Контрольні запитання:

1. Необхідність утилізації тепла вихідних димових газів.

2. Що представляє собою рекуператор?

3. Теплопередача в рекуператорах.

4. Температурне поле рекуператора.

5. Конструкції рекуператорів.

Приклад:

Вихідні данні для розрахунку голкового рекуператора приведені в таблиці 10.

Таблиця 10 – Вихідні данні для розрахунків рекуператора.

№	Кінцева температура повітря	Початкова температура диму	Витрати повітря	Витрати димового газу
31	270	813	1,32	1,77

В рекуператорах має місце перехресний протитік, тобто дим рухається вертикально зверху донизу, а повітря – перехресним током знизу доверху.

Знайти температуру диму на виході з рекуператора. Задаємося температурою диму на виході . При цій температурі визначити питому теплоємкість димових газів згідно додатка ІІ .

--------------------------------------------

--------------------------------------------

Склад димових газів приймати з практичної роботи № 2.

Аналогічно визначити теплоємкість димових газів на вході в рекуператор при температурі .

--------------------------------------------

Кінцеву температуру диму знайти з рівняння теплового балансу рекуператора :

,

де - відповідно теплоємкості димових газів при ,

відповідно теплоємкості повітря при початковій та кінцевій температурах згідно додатка I, .

Не враховуючи поправку на перехресний ток, визначити середню різницю температур як арифметичну різницю, так як

За графіком на мал. 113 [2] визначити сумарний коефіцієнт теплопередачі К при вибраних швидкостях руху повітря wв = 6 м/с та димових газів wд = 3 м/с.

Визначити загальну поверхню нагрівання рекуператора :

Вибрати тип рекуператора та довжину труби згідно з таблицею 22 “Характеристика труб голкових рекуператорів”[2].

При цьому умовна поверхня нагрівання кожної труби складе S=0,25 м².

Загальна кількість труб рекуператора складе :

Необхідний загальний переріз для проходження повітря :

Необхідний загальний переріз для проходження диму :

Труби повинні бути розподілені на секції так, щоб по повітрю на кожну секцію приходилося :

,

де переріз для проходження повітря згідно з таблицею 22, .

В напрямку, перпендикулярному напрямкові руху димових газів, повинно бути розташовано :

,

де переріз для проходження димових газів згідно з таблицею 22, .

Таким чином, в рекуператорі, що розраховується, повинно бути передбачено 3 секції (хода) по 28 труб в кожній.

Після проведення розрахунків зробити висновок.

Розрахункова робота №9

Тема: Складання теплового балансу печі.

Мета: Навчитися складати прибуткову і витратну частини теплового балансу методичної печі, розраховувати витрати палива.

Теоретична частина

Робота кожної печі характеризується рядом показників, найбільш важливими з яких є температурний і тепловий режим, коефіцієнт корисного тепловикористання і продуктивність.

Температурний режим. Температура печі - важливий теплотехнічний показник роботи печі, хоча термін «температура печі» має дещо умовний характер. Річ у тому, що в паливних печах в стані взаємного теплообміну знаходяться полум'я (розжарені гази), метал, кладка, температура яких різна. Причому, температура всієї печі не може визначатися жодною з цих температур, а є якоюсь усередненою величиною, стосовно якої звичайно і застосовують термін «температура печі».

Температура залежить від ряду чинників, найважливіші з яких - температура горіння палива і характер споживання тепла (включаючи теплові втрати), властиві конструкції печі. Іноді користуються вельми наближеним співвідношенням:

Зміна температури печі в часі називається температурним режимом печі. Звичайно його представляють відповідним графіком t=f(x). Печі, температура яких не міняється з часом, називаються печами постійної дії (наприклад, методичні печі), із змінною в часі температурою - печами періодичної дії. Зміна температури за довжиною печі також може мати різний характер. Нагрівальні печі, в яких температура за всім обсягом приблизно однакова, називають камерними. Печі з температурою, що змінюються за довжиною, називаються методичними.

Тепловий режим. Робота печі значною мірою визначається тим, яка кількість тепла поступає в неї. Кількість тепла, яке подають в піч в кожен даний момент часу, називається тепловим навантаженням. Та більша кількість тепла, яке піч може нормально (без недопалювання палива в робочому просторі) засвоїти, називається тепловою потужністю.

Тепловий режим печі є зміною теплового навантаження в часі і може бути представлений графіком залежності теплового навантаження від часу. Тепловий режим найтіснішим чином пов'язаний з температурним. Печі періодичної дії, що працюють із змінною в часі температурою, мають змінне в часі теплове навантаження, тоді як печі постійної дії працюють при незмінному тепловому навантаженні.

