Расчет параметров конвективного рекуператора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Гомельский Государственный Технический

Университет им. П.О. Сухого

Кафедра: « МиТЛП»

Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине: Печи литейных цехов

на тему:

«Расчет параметров конвективного рекуператора»

Выполнил студент гр. Л-41:

Азарушкин В.С.

Гомель 2013

Содержание

Введение

1. Конвективные рекуператоры

2. Расчёт конвективного рекуператора

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Нагревательные и термические печи металлургической и машиностроительной промышленности являются одними из основных потребителей топлива в стране, причем в них, как правило, расходуют наиболее ценные сорта топлива: мазут и газ. В подавляющем большинстве случаев промышленные печи работают с весьма низким термическим к. п. д., величина которого в производственных условиях чаще всего не превышает 20--30%, т. е. в 3--4 раза ниже, чем, например, к. п. д. Современных парокотельных установок. Низкий термический к. п. д. промышленных печей обусловливается в основном очень большими потерями тепла с отходящими дымовыми газами, достигающими иногда 50--65% от количества тепла, подведенного в печь.

Лучшим методом повышения термического к. п. д. печей, а следовательно, и эко топлива является возврат в печь части тепла, содержащегося в отходящих дымовых газах, подогревом в рекуператорах воздуха, используемого для горения топлива.

Подогрев воздуха не только, обеспечивает экономию топлива, но и повышает температуру продуктов сгорания топлива, что способствует ускорению процессов нагрева металла в печах и делает возможным применение новых способов нагрева металла--скоростного, безокислительного, открытым пламенем и др. Печи, предназначенные для работы при высокой температуре рабочего пространства и требующие применения высококалорийного топлива, при установке рекуператоров могут работать на менее качественном (местном) топливе без снижения производительности и ухудшения технологических условий нагрева.

В промышленности, применяют керамические и металлические рекуператоры, причем последние имеют ряд существенных преимуществ перед керамическими и их внедряют в промышленность все в больших масштабах.

Если за последние 10--15 лет почти ничего нового не сделано для усовершенствования керамических рекуператоров, то за этот же период проведены большие работы по конструированию и исследованию металлических рекуператоров новых типов и освоению их серийного производства на заводах. Сейчас используют много различных металлических рекуператоров на промышленных печах: игольчатых, термоблоков, трубчатых, радиационных и др.

конвективный рекуператор теплообменник

1. Конвективные рекуператоры

Рекуператоры из гладких стальных труб весьма разнообразны по конструктивному оформлению. В таких рекуператорах воздух (или газ) может идти внутри труб, а дымовые газы снаружи, и наоборот. Трубы при помощи сварки крепят к трубным доскам коробок из листовой стали, служащих для подвода и отвода воздуха. Для рекуператоров применяют обычные цельнотянутые трубы с внутренним диаметром от 15 до 100 мм и толщиной стенки 2--5 мм. Как исключение, в отдельных случаях (для подогрева воздуха) применяют водогазопроводные трубы.

Так как рекуператоры из гладких труб обычно бывают цельносварными, в условиях эксплуатации они довольно газоплотны и являются наиболее подходящими для подогрева газа. Для подогрева воздуха рекуператоры из гладких труб применяют в основном на крупных нагревательных печах, где нецелесообразно устанавливать ни термоблоки вследствие их чрезвычайной громоздкости, ни игольчатые рекуператоры большого размера, имеющие плохие показатели по газоплотности.

Опыт применения гладкотрубных рекуператоров из обыкновенной углеродистой стали на малых и средних печах показал, что срок службы их несколько меньше игольчатых при одинаковых условиях эксплуатации (и одинаковых, потерях давления).

Наиболее широкое распространение в. СССР и за рубежом получили рекуператоры из гладких прямых труб. Стальные трубы рекуператора вваривали в верхние и нижние днища стальные листы, к которым присоединяли подводящие, отводящие и переходные воздушные коробки. Рекуператор является двухходовым по воздуху.

Компенсацию теплового расширения рекуператорных труб предусматривали путем подвески блоков труб (ходов) за подводящий и отводящий воздушные патрубки с наличием свободного пространства под нижней переходной воздушной коробкой для возможности ее опускания при расширении труб или путем уравновешивания блоков труб за верхние воздушные патрубки контргрузами через рычажную систему, причем при тепловом расширении труб воздушные патрубки поднимались.

