Нагревательные печи прокатных цехов

 

 

 

 

6. Расчет рекуператора

Температура воздуха  на входе в рекуператор t^н_в=30^оС. Конечная температура подогрева воздуха t^к_в=750^оС. Температура дымовых газов на входе в рекуператор t^н_д=860^оС.

Количество нагреваемого воздуха V_во=В_общ×L_a=6,613×9,9=65,47м³/с.

Количество дыма V_до=В_общ×V_a=6,613×11,118=73,52 м³/с.

Состав дымовых газов: СО₂=8,94_, Н₂O=17,81, N₂=71,51, O₂=1,72

Теплоёмкость дымовых  газов на входе в рекуператор:

СО₂=0,089×2,1716=0,193

Н₂O=0,1781×1,6733=0,301

N₂=0,7151×1,375=0,983

O₂=0,0172×1,4596=0,025

^{_________________________________}

С_д⁸⁶⁰=1,485 кДж/(м³×К)

Принимаем температуру  дымовых газов на выходе из рекуператора t^к_д=650^оС

СО₂=0,089×2,08345=0,169

Н₂O=0,1781×1,6208=0,292

N₂=0,7181×1,3486=0,964

O₂=0,0172×1,4261=0,024

^{_________________________________}

С_д⁶⁵⁰=1,449 кДж/(м³×К)

Q=h× V_до×(С_д⁸⁶⁰×t^н_д - С_д⁶⁵⁰× t^к_д)=0,9×73,52×(1,485×860-1,449×t^к_д)= 32277,63

84503,15- 95,88 t^к_д=32277,63

95,88 t^к_д=52225,52

t^к_д=550 ^оС

Считая схему движения теплоносителей противоточной, определим  среднюю разность температур:

В соответствии с таблицей 28 [Л1], принимаем

w_во=25 м/с, w_до=4 м/с

Площадь сечения для  прохождения дыма

f_д=V_до/w_до=73,52/4=18,38 м²

Диаметр дымового канала:

Площадь сечения для  прохождения воздуха

f_в=V_во/w_во=65,47/25=2,6 м²

Учитывая что толщина  стенки рекуператора равна d=6мм, найдем ширину щели для прохождения воздуха:

 или

d_в=4,84×(5,18-4,83)=1,69 м

Коэффициент теплоотдачи  на воздушной стороне

Определим режимы движения воздушного потока при средней температуре  воздуха

n_в=36,58×10^-6 м²/с; l_в=4,032×10^-2Вт/м×К; Pr_в=0,679

Действительная скорость воздуха

w_в=25×(215+273)/273=44,69 м/с

Периметр воздушного кольца

П=p×(d_{в.внутр}+d_в.нар)=3,14(5,18+4,83)=34,43

Приведенный диаметр  воздушного кольца

d_в.пр=w_до× f_в/П=4×2,6/34,43=0,3 м

Критерий Рейнольдса

Re=w_в× d_в.пр/n_в=44,69×0,3/36,58×10^-6=366511,75

Найдем температуру  стенки

0,5×(0,5×(860+400)+0,5×(550+30))=460^оС

Найдем коэффициент  теплоотдачи на воздушной стороне

Коэффициент теплоотдачи конвекцией на дымовой стороне

a_д=a_д^кон+a_д^из

Находим коэффициент  теплоотдачи конвекцией при средней  температуре дымовых газов

t_д=(860+550)×0,5=705^оС

n_д=112,1×10^-6 м²/с; l_д=8,29×10^-2Вт/м×К; Pr_д=0,61

Действительная скорость дымовых газов

w_д=4×(705+273)/273=14,3 м/с

Re=w_д× d_д/n_д=14,3×4,84/112,1×10^-6=617413,02

Находим коэффициент  теплоотдачи излучением. Поскольку  температура дымовых газов на входе и выходе из рекуператора различна, коэффициент теплоотдачи излучением для верха и низа рекуператора находим раздельно.