Якість роботи печі, її досконалість як теплового агрегату характеризується коефіцієнтом корисного тепловикористання і коефіцієнтом використання тепла. У загальному вигляді к. п. т. визначають таким чином:

де В - витрата палива, м³/с; кг/с;

Q_T - хімічне тепло палива, Вт;

Q_м і Q_шл - тепло відповідно металу і шлаку, Вт;

Q_энд і Q_экз - тепло ендотермічних і екзотермічних реакцій, Вт.

Теплові втрати в печах в більшій мірі залежать від чинників, пов'язаних з конструкцією печі, тому, щоб характеризувати тільки паливо і умови його спалювання, коефіцієнт використання палива :

Продуктивність печей - найважливіший показник їх роботи, оскільки саме в продуктивності, як у фокусі, сходяться всі позитивні і негативні сторони конструкції і теплової роботи печі. Витрата палива є важливою характеристикою роботи печей. На діючій печі витрату палива визначають безпосереднім вимірюванням, а для проектованих печей - розрахунковим шляхом, використовуючи тепловий баланс печі.

Тепловий баланс печі складається з рівних між собою прибуткової і витратної частин, кожна з яких складається з ряду статей. Для печей постійної дії тепловий баланс складають на одну годину, для печей періодичної дії - на один цикл роботи.

Статті прибуткової частини теплового балансу:

1) тепло, одержуване в результаті згорання палива;

2) тепло, що вноситься підігрітим повітрям; 3) тепло, що вноситься підігрітим паливом;

4) тепло екзотермічних реакцій.

Статті витратної частини теплового балансу:

1) корисне тепло (Вт), необхідне для нагрівання і плавлення матеріалів;

2) тепло, що відноситься шлаками;

3) тепло ендотермічних реакцій;

4) тепло, що відноситься газами, що відходять;

5) тепло від хімічної неповноти згорання;

6) тепло від механічної неповноти згорання ;

7) втрати тепла в результаті теплопровідності через кладку;

8) втрати тепла випромінюванням через відкриті вікна;

9) тепло, витрачене на нагрівання тари;

10) тепло, що відноситься водою, що охолоджує окремі частини печі;

11) витрати тепла на акумуляцію його кладкою в печах періодичної дії;

12) невраховані втрати.

Підсумувавши окремо прибуткові і витратні статті теплового балансу, одержимо, таким чином, одне рівняння з одним невідомим, яким є витрата палива, В.

Знаючи величину В, можна остаточно підрахувати всі статті прибуткової і витратної частин теплового балансу.

Для порівняння якості роботи окремих печей користуються питомими показниками витрати тепла та палива. Питома витрата тепла показує, яка кількість тепла витрачається на нагрів 1 кг металу до температури.

Часто питому витрату палива визначають в одиницях умовного палива (у. п.). За умовне паливо приймають таке, теплота згорання якого 29300 кДж/кг.

Порядок виконання роботи.

Вихідні данні для теплового балансу методичної печі приведені в таблиці 12.

Прихід тепла.

1). Тепло від горіння палива:

_, кВт;

де В – витрати палива, ;

– нижча теплота згоряння палива (з практичної роботи №1), кДж/м³;

2). Тепло, що вноситься підігрітим повітрям:

, кВт

де V_в – витрати повітря (з практичної роботи №2), ;

і_в – ентальпія повітря при t_в^к_, кДж/м^3;

3). Тепло екзотермічних реакцій:

Q_екз = 5650 ^* Р ^* а, кВт;

де Р – продуктивність печі по всаду, кг/с;

а – угар металу, приймається а = 1%.

Витрати тепла.

1). Тепло, що затрачується на нагрів металу:

Q_пол = Р* (і ^к_м – і ^н_м), кВт

де і ^к_м; і^н_м – відповідно ентальпія сталі при t_м^к і t_м^н (додаток ІХ [1]), кДж/кг.

2). Тепло, що виноситься димовими газами :

Q_ух = В*V_{пр .сг}^* і_пр.сг., кВт;

де V_пр.сг – кількість продуктів згоряння, м³/с;

і_пр.сг – ентальпія продуктів згоряння при t_ух = 1050 ^оС

ісо_{2 =}

iн₂о =

іо₂ =

іN₂ =

iпр.сг1050. = ... кДж/м3

Ентальпію газів і_т знайти з додатку ІІ [1].

3). Втрати тепла теплопровідністю через кладку.

Втратами тепла через под нехтуємо. Розрахувати втрати тепла через свод і стіни печі.