Однако в производственных условиях эксплуатации оба эти способа компенсации теплового расширения труб рекуператора оказались неудачными, так как трубы различных рядов одного блока (хода) нагреваются до разных температур, особенно в периоды пуска печей, а поэтому получают и различное удлинение, что ведет к деформации труб и коробок и расстройству сварных швов.

В последних конструкциях рекуператоров, состоящих из гладких прямых труб, стали применяться два способа компенсации температурных расширений труб. По одному способу первые ,1--2 ряда труб со стороны входа дымовых газов выполняют большего диаметра, чем остальные трубы, что при одинаковой длине труб обусловливает меньшее аэродинамическое сопротивление первых труб и большее количество проходящего по ним воздуха, а следовательно, и лучшее охлаждение стенок труб. По второму способу трубы применяют не прямые, а изогнутые, что до некоторой степени обеспечивает компенсацию температурного расширения каждой трубы в отдельности, а отсюда и сохранение прочности всей конструкции рекуператора.

В последние 10--15 лет стали находить распространение в основном на заводах черной металлургии так называемые «петлевые» рекуператоры из гладких стальных труб.

Основным преимуществом конструкции петлевого рекуператора является свободная самокомпенсация температурного расширения каждой трубы (петли) в отдельности. Недостатком конструкции петлевого рекуператора является то, что все трубные петли по направлению движения дымовых газов имеют разную длину (например, наружная петля примерно в 2 раза длиннее внутренней), а отсюда и разное аэродинамическое сопротивление, отчего в наружные петли блока, самые теплонагруженные с дымовой стороны, поступает меньше воздуха, чем в остальные петли.

Отрицательное влияние указанного недостатка петлевых рекуператоров частично уменьшают тем, что первые по ходу дымовых газов самые длинные петли выполняют из труб большего диаметра, чем остальные и с меньшим числом труб в одном ряду.

Из секции изображенного на рекуператора можно компоновать рекуператоры большего размера, соединяя секции патрубками.

В первое время опасались использовать петлевые рекуператоры для подогрева газа, так как чистка криволинейной трубы практически невозможна. Однако производственная практика работы показала, что петлевые рекуператоры успешно работают несколько лет при подогреве в них смеси коксового и доменного газа. Более совершенными, чем описанные выше, для улучшения теплообмена (обтекание труб дымовыми газами под углом 90°), аэродинамики (все элементы имеют одинаковые аэродинамические сопротивления) и компенсации тепловых удлинений, можно считать так называемые рекуператоры двойной циркуляции.

Каждый нагревательный элемент секции состоит из трубы диаметром 81/89, вставленной концентрично в другую трубу диаметром 100/108 мм.

Наружные трубы с глухими нижними концами присоединены к нижним камерам воздушных коробок, а внутренние трубы (с открытыми нижними концами) -- к верхним камерам этих коробок. Нижние концы внутренних труб несколько не доходят до закрытых концов наружных труб.

Холодный воздух поступает в верхние камеры, опускается пo внутренним трубам, поднимается по кольцевому пространству между наружными и внутренними трубами и входит в нижние камеры, откуда и попадает в трубопровод горячего воздуха.

В верхней части каждой рекуператорной трубы выполнена особая манжета, которая входит в кольцевой песочный затвор.

Таким образом, не только каждая воздушная коробка (секция рекуператора) вместе с ее нагревательными элементами может быть вынута из рекуператора для осмотра и очистки, но может быть вынут и заменен любой элемент.

Снизу, со стороны дымовых газов, воздухосборные коробки горячего воздуха футеруют фасонными шамотными кирпичами, укрепляемыми на приваренных штырях, или покрывают слоем жаростойкого бетона.

Однако уплотнение места опоры труб при помощи песочных затворов не является газоплотным и его можно применять только при небольших давлениях нагреваемого воздуха -- не более 1470--1960 Н/м² (150--200 мм.). При более высоких давлениях воздуха песок из песочных затворов постепенно выдувается и газоплотность стыков еще более нарушается. В этом случае и при подогреве газа применяют более плотное болтовое крепление труб к воздушной коробке через асбестовую прокладку, смоченную раствором жидкого стекла. Для этого трубы вверху снабжают не манжетами, а фланцами, которые прибалчивают к горизонтальным стенкам воздушных коробок.. Следует отметить, что такое крепление хотя и увеличивает газоплотность, но значительно усложняет конструкцию рекуператора, а также его монтаж и операции по замене отдельных труб.