Низ рекуператора:

S_эф=0,9×d_д=0,9×4,84=4,36 м

Р_СО2×S_эф=98,1×0,089×4,36=34,64 кПа×м

Р_Н2ОS_эф=98,1×0,1781×4,36=76,95 кПа×м

По номограммам на рис 13 – 15 [Л1], находим

e_СО2=0,14; e¢_Н2О=0,3; b=1,1; e_г=0,14+1,09×0,3=0,467

Принимая температуру стенки равной t_ст^низ=0,5×(860+400)=630^оС и степень черноты стенки e_ст=0,8, найдем коэффициент теплоотдачи излучением по формуле:

e_ст.эф=0,5×(1+e_ст)=05×(1+0,8)=0,9

А^г_ст=e_СО2×(Т_г/Т_ст)^0,65+b×e¢_Н2О=0,14×(860/630)^0,65+1,09×0,3=0,49 поглощательная способность газов

Верх рекуператора

Коэффициент теплоотдачи  излучением в этом случае определяется аналогично предыдущему случаю, считая t_ст^верх=0,5(550+30)=290^оС

Средний коэффициент  теплоотдачи излучением

a_д^из=0,5×(102+36,08)=69,04 Вт/м²×К

Коэффициент теплоотдачи  на дымовой стороне

a_д=a_конв+a_д^из=14,81+69,04=83,85 Вт/м²×К

Суммарный коэффициент  теплопередачи рекуператора

К= Вт/м²×К

Поверхность нагрева

F=Q/K×DT=32277,63/34,92×489,4=188,87 м²

Определим температуру  стенки рекуператора

t_cт^низ= ^оС

t_cт^верх= ^оС

 

 

 

 

7. Аэродинамический расчёт

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Схема отвода дымовых газов из печи:

1 - методическая печь  с шагающим подом со сводовым отоплением

2 - боров

3 - рекуператор для  подогрева воздуха

4 - дымовая труба

 

 

 

 

 

 

Количество продуктов  сгорания 73,52 м³/с.

Плотность дымовых газов r_до=1,24 кг/м³.

Температура дыма в конце  печи 860^оС=1133 К

Температура в вертикальных каналах Т_верт=1108 К

Падение температуры  дыма в рекуператоре DТ_р=860-550=310.

Определим потери в вертикальных каналах

DР^верт_пот=DР_тр+DР_м.с.+DР_геом

Скорость движения дымовых  газов в конце печи принимаем

w₀=0,75 м/с

Скорость движения в  вертикальных каналах принимаем равной w₀^верт=2,5м/с, тогда площадь сечения каждого канала:

F_кан= м²

Размеры вертикальных каналов  принимаем следующие:

А=4 м – длинна, b=2,5 м – ширина, Н_верт=3 м – высота,

Тогда приведенный диаметр d_пр=4×F/П=4×4×2,5/(2×(4+2,5))=3,07 м

Потери давления на трение

DР_тр

l=0,05 Вт/м×К – теплопроводность кирпичных каналов.

Потери давления при  повороте на 90⁰ с сужением

DР_м.с=x×r_до×

Потери на преодоление  геометрического давления

DР_геом=Н_верт×g×(r_во Т₀/Т_в - r_до×Т₀/Т_д^верт)=3×9,81×(1,29×273/303-1,24×273/1198)=

25,89 Па

Суммарные потери давления в вертикальных каналах

DР^верт_пот=0,83+2,46+25,89=29,18 Па

Определим потери давления при движении дымовых газов от вертикальных каналов до рекуператора

DР^б₁=DР^б_м.с.1+DР^б_тр+DР^б_м.с.2

Скорость движения дыма принимаем в борове

w_б0=2,5 м/с

Сечение борова F_б=V_д/3600×w_б0=73,52/2,5=26,4 м³

Ширину борова сохраняем  равной длине вертикальных каналов b=2,5 м, тогда высота борова h_б=26,4/2,5=9,56 м

Приведенный диаметр  борова

d_пр=4×F_б/П=4×26,4/(2×(2,5+9,56))=4,38

Принимаем падение температуры дыма  равна 2 К на 1 м длинны борова. При длине борова от вертикальных каналов до рекуператора 11 м. Падение температуры дыма равно 22 К.

Температура дыма перед  рекуператором 

Т¢_р=1108-22=1086 К

Средняя температура  дыма в борове

Т_д^б=(1108+1086)×0,5=1097 К

Потери давления на трение

DР_тр

Потери давления при  входе в боров

DР_{м.с 1}×

Потери давления при  повороте борова на 90 ⁰

DР_{м.с 2}×

Суммарные потери на участке  от вертикальных каналов до рекуператора

DР^б ₁=1,96+12,5+18,52=32,98 Па

Температура дыма на входе  в рекуператор

Т¢_р=1086К

На выходе Т¢¢_р=Т¢_р-DТ_р=1086-310=776 К

Средняя температура  дыма в рекуператоре

Т_р=(1086+776)×0,5=931 К

Скорость движения дыма в рекуператоре принимаем w₀^р=4 м/с

Число рядов труб по глубине  пучка n=14

Потери давления при  внезапном расширении при входе  в рекуператор

DР_{м.с 1}^рек×

Потери давления при  внезапном сужении на выходе из рекуператора

DР_{м.с 2}^рек×

Потери давления в рекуператоре

DР ^рек=17,76+2,86=20,62 Па

Определим потери давления на участке от рекуператора до шибера.

