Тепловой расчет рекуператора (начальная температура воздуха - 20°С; конечная температура воздуха - 450°С)

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. 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.

2. Исходные данные для теплового расчёта

Начальная температура воздуха t_н^в = 20°С;

Конечная температура воздуха t_к^в = 450°С;

Температура дымовых газов перед рекуператором t_н^д = 700°С

Расход дымовых газов Vдг = 12,08 м³/сек

Расход воздуха Vв = 11,03 м³/сек

Состав дымовых газов:

СО₂ – 15 %

Н₂О – 15 %

N₂ – 70%.

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

3. Тепловой расчет рекуператора

3.1 Расчёт теплового баланса рекуператора

Находим температуру дымовых газов на выходе из рекуператора.

Температура  дымовых газов на входе в рекуператор:

t_н^д = 700°С

теплоёмкости компонентов дымовых газов при данной температуре:

СО₂ – 2,1077 кДж/м³ К

Н₂О – 1,6338 кДж/м³ К

N₂ – 1,3553 кДж/м³ К

с_д⁷⁰⁰ = 2,1077´0,15 + 1,6338´0,15 + 1,3553´0,70 = 1,5099 кДж/м³ К

Зададимся ориентировочной температурой дымовых газов на выходе из рекуператора               t_к^д = 300°С

теплоёмкости компонентов дымовых газов при данной температуре:

СО₂ – 1,8808 кДж/м³ К

Н₂О – 1,5379 кДж/м³ К

N₂ – 1,3080 кДж/м³ К

с_д³⁰⁰ = 1,8808´0,15 + 1,5379´0,15 + 1,3080´0,70 = 1,4284 кДж/м³ К

Теплоёмкость воздуха при t_к^в = 450°С :

с_в⁴⁵⁰ = 1,3371 кДж/м³ К

Теплоёмкость воздуха при t_н^в = 20°С :

с_в²⁰ = 1,3022 кДж/м³ К

Для предварительного расчета принимаем, что рекуператор одноходовой.

Составим уравнение теплового баланса рекуператора, учитывая потери теп-ла в окружающую среду, равные 10%.

,     

где   h  -  поправка учитывающая потери тепла в окружающую среду;

, - удельная теплоемкость воздуха при  и  соответственно, кДж/(м³×К);

  -  удельная теплоемкость воздуха при температуре  , кДж/(м³×К);

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 формулу 1 без последнего члена, учитывающего утечку воздуха в дымовые каналы.

0,9×12,08×(1,5099×700 - 1,4284×) = 11,03×(1,3371×450 - 1,3022×20)

          Отсюда следует, что = 331,24 ^оС.

          Принимаем, = 331 ^оС.

3.2 Расчёт среднелогарифмической разности температур

          Среднюю разность температур находим по формуле:

,

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

      e_Dt  -  поправочный коэффициент, зависящий от величин R и P (e_Dt = Ф (R, P)).

По номограмме находим:

e_Dt:       e_Dt = 0,85.

          Для противотока     ;    .

 ^оС

 ^оС

3.3 Расчёт количества труб в трубных пучках

          Скорость воздуха в рекуператоре составит

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

          Общее сечение труб для прохода воздуха:

          Общее сечение труб для прохода уходящих газов:

В данном рекуператоре установлены трубы с внутренним диаметром d_внутр=44 мм, наружный диаметр d_нар= 50 мм  и толщиной стенки  d = 3 мм. Сечение одной трубы в свету:

 м²

          Общее число труб на пути движения воздуха:

 шт.

          Данный рекуператор с коридорным расположением труб:

17 рядов   -   по ходу движения уходящих газов,

30 рядов   -   поперек движения уходящих газов.

          Уточняем общее количество труб:        n = 17 × 30 = 510 шт.

3.4 Расчёт высоты дымового канала

Действительная площадь сечения воздушных каналов:

f_в = 510 × 0,0015 = 0,765

Действительная скорость воздуха:      м/с

Шаг труб в обоих направлениях:     S₁ = S₂ = 1,5 × d_нар = 1,5 × 50 = 75 мм

Расстояние между двумя соседними трубами:

 мм = 0,025 м

Высота дымового канала:       м

3.5 Расчёт коэффициентов теплоотдачи

Находим коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке трубы рекуператора

Средняя температура дыма:           ^оС

Действительная скорость движения дыма:

  м/с

          Коэффициент теплоотдачи конвекцией находим по формуле

,

где  k_z, k_t – поправочные коэффициенты определяемые по номограммам

6б [1]:    k_z = 1,02;    k_t = 1,04;

                    a₀  - коэффициент теплоотдачи при поперечном обтекании гладко-

трудного пучка с коридорным расположением труб, по номограмме     a₀ = 76,5 Вт/(м²×К)

 76,5 × 1,04 × 1,02 = 81,15 Вт/(м²×К)

          Определяем коэффициент теплоотдачи излучением от дыма к стенкам труб.

Для коридорного расположения труб в пучке :

S_эф = 3,5 × d_нар = 3,5 × 0,05 = 0,175 м

Тогда произведение парциального давления на эффективную длину луча

РСО₂ × S_эф = 98,1 × 0,106 × 0,175 = 1,82 кПа×м

РН₂О × S_эф = 98,1 × 0,168 × 0,175 = 2,88 кПа×м

          Согласно номограммам степень черноты  СО₂ и Н₂О при средней температуре дыма   515,5 ^оС:

                    eСО₂ = 0,065

                    e’Н₂О = 0,055  ,    b = 1,55

e_д = eСО₂ + e’Н₂О × b = 0,065 + 0,055 × 1,55 = 0,15025

          Принимаем температуру стенок труб рекуператора равной    300 ^оС находим