Помимо указанных выше преимущества применения рекуператоров двойной циркуляции, имеется еще одно несколько большая теплоустойчивость труб при прочих равных условиях по сравнению с обычным трубчатым рекуператором. Это объясняется тем, что при нагреве воздуха в обычном трубчатом рекуператоре тепло от стенок труб к воздуху передается практически только конвективным путем, так как воздух лучепрозрачен. В данном же рекуператоре, кроме передачи тепла конвекцией воздуху, тепло от наружной трубы передается также излучением внутренней трубе, и поэтому температура стенки наружной трубы несколько понижается по сравнению с тем случаем, когда внутренней трубы нет.

Рекуператор предназначен для размещения только в горизонтальных дымоходах.

Большим недостатком рекуператоров двойной циркуляции является повышенная по сравнению с трубчатыми рекуператорами других типов сложность их изготовления и монтажа, а также необходимость более тщательного наблюдения за их работой.

В годы, предшествовавшие второй мировой войне, сравнительно широкое распространение в ряде зарубежных стран (Япония, Германия, Швеция) получил большой трубчатый рекуператор (системы Шака), состоящий из пучка вертикально расположенных труб, концы которых вварены в общие сборные коробки, служащие для подвода и отвода нагреваемой среды..

Рекуператор состоит из двух основных секций труб и третьей дополнительной защитной, представляющей собой маленький трубчатый петлевой рекуператор, который служит для предохранения нижней, наиболее горячей части второй секции труб от излучения предрекуператорного пространства.. Эта защитная секция включена (по воздуху) параллельно основному рекуператору, не связана с ним. конструктивно и при выходе из строя может быть сравнительно легко заменена. Дымовые газы после защитной секции входят в нижнюю часть шахты второй (по воздуху) секции рекуператорных труб, поднимаются вверх, омывая снаружи рекуператорные трубы, переходят вверх в шахту первой секции труб, опускаются вниз и там отбираются в дымовую трубу. Подлежащий нагреву воздух поступает в нижнюю коробку первой секции, поднимается.вверх, переходит во вторую секцию труб, опускается вниз и отсюда по воздухопроводу горячего воздуха поступает к месту потребления. Таким образом, в первой и второй по воздуху секциях труб рекуператор работает по принципу противотока.

Так как описываемый рекуператор используют обычно для подогрева воздуха до 500--700° С, то первую секцию труб выполняют из обыкновенной углеродистой стали, а вторую (более горячую) из жаропрочной стали.

Для предохранения труб от прогиба при нагреве в рекуператоре данной конструкции применена рычажная система противовеса, уравновешивающая трубы и создающая в них небольшое растягивающее усилие. Противовес должен только предохранять трубы от прогиба, но ни в коем случае не компенсировать весь вес трубы, который должен передаваться на нижнюю дырчатую доску. Иначе в трубе возникнут большие растягивающие усилия, а это может вредно отразиться на прочность труб, стенки которых нагреты до высокой температуры.

Большое значение для прочности рекуператора имеет также обеспечение равномерного нагрева труб в поперечном сечении секции, так как если трубы жестко вварены в днища (дырчатые доски), расположенные по концам секции труб, то при разной температуре нагрева трубы будут удлиняться не одинаково, в результате чего возможно коробление днищ и разрыв отдельных труб. Для предотвращения этого секцию рекуператорных труб разбивают на несколько групп (две, три, четыре и более) с устройством компенсирующих противовесов для каждой группы отдельно. В рассматриваемом случае секция (вторая) рекуператора разбита на две группы.

Компенсационные противовесы и разбивка на группы труб сделаны только во второй по пути движения воздуха секции, так как стенки труб этой секции нагреваются до весьма высоких температур. В первой секции трубы нагреваются до значительно более низких температур, и устраивать такие сложные приспособления для компенсации температурного расширения труб нет необходимости.

Рекуператор, подобный описанному выше, построен и введен в эксплуатацию в Англии на заводе в Тратедорфе для подогрева 25 000 м³/ч воздуха до 800° С (для 100-т низкошахтной доменной печи)

В ряде случаев (засоренные дымовые газы, необходимость облегчения очистки дымовых каналов, необходимость снижения аэродинамического сопротивления на дымовом пути) требуется, чтобы дымовые газы проходили внутри прямых труб рекуператоров, а поток нагревающегося воздуха обтекал бы трубы снаружи.

