Расчет рекуператора. Схема движения сред в рекуператоре. Расчёт теплового баланса рекуператора. Расчёт количества труб в трубных пучках

4. РАСЧЕТ РЕКУПЕРАТОРА

Теплообмен применяется для осуществления различных технологических процессов: нагревания, охлаждения, конденсации, испарения и т.д. Теплообменные аппараты классифицируются по различным признакам: назначению, компоновке, роду рабочих сред, способу передачи теплоты и др. Наиболее распространена классификация теплообменников по способу передачи теплоты, согласно которому они подразделяются на следующие типы:

1.  Рекуперативные поверхностные аппараты, в которых оба теплоносителя разделены поверхностью теплообмена различной конфигурации;

2.  Регенеративные, в которых процесс передачи теплоты от горячего теплоносителя к холодному происходит с помощью теплоаккумулирующей массы, называемой насадкой;

3.  Смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.

Для использования тепла отработанных продуктов сгорания на выходе из всех пяти колодцев замедленного охлаждения предлагается установить  рекуператор для подогрева воздуха, идущего на горение.

Для этого рассчитаем металлический двухходовой прямотрубный рекуператор.   В рекуператорах рассматриваемого типа дымовой газ движется горизонтально по борову, а воздух – перекрестным током навстречу газу, т.е. имеет место перекрестный ток (рис.1).

Применение рекуператоров подобного типа на нагревательных печах позволяет значительно повысить экономичность агрегата и условия горения топлива (за счёт более высокой температуры окислителя). Кроме того, пониженная температура дымовых газов увеличивает срок службы и затраты на капитальный ремонт дымовой трубы. Подача горячего воздуха в топку ускоряет воспламенение топлива и интенсифицирует процесс его горения, уменьшая потери теплоты от химической и механической неполноты горения. К недостаткам применения системы предварительного подогрева воздуха за счёт тепла отходящих газов следует отнести повышенное сопротивление по ходу дымового и воздушного трактов, а также некоторое повышение концентрации окислов азота в уходящих газах за счёт увеличения температуры факела горения. Применение схемы перекрёстного противотока позволяет сделать агрегат максимально компактным при сохранении достаточно большой площади теплообмена.

T”_выход                                T’_вход

        T’_{дымов.газ}                                                                                    T”_{дымм.газ}

Рис.1.  Схема движения сред в рекуператоре

Исходными  данными  для теплового расчёта рекуператора будут:

Начальная температура воздуха t_н^в = 20°С;

Конечная температура воздуха t_к^в = 400°С;

Температура дымовых газов перед рекуператором t_н^д = 590°С;

Расход дымовых газов Vдг = 2,655 м³/сек;

Расход воздуха Vв = 2,424 м³/сек;

Состав дымовых газов:

СО₂ -8,748 %

Н₂О -17,368 %

NО₂ - 72,144 %.

О₂ -1,739 %

Как видно из состава дымовых газов, в них отсутствуют соединения серы, увеличивающего коррозию металла и требующих для рекуператора легированных жаростойких марок сталей.

4.1. Тепловой расчет рекуператора

4.1.1. Расчёт теплового баланса рекуператора

Находим температуру дымовых газов на выходе из рекуператора.

Температура  дымовых газов на входе в рекуператор:

t_н^д = 590°С

Теплоёмкости компонентов дымовых газов при данной температуре:

СО₂ – 2,0592 ;

Н₂О – 1,6078 ;

N₂ – 1,3419  ;

О₂ – 1,4152  ;

с_д⁵⁹⁰=

;                                                                                          (4.1)

Зададимся ориентировочной температурой дымовых газов на выходе из рекуператора: t_к^д = 240°С;

Теплоёмкости компонентов дымовых газов при данной температуре:

СО₂ – 1,8079 ;

Н₂О – 1,5174 ;

N₂ – 1,303 ;

О₂ –1,3369 ;

с_д²⁴⁰ =

;                                                                                        (4.2)

Теплоёмкость воздуха при t_к^в = 400°С :

с_в⁴⁰⁰ = 1,3302 ;

Теплоёмкость воздуха при t_н^в = 20°С :

с_в²⁰ = 1,3022 ;

Для предварительного расчета принимаем, что рекуператор одноходовой. Составим уравнение теплового баланса рекуператора, учитывая потери тепла в окружающую среду, равные10%.                                                                        ;   (4.3)  где   h  -  поправка учитывающая потери тепла в окружающую среду;

, - удельная теплоемкость воздуха при  и  соответственно, ;

- удельная теплоемкость воздуха при температуре  , ;

V_д  -  количество дымовых газов, м³/ч;

V_в  -  количество воздуха идущего на подогрев, м³/ч.

Так как прямотрубные металлические рекуператоры являются

достаточно газоплотными, то для определения истинного значения  используем данную формулу  без последнего члена, учитывающего утечку воздуха в дымовые каналы.

0,9×2,655×(1,452×590 - 1,3845×) = 2,424×(1,3302×400 - 1,3022×20)

Отсюда следует, что = 244 ^оС.

4.1.2. Расчёт среднелогарифмической разности температур

;                                                                   (4.4)

Для противотока

;                                                                               (4.5)

.                                                                              (4.6)

 ^;

Среднюю разность температур находим по формуле:

,                          (4.7)

где        DТ_{противоток}  -  средняя разность температур при противотоке;

e_Dt  -  поправочный коэффициент, зависящий от величин R и P (e_Dt = Ф (R, P))[2,с.43].

;                                                         (4.8)

;                                                          (4.9)

По номограмме определяем: e_Dt = 0,8.

4.1.3. Расчёт количества труб в трубных пучках

Согласно таблицы 28 [1] принимаем скорость движения уходящих газов в рекуператоре  w_д0= 4 м/с, скорость воздуха  w_в0= 10 м/с.

Общее сечение труб для прохода воздуха:

;                                                       (4.10)

Общее сечение каналов для прохода уходящих газов:

;                                                       (4.11)

        В данном рекуператоре принимаем для установки трубы с внутренним