
где - плотность - 134 м3кг.
Суммарные потери давления на пути движения дымаПа [1 с. 134]:
Компоновка перекрёстно-противоточного петлевого рекуператора приведена ниже :
Таблица 1 – Тепловой расчет рекуператора
низшая рабочая теплота сгорания газа МДжм3
расход топлива на печь м3ч
коэффициент избытка воздуха доли
принимаем (стр. 548 [3])
наружный диаметр труб рекуператора м
внутренний диаметр труб рекуператора м
шаг труб при коридорном расположении мм
количество воздуха необходимое для сжигания 1 м3 топлива м3 м3
расход воздуха-окислителя на печь м3ч
количество газов получаемое при сжигании 1 м3 топлива м3 м3
расход продуктов сгорания поступающих в рекуператор м3ч
температура холодного воздуха оС
температура подогретого воздуха оС
температура дыма на выходе из печи оС
коэффициент учитывающий потери дыма на выбивание доли
принимаем (стр. 549 [3])
коэффициент учитывающий подсосы воздуха в боровах доли
количество дыма проходящего через рекуператор м3ч
теплоемкость дыма на входе в рекуператор кДж(м3 К)
энтальпия дыма перед рекуператором (с учетом подсоса воздуха) кДжм3
температура дыма перед рекуператором оС
принимаем ориентировочно
для этой температуры теплоемкость дыма кДж(м3 К)
тогда температура дыма перед рекуператором оС
теплоемкость воздуха на входе в рекуператор кДж(м3 К)
продолжение таблицы 1
энтальпия воздуха на входе в рекуператор кДжм3
теплоемкость воздуха на выходе из рекуператора кДж(м3 К)
энтальпия воздуха на выходе из рекуператора кДжм3
коэффициент учитывающий тепловые потери рекуператора в окружающую среду доли
энтальпия дыма за рекуператором кДжм3
h'д - VB (h''в – h'в) Vд
температура дыма за рекуператором оС
тогда температура дыма за рекуператором оС
среднелогарифмический температурный напор в области рекуператора оС
эффективная толщина газового слоя для принятого расположения труб в рекуператоре м
средняя температура дыма в рекуператоре оС
коэффициент теплоотдачи излучением
коэффициент теплоотдачи конвекцией
общий коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне
средняя температура воздуха в рекуператоре оС
коэффициент теплоотдачи на воздушной стороне доли
коэффициент теплопередачи от дыма к воздуху
поверхность нагрева рекуператора м2
количество труб в каждом плече рекуператора шт
средняя поверхность нагрева одного U-образного трубного элемента м2
средняя длина одного трубного элемента м
число труб в ряду поперек движения дыма шт
число труб по ходу дыма в каждом плече рекуператора шт
Расчет показателей эффективности разработанного рекуператора
Достаточно часто в теплоэнергетике встречается случай регенерации теплоты продуктов сгорания топлива путем подогрева воздуха-окислителя и топлива.Воздух-окислитель при температуре Tв.о поступает в регенеративный
воздухоподогреватель где его температура повышается до значения Tв.о.
При этом температура уходящих газов T ух.г снижается до T ух.г
Уточним значение коэффициента использования топлива:
и.т=(iт+ iв.о–iг.ух )iт
iт =Qн Vi=34205 МДжм3
i в.о=V'0 ViCpв.о tв.о=02787 Мджм3
i г.ух=154·950=1463 МДжм3
Подставляя получим: и.т=065.
Найдем топливный эквивалент подогрева Эпод который учитывает то
обстоятельство что 1КДж теплоты поступившей с подогретым воздухом
позволяет более чем на 1КДж теплоты снизить затраты исходного топлива.
Экономия теплоты за счет подогрева воздуха-окислителя:
Э= i в.о ( iт+ i в.о+ i г.ух)
Э=02787 (34205+0278+1463)=0053
Таким образом экономический эффект в результате регенерации технологических отходов топлива можно представить:
B=B·Э·Эпод=18187 ·0053 ·154=198 м3 ч.
В ходе выполнения курсового проекта были освоены основы методики конструкторского теплового и гидродинамического расчета рекуператора для промышленных печей оценки эффективности подогрева компонентов горения органического топлива. Также приобретены навыки вычислительного эксперимента при исследования теплотехнических объектов и построения алгоритмов расчета режимных параметров работы теплотехнических систем.
В результате выполнения курсовой работы разработана методика расчета петлевого рекуператора предназначенная для теплотехнического расчета аппарата. Разработанное программное средство отвечает всем задачам определенным в начале проектирования обеспечивает заданную функциональность.
По итогам теплового расчёта были определены коэффициент теплопередачи от продуктов сгорания к воздуху k = 262 Вт(м2*К) площадь теплообмена рекуператора F = 328 м2 число труб в ряду поперек движения дыма n1=20 число труб по ходу дыма в каждом плече рекуператора n2=14.
Б.С. Мастрюков. «Расчеты металлургических печей» Том 2. М. «Металлургия» 1986 г.
Расчет нагревательных и термических печей: Справочник. Под ред. В.М. Тымчака В.Л. Гусовского и др. М.: «Металлургия»1983.
Тимошпольский В.И. Несенчук А.П. Трусова И.А. «Промышленные теплотехнологии: методики и инженерные расчеты оборудования высокотемпературных теплотехнологий машиностроительного и металлургического производства»: Учеб. – Мн.: Выш. шк. 1998.- 422с.
Тебеньков Б.П. Рекуператоры для промышленных печей. – М.: Металлургия 1975. – 296 с.

2-ой лист графики.dwg

Вид топлива (коксовый газ)
Qнр;t'д.г.;t''д.г.; Vд.г.;Vв;F;c'pв; c''pд.г.;в;д.г.;α1;α2.
Q=kF·F·Δt; Δt=((t'д.г.-t2)-(t''д.г.-t1)) Ln((t'д.г.-t2)(t''д.г.-t1)); kF=α1·α2(α1+α2); Q=Vд.г.·( Q=Vв·( t°''д.г.=( t°в=( д.г.=(t°''д.г.-t''д.г.)t°''д.г.; в=(t°в-t2)t°в.
t''д.г.=t°''д.г; t2=t°.
Выходные температуры д.г. и воздуха: t°''д.г; t°в.
График зависимостей температур t''д.г. и t2 от расхода газа
Блок-схема поверочного расчета рекуператора
Петлевой рекуператор
Показатели эффективности
температура дымовых газов
График зависимостей температур t''д.г. и t2 от расхода топлива на печь
График зависимости количества передаваемой теплоты Q от расхода топлива
График зависимости коэффициента теплопередачи kF от расхода топлива на печь
Графический анализ работы рекуператора на переменных режимах