Следует отметить, что при расположении рекуператора не в подземном борове, а над уровнем пола цеха, конструкция рекуператора с проходом дымовых газов внутри труб более компактна и дешева, чем конструкция с обтеканием дымовыми газами труб снаружи, так как во втором случае требуется обязательно наличие огнеупорной футеровки и металлоконструкций для крепления ее.

Рекуператор является четырех ходовым по воздуху; схема движения воздуха противоточная. Направляющие воздушные перегородки проходят через все поперечное сечение рекуператора, а воздушная струя поворачивается при помощи внешних воздушных коробок. В результате использования такой конструкции в каждом «ходе» рекуператора создается правильный перекрестный ток воздуха по отношению к току дымовых газов. Дымовые газы проходят через рекуператор сверху вниз, не меняя своего направления.

Для предохранения труб от перегорания в самой горячей зоне рекуператора у верхней дырчатой доски сделан дополнительный подвод холодного воздуха. От непосредственного воздействия горячих дымовых газов и излучения предрекуператорного пространства верхнюю дырчатую доску предохраняют слоем жаростойкого бетона.

Эту доску опирают через асбестовые прокладки на специальную швеллерную раму, к которой приварен также наружный кожух рекуператора. Нижнюю дырчатую доску рекуператора подвешивают свободно, причем между ней и наружным кожухом установлен компенсатор из стального листа толщиной 1,5 мм, обеспечивающий также и газоплотность в нижней полости рекуператора. Компенсатор с нижней дырчатой доской и с наружным кожухом рекуператора соединяют через асбестовые прокладки. В горизонтальном сечении рекуператор прямоугольный, расположение труб шахматное.

Описанная конструкция рекуператора достаточно надежна при постоянном тепловом режиме работы рекуператора. Однако в условиях переменного теплового режима (периодически работающие печи, воздухоподогреватели для вагранок) периодическое нагревание и охлаждение труб ведет к изгибу труб на горячем конце пучка, так как в момент разогрева при входе дымовых газов в пучок труб ввиду малого количества газов и низкой температуры стенок труб передние (по ходу дымовых газов) трубы расширяются больше, чем задние, а при охлаждении рекуператора наоборот. Поэтому передние трубы изгибаются. Изгиб способствует увеличению осаждения пыли и усложняет удаление ее с труб.

Влияние на строительную прочность и долговечность работы рекуператора таких факторов, как тепловое расширение элементов рекуператора, неравномерность распределения скоростей и температур дымовых газов и воздуха (газа) по элементам рекуператора и др., особенно возрастает с увеличением длины рекуператорных элементов и их числа. Так, например, если в рекуператоре с подогревом воздуха до 600--700° С длина труб в холодном состоянии 0,8--1,0 м, то они удлиняются всего на 8--10 мм, а в больших рекуператорах с трубами длиной 5--6 м это удлинение составит уже 40--50 мм. Помимо общего теплового удлинения, в большом рекуператоре наблюдают очень существенную разницу в удлинении отдельных труб, обусловленную неравномерным распределением дымовых газов и воздуха и неравномерным засорением труб. Недостаточный учет этих явлений при конструировании большого рекуператора может привести к тому, что теплотехнически как-будто бы правильно рассчитанный рекуператор в производственных условиях быстро выйдет из строя или потребует дорогостоящих частых ремонтов. Учитывая это, начали применять (например, для воздухоподогревателей вагранок) рекуператор, являющейся более совершенной для запыленных газов.

В этом рекуператоре, как и в рекуператоре, дымовые газы проходят внутри труб не меняя своего направления. Однако разница заключается в том, что если на «горячем» конце рекуператора трубы приварены к днищу, то на «холодном» конце рекуператора (в месте выхода дымовых газов) концы труб проходят верхнюю дырчатую доску через специальное уплотнение типа сальника, обеспечивающее свободное их удлинение.

Уплотнение на верхней доске состоит из листовой стали. Одно кольцо приваривают к трубной доске и оно неподвижно, другое кольцо свободно входит в неподвижное и может перемещаться вдоль проходящей через него рекуператорной трубы. Подвижное кольцо оборудовано приваренными пальцами, входящими в соответствующие вырезы в неподвижном кольце. При такой конструкции уплотнения замена или добавка уплотняющей массы (например асбеста) может быть выполнена относительно быстро и легко. Однако затяжка сальника иногда препятствует расширению труб, отчего они изгибаются и увеличивают давление на донный лист (нижнюю плиту), который в этом случае получает большие нагрузки и деформируется.