Втрати тепла через свод

Площа своду приймається рівною площі поду печі:

F_св = В * L, м²

де В – ширина печі,(приймаємо В = 10,9 м);

L – довжина печі, м;

L = L_м+ L_звI + L _звII + L_т

Приймається товщина своду S_к = 0,3 м; матеріал - каолін.

Приймається температура внутрішньої поверхні своду рівною середній по довжині печі температурі газів t_г.сер = 1245^оС; температура поверхні своду t_нар = 340^оС.

При середній по товщині температурі своду

t_к = 0,5 * (t_г.сер + t_нар)

коефіцієнт теплопроводності каоліну згідно додатку ХI [1] дорівнюється:

λκ = 1.75+0.00086* t_к

Тоді втрати тепла через свод печі:

кВт

де α – коефіцієнт тепловіддачі конвекцією від зовнішньої поверхні в навколишнє середовище, Вт/м²*К.

α = 1,3*(10 + 0,06 * t_нар).

Втрати тепла через стіни печі

Приймається, що стіни печі складаються з шару шамоту S_ш = 0,34м і шару діатоміту S_д = 0,12м.

Зовнішня поверхня стін дорівнюється:

- в методичній зоні:

F_м = 2 * L_м* 2 h_м

-в І зварювальній зоні:

F_звI = 2 * L_звI * 2 h_зв

- в ІІ зварювальній зоні:

F _звII = 2 * L _звII * 2 h_зв

- в томильній зоні:

F_т = 2 * L_т * h_т

• торців печі:

F_торц = [В + 2 * (S_ш + S_д)] * (2 h_м+ h_т).

Висота печі приймається рівною в томильній зоні h_т = 1,65 м; в зварювальній - h_зв = 2,8 м; в методичній зоні – h_м = 1,6 м.

Повна площа стін:

F_ст = F_м + F_звI + F _звII + F_т + F_торц

Коефіцієнт теплопровідності шамоту (додаток ХІ [1] ):

λ _ш = 0.835+0,00058 t_ш.сер, Вт/м*К

де t_ш.сер – середня температура шару шамоту

t_ш.сер = (t^внутр _кл + ) * 0,5

де - температура на межі розділу шарів, задається = 730 ^оС

Коефіцієнт теплопровідності діатоміту (додаток ХІ [1]):

λ _д = 0,145 + 0,000314 * t_{д сер}, Вт/м*К

t_{д сер} = ( + t^нар _кл ) * 0,5 ,

де t^нар _кл - температура зовнішньої поверхні стін, приймається 160 ^оС.

Кількість тепла, що втрачається теплопровідністю через стіни печі:

α= 10 + 0,06 ^* t^нар _кл

Загальна кількість тепла, що втрачається теплопровідністю через кладку:

Q_тепл = Q_св + Q_ст, кВт

4). Втрати тепла з охолоджуючою водою, приймаються рівними 10% від тепла, що вноситься паливом і повітрям:

Q_охл = 0,1 В * (Q^р _н + Q_в), кВт

5) Невраховані втрати:

Q_невр = 0,15 * (Q_тепл+ Q_охл)

Скласти рівняння теплового балансу:

Q_хім + Q_в + Q_екз = Q_пол + Q_ух + Q_тепл + Q_охл + Q_невр,

з якого визначити витрати палива В, м³ /с.

Результати розрахунків звести в таблицю 11.

Таблиця 11 – Тепловий баланс методичної печі.

Статті приходу	кВт(%)	Статті витрат	кВт (%)
Тепло від горіння палива. Фізичне тепло повітря. Тепло екзотермічних реакцій. Разом:		Тепло на нагрів металу. Тепло, що виноситься димовими газами. Втрати тепла теплопровідністю через кладку. Втрати тепла з охолоджуючою водою. Невраховані втрати. Разом:

Питомі витрати тепла на нагрів 1 кг металу:

Варіанти

до виконання розрахункової роботи № 9

Таблиця 12 – Початкові дані для розрахунку теплового балансу печі.