Принимаем падение температуры  дыма на этом участке 1,5 к на 1 метр длины  борова. (длинна борова 6 метров)

Тогда средняя температура  дыма на этом участке Т_д=(776+767)×0,5=771,5 К

При том же сечении  борова, что и до рекуператора потери на трение составляют:

DР₂^б=0,05× ×1,24× ×

Общие потери давления, при  движении продуктов от рабочего пространства до шибера.

DР_пот=29,18+32,98+20,62+0,75=83,53 Па.

 

 

8. Расчёт дымовой  трубы

Определим высоту кирпичной трубы, предназначенной для удаления продуктов сгорания из методической нагревательной печи.

Общие потери давления при  движении дымовых газов DР_пот=83,53 Па. Температура дыма перед трубой Т_г1=767. Плотность дымовых газов r_го=1,24 кг/м³. Температура окружающего воздуха Т _в=303 К.

Количество продуктов  сгорания проходящих через трубу 73,52 м³/.

Находим площадь сечения  устья трубы, принимая скорость движения дыма в устье равной 5 м/с.

F₂=V_д/w=73,52/5=14,7 м², от сюда диаметр устья

Диаметр основания трубы

 d₁=1,5×d₂=1,5×4,3=6,45 м

Скорость движения дымовых  газов в основании трубы

w_0,1=4×V_д/p×d₁²=4×73,52/3,14×6,45²=2,25 м/с

Действительное разряжение создаваемое трубой должно быть на 20¸40% больше потерь давления при движении дымовых газов.

Т.е. DР_действ=1,3SР_пот=1,3×83,53=108,59 Па.

Для определения температуры  в устье трубы по графику на рис.1[Л1], ориентировочно примем высоту трубы Н=60 м.

Падение температуры  для кирпичной трубы примем равным 1,25 К на 1 м высоты трубы DТ=1,25×60=75К.

Тогда температура газов  в устье трубы равна

Т_Г2=767-75=692 К, а средняя температура газов Т_Г=(Т_Г1+Т_Г2)×0,5=(767+692)×0,5=729,5 К

Средний диаметр трубы

d_cр=(d₁+d₂)×0,5=(6,45+4,3)×0,5=5,37 м, тогда F_cp=p×d²/4=3,14×5,37²/4=22,6 м²

Средняя скорость движения дымовых газов в трубе

w_{0 ср}=V_д/F=73,52/22,6=3,25 м/с

Коэффициент трения l, для кирпичных труб принимаем равным 0,05

Подставляя полученные значения в формулу получим:

 

 

 

 

10. Характеристика печи

 

Коэффициент полезного  теплоиспользования:

КПТ=

Коэффициент использования  топлива:

КИТ=

Q_ф=В^общ×L×C_В×t^B=6,613×9,9×1,3302×400=34834,58 кВт

Q^’_пг= В^общ×V×C_д×t^д=6,613×10,948×1,24×550= 50142,9 кВт

Удельный расход тепла

q=Q_прих/Р=34822,6×6,613/111,11=2014,8  кДж/кг

Удельный расход условного  топлива

в_ут=6,613×34822,6/111,11×29300=68 кг у.т./ т стали

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3.

 

Производительность	215	т/час
Размеры рабочего пространства печи:
ширина	10,5	м
высота	1	м
Длина рабочего пространства печи:
методической зоны	16,2	м
сварочной зоны	36,8	м
томильной зоны	35,6	м
Размеры заготовки:
длина	10	м
ширина	1,8	м
высота	0,25	м
Начальная температура  заготовки	298	K
Конечная температура  заготовки
поверхности	1503	K
центра	1468	K
Температура подогрева  воздуха	673	K
Тип рекуператора – трубчатый  металлический
Удельный расход тепла  на нагрев 1 кг металла	2014,8	кДж/кг
Средний расход топлива	2,204	м3/с
Число горелок по зонам:
методической зоны	36	шт
сварочной зоны	81	шт
томильной зоны	77	шт
Тип горелок:
методической зоны	ГППН-4 ГППС-4 ГППВ-4
сварочной зоны	ГППН-5 ГППС-5 ГППВ-5
томильной зоны	ГППН-6 ГППС-6 ГППВ-6