Для исключения этого явления иногда применяют эластичные уплотнения мест соединения труб с днищами при помощи поршневых колец, которые дают одинаковое, не зависящее от температуры уплотнение.

Следует, однако, отметить, что и при уплотнении этого типа в месте крепления труб благодаря трению получается дополнительная нагрузка на дно рекуператора и оно, даже несмотря на усиливающие ребра, деформируется, если его не защищать от излучения предрекуператорного пространства. Такую защиту создают устройством двойного дна с пропусканием по нему холодного воздуха и защитой нижней поверхности его от излучения предрекуператорного пространства слоем жаростойкого бетона. Для того чтобы слой бетона держался лучше, концы труб, выходящие из нижнего донного листа, конусообразно расширяются книзу.

В первоначальных конструкциях вместо жаростойкого бетона применяли теплоизоляцию с креплением ее снизу при помощи листа их жаропрочной стали. Однако лист вскоре начинал коробиться, отрывался и отпадал. Это еще раз доказывает, что плоские листы при высоких температурах применять нельзя.

Следует заметить, что прямые трубы диаметром 50--80 мм (применяемые в рекуператорах этого типа) легко очищать от пыли. Кроме того, пыль при прохождении внутри труб осаждается меньше, так как нет завихрений, возникающих в случае обтекания дымовыми газами .

2. Расчёт конвективного рекуператора

Исходные данные

1. Количество тепла, которое несут дымовые газы:

где с'_д -- теплоемкость дымовых газов при t'_д, Дж/м³К

V_д -- расход дымовых газов, м³ /с

t'_д -- температура ваграночных газов на входе в рекуператор С

2. Количество тепла, которое несёт воздух:

где с'_в -- теплоемкость воздуха при t'_в, Дж/м³К

V_в -- расход воздуха, м³ /с

t'_в -- температура воздуха С

3. Количество тепла, которое воздух получает в рекуператоре:

где с''_в -- теплоемкость воздуха при t'_в, Дж/м³К

V_в -- расход воздуха, м³ /с

t''_в -- температура воздуха на выходе С

4. Количество тепла, уходящее с дымовыми газами:

5. Температура дымовых газов, уходящих из рекуператора:

6. Схема работы рекуператора - противоток.

Разности температур нагреваемого воздуха и теплоносителя соответственно:

Средняя логарифмическая разность температуры соответственно:

7. Скорость воздуха в кольцевом канале труб ступени составляет:

где действительная площадь для прохождения воздуха

8. Скорость дымовых газов в кольцевом канале труб ступени составляет:

где - действительная площадь для прохождения дымовых газов

9. Определяем коэффициент теплопередачи в рекуператоре.

Средняя температура воздуха в рекуператоре:

Фактическая скорость воздуха при температуре 160° С

По номограмме ( [1], рис. 17).

Средняя температура дымовых газов в рекуператоре:

Фактическая скорость воздуха при температуре 797° С

Коэффициент кинематической вязкости ( [1], по табл. II приложений)

Критерий Рейнольдса

d_пр -- приведенный диаметр,

-- площадь сечения для прохода воздуха (газов), м²,

S -- периметр, м,

Таким образом, режим потока турбулентный. Значение определяют по графику ([1] рис. 13).

Для значений и

где =1 ([1] по графику рис. 13). Отсюда

Коэффициент теплопередачи в рекуператоре по формуле ([1], 17)

или

10. Определяем длину труб рекуператора:

Необходимая поверхность нагрева рекуператора по формуле ([1], 14)

Средний приведенный диаметр:

Длина труб должна быть:

Принимаем L = 9м

Заключение

В данной курсовой работе произведён расчёт конвективного рекуператора из гладких стальных труб.

В результате расчёта установлено что его длина должна составлять 9 метров. Таким образом, конвективный рекуператор обеспечивает нагрев 1,17м³/с воздуха до 300^оC при расходе дымовых газов 1,5 м³/с и температуре 900⁰С. При увеличении расхода или температуры ваграночных газов обеспечивается дополнительный нагрев на (25-30)⁰C.

Литература

1. Б.П. Тебеньков «Рекуператоры для промышленных печей». Москва. 1975 г.

2. А.Д. Свенчанский «Электрические промышленные печи, энергия». Москва. 1975 г.

Размещено на Allbest.ru