№ Варіанту	Продуктивність печі Р, кг/с	Довжина методичної зони Lм, м	Довжина І зварювальної зони LзвI, м	Довжина ІІ зварювальної зони LзвII, м	Довжина томильної зони Lт, м
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30	73,4 84,5 77,3 75,6 68,5 70,0 71.1 73,8 66,5 62,7 68,3 79,5 74,3 80,0 81,5 80,5 78,3 85,1 83,2 76,5 78,4 83,2 81,9 82,4 83,6 84,3 86,6 87,7 93,75 84,1	6,3 7,4 6,8 6,15 6,2 8,3 6,5 7,2 4,9 5,11 7,43 7,8 7,3 8,1 7,21 7,6 6,1 5,3 6,9 8,4 4,0 5,25 4,4 4,65 5,5 5,7 5,15 6,12 7,44 8,05	12,7 11,3 13,05 12,1 11,8 12,6 12,8 13,2 10,4 14,0 13,5 12,6 13,4 14,3 13,2 13,7 12,24 11,9 10,75 9,3 13,8 14,2 11,5 11,7 10,2 10,75 10,15 11,34 12,11 12,56	11,4 10,8 12,0 9,8 8,4 10,2 11,8 10,4 9,3 12,2 10,5 11,9 11,6 13,7 12,7 12,75 11,7 10,4 9,5 8,6 7,2 8,8 9,3 10,0 9,6 9,1 9,35 8,7 9,52 10,34	5,8 7,2 4,9 3,8 5,1 4,7 5,2 4,8 3,8 4,3 4,6 5,5 5,4 6,1 4,25 5,7 5,4 7,2 7,3 6,12 5,5 6,6 5,75 6,2 7,4 6,35 6,0 5,0 4,45 4,6

Контрольні запитання:

1. Температурний режим печі.

2. Тепловий режим печі.

3. Продуктивність печі.

3. З яких статей складається прибуткова і витратна частини теплового балансу печі?

5. Як зменшити втрати тепла?

Приклад.

Вихідні данні для теплового балансу методичної печі приведені в таблиці 12.

Таблиця 12 – Початкові дані для розрахунку теплового балансу печі.

№	Продуктивність печі Р, кг/с	Довжина методичної зони Lм, м	Довжина І зварювальної зони LзвI, м	Довжина ІІ зварювальної зони LзвII, м	Довжина томильної зони Lт, м
31	81,2	8,11	14,1	12,6	5,25

Прихід тепла.

1). Тепло від горіння палива:

_, кВт;

де В – витрати палива, ;

– нижча теплота згоряння палива (з практичної роботи №1), кДж/м³;

кВт

2). Тепло, що вноситься підігрітим повітрям:

, кВт

де V_в – витрати повітря (з практичної роботи №8), ;

і_в – ентальпія повітря при t_в^к_, кДж/м^3;

кВт

3). Тепло екзотермічних реакцій:

Q_екз = 5650 ^* Р ^* а, кВт;

де Р – продуктивність печі по всаду, кг/с;

а – угар металу, приймається а = 1%.

Q_екз = 5650 ^* 81,2 ^* 0,01=4587,8 кВт

Витрати тепла.

1). Тепло, що затрачується на нагрів металу:

Q_пол = Р* (і ^к_м – і ^н_м), кВт

де і ^к_м; і^н_м – відповідно ентальпія сталі при t_м^к і t_м^н (додаток ІХ [1]), кДж/кг.

Q_пол = 81,2* (838 – 9,72)=67256,33 кВт

2). Тепло, що виноситься димовими газами :

Q_ух = В*V_{пр .сг}^* і_пр.сг., кВт;

де V_пр.сг – кількість продуктів згоряння, м³/с;

і_пр.сг – ентальпія продуктів згоряння при t_ух = 1050 ^оС

ісо_{2 =}

iн₂о =

іо₂ =

іN₂ =

iпр.сг1050. = ... кДж/м3

Ентальпію газів і_т знайти з додатку ІІ [1].

3). Втрати тепла теплопровідністю через кладку.

Втратами тепла через под нехтуємо. Розрахувати втрати тепла через свод і стіни печі.

Втрати тепла через свод

Площа своду приймається рівною площі поду печі:

F_св = В * L, м²

де В – ширина печі,(приймаємо В = 10,9 м);

L – довжина печі, м;

L = L_м+ L_звI + L _звII + L_т,,,

L = 8,11+ 14,1 + 12,6 + 5,25=40,06 м

F_св = В * L= 10,9 * 40,06 = 436,65 м²

Приймається товщина своду S_к = 0,3 м; матеріал - каолін.

Приймається температура внутрішньої поверхні своду рівною середній по довжині печі температурі газів t_г.сер = 1245^оС; температура поверхні своду t_нар = 340 ^оС.

При середній по товщині температурі своду

t_к = 0,5 * (t_г.сер + t_нар),

t_к = 0,5 * (1245 + 340) = 792,5 ^оС

коефіцієнт теплопроводності каоліну згідно додатку ХI [1] дорівнюється:

λκ = 1.75+0.00086* t_к ,

λκ = 1.75+0.00086* 792,5 = 2,43

Тоді втрати тепла через свод печі:

де α – коефіцієнт тепловіддачі конвекцією від зовнішньої поверхні в навколишнє середовище, Вт/м²*К.

