Дооборудования печей П-1 и П-2 установки АВТ-1

 

 

 

 

 

 

2.9. Проектный расчет  рекуператора на тепловых трубах  для печи П-1

2.9.1. Расчет числа  тепловых труб и количества  передаваемого тепла

В рекуператоре для печи П-2 планируется использовать такие же тепловые трубы, как и в рекуператоре для П-1, т.е с наружным диаметром dтр = 25 мм, толщиной стенки 2 мм и длиной 2 м, изготовленные из стали 20. Расположение труб в пучке также коридорное. Размеры рекуператора аналогичны, так как размеры борова П-2 совпадают с размерами борова П-1, т.е. ширина A = 2 м, длина L = 5 м и высоту 1,3 м. Как и в случае с рекуператором для П-1, подсчитаем количество тепловых труб, которое возможно использовать в рекуператоре для П-2.

В качестве расстояния между осями труб и расстояния от крайних труб до краев листа примем удвоенный диаметр трубы: s = 2dтр = 0,05 м.

Число труб по длине рекуператора по формуле (2.121):

nL = L / s – 1 = 99.

Число труб по длине рекуператора по формуле (2.122):

nA = A / s – 1 = 39.

Общее число труб по формуле (2.123):

n = nL ∙ nA = 3861.

Температуру дымовых газов перед прохождением пучка тепловых труб также планируется снижать до около 300°С посредством подачи в боров воздуха из окружающей среды. Количество подаваемого воздуха предполагается регулировать с помощью шибера, установленного на борове.

Изменение состава дымовых газов при разбавлении воздухом не учитываем.

Рассчитаем количество теплоты, передаваемое всеми тепловыми трубами рекуператора (формула (2.124)):

Qтр = n ∙ 355 = 1,371 ∙ 106 Вт.

Рассчитаем допустимое количество теплоты, которое можно передать тепловым трубам из тех же соображений, что и при расчете рекуператора для П-1.

Допустимое количество тепла, которое могут принять тепловые трубы, определяется по формуле (2.125):

Qдоп = Gдг ∙ B ∙ (C573 ∙ 573 – C398 ∙ 398),

где Gдг – масса дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива, кг/кг;

B – расход топливного газа, кг/ч;

C573 – теплоемкость дымовых газов при температуре 573 К;

C398 – теплоемкость дымовых газов при температуре 398 К;

Qдоп = 1,379 ∙ 108 кДж/ч = 3,831 ∙ 107 Вт.

Тогда допустимое количество труб по формуле (2.126) составит:

nдоп = Qдоп / 355 = 107922.

Расчет допустимого количества тепла, которое может быть передано тепловым трубам, показал, что принятое ранее число труб 3861 меньше максимально допустимого nдоп, следовательно, такое количество труб можно использовать в рекуператоре.

Рассчитываем тепло, передаваемое воздуху тепловыми трубами (по формуле (2.127)):

Qтр = nтр ∙ 355 ∙3,6 = 4,934 ∙ 106 кДж/ч.

При работе печи без рекуператора общее количество тепла, вносимого в печь, определяется по формуле (2.40):

где – низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг;

 – коэффициент полезного действия топки;

4,74 ∙ 107 кДж/ч.

В формуле (2.40) не учтено количество тепла, вносимого с воздухом, так как его количество незначительно. При работе печи с рекуператором становится необходимым учесть тепло, вносимое воздухом. Тогда общее количество тепла будет рассчитываться по формуле (2.128):

где – расход  топливного  газа  при работе печи П-2  с рекуператором, вычисляемый по формуле (2.129), кг/ч;

Сокращение расхода топливного газа по формуле (2.130):

ΔB = B – = 94 кг/ч.

Массовый расход дымовых газов при работе печи с рекуператором по формуле (2.131):

 

Найдем температуру дымовых газов после рекуператора, считая, что изменение теплоемкости при этом пренебрежимо мало (формула (2.132)):

где – температура дымовых газов перед рекуператором, ;

.

