«повышение эффективности нагревательных печей с возвратом тепла уходящих газов в цикл» для присвоения степени бакалавра по направлению

9.Расчет поверхность нагрева трубчатого петлевого противоточного рекуператора

н
Определить поверхность нагрева трубчатого петлевого про- тивоточного рекуператора для подогрева V_в = 13 000 м³/ч воздуха от t'_в = 20 °С до t"_в = 450 °С. В рекуператор поступает V_д = 25 200 м³/ч про- дуктов сгорания доменного газа с теплотой сгорания Q ^р = 37,2 МДж/м³ при t'_д = 1000 °С и  = 1,3. Коэффициент полезного действия рекуператора
 = 0,88. Принимаем для расчета секции стандартного рекуператора.
Величина т (см. формулу (10.5)):
т = 0,88×25200×1,56/(13000×1,33) = 2,0,
где средняя теплоемкость продуктов сгорания с_д взята по расчету сгорания топлива, воздуха с_в из таблиц [1].
Относительная температура подогрева воздуха:
_в = (450 - 20)/(1000 - 20) = 0,44.
Относительную поверхность нагрева рекуператора определяем по рис. 10.1, а: Н = 0,67.
Температура продуктов сгорания на выходе из рекуператора (см.
формулу (10.6)):
t_д = 1000 - (450 - 20)/2,0 = 780 °С.
Температура стенки труб рекуператора:

• 
  входе продуктов сгорания
  

t_ст = 0,5 (450 + 1000) = 725 °С,
принимаем t_стt = 750 °C;

• 
  выходе продуктов сгорания
  

t_ст = 0,5 (20 + 780) = 400 °C,
принимаем t_ст = 500 °С.
Задаемся скоростями, приведенными к 0 °С воздуха: w_в = 13 м/с, продуктов сгорания w_д = 1,6 м/с.
Действительные скорости:

• 
  на входе
  

w_в = 13 (20 + 273)/ 273 = 14 м/с;

• 
  на выходе
  

w_в = 13 (450 + 273)/273 = 34,4 м/с;

• 
  сгорания на входе
  

w_д= 16 (1000 + 273)/ 273 = 7,5 м/с;

• 
  сгорания на выходе
  

w_в = 1,6 (780 + 273)/273 = 6,2 м/с.
Критерий Рейнольдса Re = wd_э /:

• 
  воздуха на входе в рекуператор
  

Re_в = 14×0,067/15,310^-6 = 59600;

• 
  воздуха на выходе из рекуператора
  

Re"_в = 34,4×0,067/71,6510^-6 = 31700.
Здесь значение  взято из [1] при соответствующих температурах, a
d_э = 0,067 м – внутренний диаметр труб рекуператора.
Следовательно, режим движения воздуха в рекуператоре турбулентный.
По [1] определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией от стенки
труб к воздуху на входе в рекуператор '_{в вн} = 32,4 и на выходе из рекуператора _{в вн} = 64,4 Вт/(м²К).
Коэффициент теплоотдачи конвекцией к воздуху, отнесенный к наружной поверхности труб (см. формулу (10.8)):

• 
  входе
  

'_{в нар} = 32,4×0,067/0,076 = 28,6 Bт/(м²К);

• 
  выходе
  

_{в нар} = 64,4×0,067/0,076 = 56,8 Bт/(м²К).
Коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к трубам рекуператора определяем по [1] при z₂ = 7 и содержании водяных паров в продуктах сгорания из расчета сгорания Н₂O = 3 %:

• 
  входе продуктов сгорания '_{д нар} = 41,6 Bт/(м²К);
  
• 
  выходе _{д нар} = 36,4 Вт/(м²К).
  

Далее рассчитываем коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания к трубам рекуператора.
Эффективная длина пути луча [8] l = 3,5×0,076 = 0,266.
По расчету сгорания в продуктах сгорания СО₂ = 22 %; H₂O = 3 %.
Степень черноты газов [1]:

• 
  входе в рекуператор при t'_д = 900 °С
  

_CO2 = 0,88; _H2O = 0,15; В = 1,03;

• 
  выходе из рекуператора при t_д = 600 °C
  

_CO2 = 0,094; _H2O = 0,02; В = 1,03.
Степень черноты продуктов сгорания:

• 
  входе в рекуператор (_г = _CO2 + В_H2O)
  

'_д = 0,088 + 1,030,015 = 0,104;

• 
  выходе из рекуператора
  

_д = 0,094 + 1,030,02 = 0,114.
Эффективная степень черноты стенки труб рекуператора [8]
_{ст эф}  (_ст + 1)/2,
_{ст эф} = (0,8 + 1)/2 = 0,9.
Коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к трубам рекуператора, Вт/(м²К) ([8], (10.8):

• 
  входе
  

'_{д изл} = 5,77×0,9×0,104 [((1000 + 273)/100)⁴-
- ((750 + 273)/100)⁴]/(1000 - 750) = 33,8;

• 
  выходе
  

_{д изл}= 5,77×0,9×0,114 [((780 + 273)/100)⁴ -
- ((500 + 273)/100)⁴]/(780 - 500) = 18,5.
Суммарный коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к трубам рекуператора, Вт/(м² К), _д = _{д конв} + _{д изл}:

• 
  входе '_д = 41,16 + 33,8 = 75,4;
  
• 
  выходе _д = 36,4 + 18,5 = 54,9.
  

Коэффициент теплопередачи от продуктов сгорания к воздуху,
К_F = ₁₂ (₁ +₂), Вт/(м² К):

• 
  входе продуктов сгорания
  

К_F = 75,4×56,8/(75,4 + 56,8) = 32,4;

• 
  выходе продуктов сгорания
  

К"_F = 54,9×28,6/(54,9 + 28,6) = 18,7.
Средний по рекуператору коэффициент теплопередачи от продуктов сгорания к воздуху
К_F = 0,5(К_F + К"_F) = 0,5 (32,4 + 18,7) = 25,6 Вт/(м²К).
Поверхность нагрева рекуператора (см. формулу (10.3)):
H = 3,6 K_F F / V_вс_в;
F = 0,67130001,33/(3,625,6) = 125,7 м².
Выбираем секцию СР-125.
Скорость воздуха
w_в = V_в / f_в = 13000/(3600×0,27) = 13,4 м/с.
Скорость продуктов сгорания
w_д = V_д / f_{д общ} = 25200/(3600×4,5) = 1,56 м/с.
Проходное сечение для продуктов сгорания принимаем из [8], добавляя зазор между трубчаткой рекуператора и кладкой канала 200 мм.
Скорости близки к принятым.
Отношение коэффициентов теплоотдачи на стороне воздуха и продуктов сгорания:

• 
  входе продуктов сгорания
  

_{в нар} /'_д = 56,8/75,4 = 0,75;

• 
  выходе продуктов сгорания
  

' _{в нар} /_д = 28,6/54,9 = 0,52.
Коэффициент ( по рис. 10.2) на входе продуктов сгорания ' = 0,55,
на выходе продуктов сгорания " = 0,63
Температура труб рекуператора по формуле (10.9)

• 
  входе продуктов сгорания
  

t'_ст = 450 + 0,55(1000 - 450) = 750 °С;

• 
  выходе продуктов сгорания
  

t_ст = 20 + 0,63(780 - 20) = 500 °С.
Температуры совпадают с принятыми.