α = 1,3*(10 + 0,06 * t_нар),

α = 1,3*(10 + 0,06 * 340) = 39,52

кВт

Втрати тепла через стіни печі

Приймається, що стіни печі складаються з шару шамоту S_ш = 0,34м і шару діатоміту S_д = 0,12м.

Зовнішня поверхня стін дорівнюється:

- в методичній зоні:

F_м = 2 * L_м* 2 * h_м ,

F_м = 2 * 8,11* 2 *1,6 = 51,9 м²

-в І зварювальній зоні:

F_звI = 2 * L_звI * 2 h_зв ,

F_звI = 2 * 14,1* 2 * 2,8 = 157,92 м²

- в ІІ зварювальній зоні:

F _звII = 2 * L _звII * 2 h_зв ,

F _звII = 2 * 12,6 * 2 * 2,8 = 141,12 м²

- в томильній зоні:

F_т = 2 * L_т * h_т ,

F_т = 2 * 5,25 * 1,65 = 17,33 м²

• торців печі:

F_торц = [В + 2 * (S_ш + S_д)] * (2 h_м+ h_т),

F_торц = [10,9 + 2 * (0,34 + 0,12)] * (2 *1,6 + 1,65) = 57,3 м²

Висота печі приймається рівною в томильній зоні h_т = 1,65 м; в зварювальній- h_зв = 2,8 м; в методичній зоні – h_м = 1,6 м.

Повна площа стін:

F_ст = F_м + F_звI + F _звII + F_т + F_торц ,

F_ст = 51,9 + 157,92 + 141,12 + 17,33 + 57,33 = 422,6 м²

Коефіцієнт теплопровідності шамоту (додаток ХІ [1] ):

λ _ш = 0.835+0,00058 t_ш.сер, ,

де t_ш.сер – середня температура шару шамоту

t_ш.сер = (t^внутр _кл + ) * 0,5

де - температура на межі розділу шарів, задається = 730 ^оС

t_ш.сер = (1245 + 730) * 0,5 = 988 ^оС

λ _ш = 0.835+0,00058 * 988 = 1,408 Вт/м*К

Коефіцієнт теплопровідності діатоміту (додаток ХІ [1]):

λ _д = 0,145 + 0,000314 * t_{д сер}, Вт/м*К

t_{д сер} = ( + t^нар _кл ) * 0,5 ,

де t^нар _кл - температура зовнішньої поверхні стін, приймається 160 ^оС.

t_{д сер} = ( + 160 ) * 0,5 = 445 ^оС

λ _д = 0,145 + 0,000314 * 445 = 0,28 Вт/м*К

Кількість тепла, що втрачається теплопровідністю через стіни печі:

,

α= 10 + 0,06 ^* t^нар _кл ,

α= 10 + 0,06 ^* 160 = 19,6

кВт

Загальна кількість тепла, що втрачається теплопровідністю через кладку:

Q_тепл = Q_св + Q_ст ,

Q_тепл = 3584,66 + 713,14 = 4297,8 кВт

4). Втрати тепла з охолоджуючою водою, приймаються рівними 10% від тепла, що вноситься паливом і повітрям:

Q_охл = 0,1 В * (Q^р _н + Q_в),

Q_охл = 0,1 В * (33132,92 + 521,95) = В *3365,49 кВт

5) Невраховані втрати:

Q_невр = 0,15 * (Q_тепл+ Q_охл),

Q_невр = 0,15 * (4297,8 + 3365,49) = 644,67 +В * 504,82 кВт

Скласти рівняння теплового балансу:

Q_хім + Q_в + Q_екз = Q_пол + Q_ух + Q_тепл + Q_охл + Q_невр ,

з якого визначити витрати палива В, м³ /с.

33132,92В+521,95В+4587,8=67256,33+2848,64В+4297,8+3365,49В+644,67+504,82В

26935,92В=67611

В = 2,51

Результати розрахунків звести в таблицю 11.

Таблиця 11 – Тепловий баланс методичної печі.

Статті приходу	кВт(%)	Статті витрат	кВт (%)
Тепло від горіння палива. Фізичне тепло повітря. Тепло екзотермічних реакцій. Разом:	83163,63 1310,09 4587,8 89061,52	Тепло на нагрів металу. Тепло, що виноситься димовими газами. Втрати тепла теплопровідністю через кладку. Втрати тепла з охолоджуючою водою. Невраховані втрати. Разом:	67256,33 7150,01 4297,8 8447,38 1911,77 89063,29

Питомі витрати тепла на нагрів 1 кг металу: