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

nA = A / s – 1 = 39.                                            (2.122)

Общее число труб:

n = nL ∙ nA = 3861.                                             (2.123)

Температуру дымовых газов перед прохождением пучка тепловых труб 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. Более высокая температура может быть опасна для эксплуатации рекуператора, так как повышение давление водяного пара внутри труб выше допустимого приведет к разрушению металла труб.

Изменение состава дымовых газов при разбавлении воздухом не учитываем.

Согласно [8] тепловая труба диаметром 25х2, длиной 2 м, изготовленная из стали 20 при заполнении ее теплоносителем (водой) в достаточном количестве (100 мл) может передавать тепловой поток в количестве 355 Вт при температуре нагревательного элемента около 300°С. Рассчитаем количество теплоты, передаваемое всеми тепловыми трубами рекуператора:

Qтр = n ∙ 355 = 1,371 ∙ 106 Вт.                                       (2.124)

С другой стороны, количество тепловых труб ограничено следующим условием: во избежание конденсации влаги на трубках и сернокислой коррозии охлаждение дымовых газов должно происходить до температуры на 10-15°С выше их точки росы. Для используемого топливного газа с содержанием 0,01%  H2S точка росы равна 112°С [7], следовательно, предельная температура охлаждения газов составляет в среднем 125 °С.

Определим теплоемкость дымовых газов при температурах 300°С (573 К) и 125°С (398 К):

• теплоемкости дымовых газов при 573 К [11]:

• средняя теплоемкость дымовых газов при температуре 573 К находим по формуле (2.4):

• теплоемкости дымовых газов при 398 К [11]:

• средняя теплоемкость дымовых газов при температуре 398 К находим по формуле (2.4):

Допустимое количество тепла, которое могут принять тепловые трубы:

Qдоп = Gдг ∙ B ∙ (C573 ∙ 573 – C398 ∙ 398),                        (2.125)

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

B – расход топливного газа, кг/ч.

Qдоп = 2,598 ∙ 108 кДж/ч = 7,217 ∙ 107 Вт.

Тогда допустимое количество труб составит:

nдоп = Qдоп / 355 = 203295.                                      (2.126)

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:

Qтр = nтр ∙ 355 ∙3,6 = 4,934 ∙ 106 кДж/ч.                           (2.127)

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;

8,931 ∙ 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 следующей формуле:

где – расход топливного газа при работе печи с рекуператором, кг/ч;

Сокращение расхода топливного газа:

ΔB = B – = 94 кг/ч.                                        (2.130)

Массовый расход дымовых газов при работе печи с рекуператором:

 

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

где – температура дымовых газов перед рекуператором, ;

.

Средняя температура дымовых газов при прохождении рекуператора:

Эффективный фонд времени работы печи составляет 8580 ч в год. Исходя из этого определим годовое снижение расхода топлива:

• расход топлива при работе без рекуператора:

B = 1782 ∙ 8580 / 1000 = 15290 т/год;

• расход топлива при работе с рекуператором:

= 1688 ∙ 8580 / 1000 = 14487 т/год;

• сокращение расхода топливного газа:

 ΔB = 15290 – 14791 = 803 т/год;

• экономия топливного газа в массовых процентах:

2.8.2. Расчет гидравлического сопротивления рекуператора в борове

Пучок тепловых труб в борове имеет длину 1 м. Трубы установлены на стержнях, поэтому будем считать, что пучок труб проходит через сечение борова. Трубы предполагается располагать в коридорном, а не в шахматном порядке с целью уменьшения гидравлического сопротивления рекуператора. Поэтому для нахождения сопротивления 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 [13]:

где – ширина борова, х = 2 м;

 – глубина борова, у = 1,5 м;

.

Живое сечение борова:

.

Плотность дымовых газов при tср определим из найденной в расчете процесса горения плотности при нормальных условиях:

Скорость газов в борове:

Вязкость дымовых газов рассчитаем по свойству аддитивности, так как их динамические коэффициенты вязкости отличаются незначительно:

где – динамическая вязкость i-того компонента дымовых газов при tср [13];

 – мольная доля i-того компонента дымовых газов.

Расчет вязкости дымовых газов приведен в табл.2.4. Мольные доли компонентов были найдены в расчете испарительного устройства.

Таблица 2.4

Расчет вязкости дымовых газов

Компонент		, Па ∙ с	, Па ∙ с
CO2	0,062	2,9	0,180
H2O	0,136	1,9	0,258
SO2	0,000006	2,3	0,00001
O2	0,065	3,3	0,216
N2	0,737	2,9	2,137
Сумма	1,000	-	2,790

 

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:

Δpб = Eu ∙ ρ ∙ w2 = 447,924 Па.                                    (2.141)

Для сравнения рассчитаем гидравлическое сопротивление данного участка борова, если на нем не установлен рекуператор [13]:

где – коэффициент трения, который определяется по следующим формулам:

• если Re ≤ 100000, тогда:

• если Re > 100000, тогда:

В данном случае коэффициент трения вычисляем по формуле (2.143):

Тогда гидравлическое сопротивление без рекуператора (формула (2.142)):

 

 

2.8.3. Расчет гидравлического  сопротивления воздушной части  рекуператора 

В надземной части рекуператора 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.

Плотность воздуха при нормальных условиях [13]: 

Температуру воздуха в окружающей среде tвх принимаем равной 20°С (293 К).

Средняя теплоемкость воздуха:   .

Часовой расход воздуха для подачи в печь:

Gв = Lв ∙ B1,                                                  (2.145)

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 = 43900 кг/ч.

Определим температуру воздуха на выходе из рекуператора:

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

.

Рассчитаем коэффициент теплопередачи рекуператора:

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

                                 (2.147)

• схема теплообмена в рекуператоре:

• средняя движущая сила по формуле (2.65):

• коэффициент теплопередачи рекуператора:

Средняя температура воздуха в рекуператоре:

Плотность воздуха при :

Динамическая вязкость воздуха при [13]:  .

Сечение воздушной части рекуператора имеет следующие размеры:  ширина  x = 2 м,  высота  y = 1,3 м. Исходя из этого определяем эквивалентный диаметр по формуле (2.132):

Живое сечение воздушной части рекуператора по формуле (2.137):

.

Линейная скорость воздуха в рекуператоре по формуле (2.139):

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

Критерий Эйлера по формуле (2.134):

Гидравлическое сопротивление воздушной части рекуператора определяем, используя формулу (2.141):

Тогда общее гидравлическое сопротивление рекуператора:

Очевидно, что при установке рекуператора гидравлическое сопротивление борова многократно возрастет (от 0,65 Па до 748,4 Па), и дымовая труба уже не будет обеспечивать тягу дымовых газов. Следовательно, при установке рекуператора на тепловых трубах необходимо использовать дымосос для создания искусственной тяги.

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

где – объемный расход дымовых газов в борове, м3/ч ;

 По найденной минимальной  мощности выбираем стандартный дымосос мощностью 30 кВт с числом оборотов в минуту 1500.

 

Выводы

В ходе проектного расчета рекуператора на тепловых трубах для печи П-1 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 296°С при расходе 45588 кг/ч;
• температура воздуха на входе 20°С, на выходе 132°С при расходе 43900 кг/ч;
• коэффициент теплопередачи 10,353 Вт/(м2 ∙ К);
• гидравлическое сопротивление рекуператора 748,379 Па;
• для работы рекуператора необходим дымосос мощностью 30 кВт;
• сокращение расхода топливного газа на печь П-1 при работе с рекуператором составляет 803 т/год (5,25%).