Средняя температура дымовых газов при прохождении рекуператора:

Эффективный фонд времени работы печи П-2 составляет 8580 ч в год. Исходя из этого определим годовую экономию топлива:

• расход топлива при работе без рекуператора:

B = 946 ∙ 8580 / 1000 = 8117 т/год;

• расход топлива при работе с рекуператором:

= 852 ∙ 8580 / 1000 = 7314 т/год;

• сокращение расхода топливного газа:

 ΔB = 15290 – 14791 = 803 т/год;

• экономия топливного газа в массовых процентах по формуле (2.133):

 

 

 

2.9.2. Расчет гидравлического сопротивления рекуператора в борове

Для нахождения гидравлического сопротивления рекуператора рассчитаем критерий Эйлера для коридорного расположения труб в пучке по формуле (2.134) [13]:

где – коэффициент, зависящий от угла атаки, при 90° b = 1;

 – число рядов труб в направлении движения, m = nL;

dтр – расстояние между трубами, dтр = 0,025 м;

s – расстояние между трубами, s = 2dтр = 0,05 м;

Re – критерий Рейнольдса.

Критерий Рейнольдса найдем по формуле (2.135) [13]:

где – скорость газов в борове, м/с;

 – эквивалентный диаметр борова, м;

 – плотность дымовых газов при tср, кг/м3;

 – динамическая вязкость газов при tср, Па ∙ с.

Эквивалентный диаметр борова определим по формуле для трубопроводов прямоугольного сечения (2.136) [13]:

где – ширина борова, х = 2 м;

 – глубина борова, у = 1,5 м;

.

Живое сечение борова (формула (2.137)):

.

Плотность дымовых газов при tср определим по формуле (2.138) из найденной в расчете процесса горения плотности при нормальных условиях:

Скорость газов в борове вычисляем по формуле (2.139):

Вязкость дымовых газов: μ = 2,79 ∙ 105 Па ∙ с.

Критерий Рейнольдса по формуле (2.135) равен:

Критерий Эйлера по формуле (2.134):

Так как критерий Эйлера является отношением гидравлического сопротивления к произведению плотности на квадрат скорости дымовых газов, то из него можно получить значение гидравлического сопротивления той части борова, в которой поток газов проходит через пучок тепловых труб (формула (2.141)):

Δpб = Eu ∙ ρ ∙ w2 = 135,949 Па.

Для сравнения рассчитаем гидравлическое сопротивление данного участка борова, если на нем не установлен рекуператор, используя формулу (2.142) [13]:

где – коэффициент трения, для Re ≤ 100000 определяется по формуле (2.143):

Тогда гидравлическое сопротивление рассматриваемого участка борова без рекуператора определяется по формуле (2.142):

 

2.9.3. Расчет гидравлического сопротивления воздушной части рекуператора

В надземной части рекуператора для П-2 происходит нагревание воздуха, забираемого из окружающей среды, перед подачей его в печь. Пучок труб здесь имеет длину 1 м, т.е сверху остается область высотой примерно 30 см, не занятая трубами. Ввиду малого гидравлического сопротивления в свободном сечении воздушной части рекуператора в расчетах его не учитываем.

Для расчета гидравлического сопротивления также используем критерий Эйлера, предварительно вычислив все необходимые величины.

Часовой расход воздуха для подачи в печь по формуле (2.145):

Gв = Lв ∙ B1,

где Lв – расход воздуха, необходимый для сжигания 1 кг топлива (найден в расчете печи при коэффициенте избытка воздуха 1,5), кг/кг;

B1 – расход топлива при работе печи с рекуператором, кг/ч;

Gв = 22160 кг/ч.

Определим температуру воздуха на выходе из рекуператора по формуле (2.146):

где – количество теплоты, передаваемое воздуху тепловыми трубами, кДж/ч;

 средняя теплоемкость  воздуха, кДж/кг;

.

Рассчитаем коэффициент теплопередачи рекуператора:

• поверхность теплообмена равна суммарной поверхности тепловых труб (длина каждой трубы lтр = 2 м) по формуле (2.147):

• схема теплообмена в рекуператоре:

• средняя движущая сила по формуле (2.65):

• коэффициент теплопередачи рекуператора по формуле (2.148):

Средняя температура воздуха в рекуператоре по формуле (2.149):

Плотность воздуха при по формуле (2.150):

Динамическая вязкость воздуха при [13]:  .

Эквивалентный диаметр живое сечение воздушной части рекуператора совпадают с   и рекуператора для печи П-1:  .

Линейная скорость воздуха в рекуператоре по формуле (2.152):

Критерий Рейнольдса в воздушной части рекуператора по формуле (2.135):

Критерий Эйлера по формуле (2.134):

Гидравлическое сопротивление воздушной части рекуператора определяем по формуле (2.141):

Тогда общее гидравлическое сопротивление рекуператора по формуле (2.151):

Расчет гидравлического сопротивления показал, что при установке рекуператора необходимо также использовать дымосос для создания искусственной тяги.

Минимальная необходимая мощность дымососа с учетом 30%-й надбавки (учитывает неадиабатичность процесса) рассчитывается по формуле (2.152):

где – объемный расход дымовых газов в борове, м3/ч (формула (2.153));

 По найденной минимальной  мощности выбираем стандартный дымосос мощностью 4 кВт с числом оборотов в минуту 1000.

 

Выводы

В ходе проектного расчета рекуператора на тепловых трубах для печи П-2 были рассчитаны его основные технические параметры:

• общее количество тепловых труб 3861, диаметр 25×2, длина 2 м, из которых на 1 м каждая труба находится в воздушной части рекуператора и на 1 м – в борове, расположение труб в пучке коридорное, расстояние между осями труб по ширине и по длине рекуператора 50 мм;
• длина рекуператора 5 м, ширина – 2 м, высота воздушной части 1,3 м;
• температура дымовых газов на входе 300°С, на выходе 293°С при расходе 23016 кг/ч;
• температура воздуха на входе 20°С, на выходе 241,5°С при расходе 22160 кг/ч;
• коэффициент теплопередачи 58,436 Вт/(м2 ∙ К);
• гидравлическое сопротивление рекуператора 244,337 Па;
• для работы рекуператора необходим дымосос мощностью 4 кВт.
• сокращение расхода топливного газа на печь П-2 при работе с рекуператором составляет 803 т/год (9,89%).

3. МЕХАНИЧЕСКАЯ  ЧАСТЬ

В данном разделе подобран материал для изготовления рекуператоров на тепловых трубах для печей П-1 и П-2 установки АВТ-1, проведен расчет на прочность единичного элемента рекуператора, расчет устойчивости листа с отверстиями для тепловых труб, разделяющего секции рекуператора.

 Воздухоподогреватели (рекуператоры) предназначены для использования тепла дымовых газов, уходящих из печи, для нагревания поступающего в печь воздуха.

Рекуператор на тепловых трубах (рис.3.1) представляет собой конструкцию, состоящую из теплопроводящих элементов – тепловых труб, герметически закрытых с обоих концов металлических труб, в которых находится небольшое количество воды и из которых откачен воздух. Теплопередача осуществляется путем переноса массы теплоносителя, сопровождающегося изменением его фазового состояния. Пучок тепловых труб наполовину находится в борове, наполовину – в корпусе, смонтированном над боровом, где происходит нагревание воздуха. Подземная и воздушная секции рекуператора разделены стальным листом с отверстиями для труб. По причине большого количества труб (для проектируемых аппаратов – 3861), а также для удобства монтажа и ремонта трубы не привариваются к листу, а ставятся прямо на дно за счет стержней, приваренных к нижним концам труб. На каждую трубу надевается прижимная шайба во избежание подсоса воздуха в боров и, как следствие, потерь тепла.

Конструкции рекуператоров для П-1 и П-2 идентичны.

Рис.3.1. Схема рекуператора на тепловых трубах

3.1. Выбор материала

Эксплуатация рекуператоров происходит при температурах ниже 470°С, при давлениях ниже 5 МПа, при контакте со средами средней коррозийности. Следовательно, в качестве материала для изготовления корпуса и труб можно использовать сталь 20. [15]

 

3.2. Расчет на  прочность единичного элемента  рекуператора 

Единичным элементом рекуператора является тепловая труба, посредством которой происходит теплообмен между отходящими дымовыми газами и нагревающимся воздухом. Согласно методики [15] для тонкостенных цилиндров, работающих под внутренним избыточным давлением, толщина стенки рассчитывается по формуле

где P – избыточное давление, МПа;

Dвн – внутренний диаметр цилиндра, мм;

[σ] – допускаемое напряжение для условий работы, МПа;

φ – коэффициент прочности, φ = 1;

с – прибавка на коррозию, мм;

s – толщина стенки трубы, мм.

Если же рассматривать тепловую трубу как толстостенный цилиндр, работающий под внутренним избыточным давлением, тогда толщину стенки необходимо рассчитывать по формуле