книги из ГПНТБ / Несенчук, А. П. Тепловые расчеты пламенных печей для нагрева и термообработки металла учеб. пособие

Г л а в а 10. УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛА ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ, ПОКИДАЮЩИХ ПЕЧЬ

Увеличение мощностей нагревательных печей и форсирование их работы приводит к тому, что температура дымовых газов за печью очень высока и составляет 900—1100°. С учетом теплоты, поступающей в рабочее пространство с подогретым воздухом и топ­ ливом, коэффициент использования топлива нагревательных печей колеблется в пределах 40—60%. Как видим, значительная часть теплоты сгорания топлива (60—40%) теряется. Использование теп­ ла продуктов сгорания топлива, покидающих печь, является необ­ ходимым и выгодным как с экономической, так и технологической точек зрения. Конечно, при этом имеются в виду достаточно круп­ ные печи. Осуществлению мероприятий по утилизации теплоты тер­ мических и нагревательных печей должно предшествовать экономи­ ческое сопоставление вариантов работы печи с регенерацией дымо­ вых газов и без нее.

Утилизация теплоты дымовых газов в основном осуществляется по таким схемам:

а) подогрев воздуха (а в ряде случаев и топлива), идущего на горение (причем горячий воздух направляется ко всем зонам печи);

б) использование теплоты продуктов сгорания топлива за счет установки за печью газотурбинной установки (ГТУ);

в) установка воздухоподогревателей и котлов-утилизаторов. При сжигании топлива со сравнительно высокой теплотворной спо­ собностью, как правило, используется комбинированная схема, когда вначале на газовом тракте устанавливается воздухоподогре­ ватель (обычно рекуперативного типа) с подогревом воздуха до температуры 250—350° С (в этом случае температура продуктов сгорания за рекуператором нагревательной печи составляет і'г.уа= = 650° С) и уже после рекуператора котел-утилизатор.

10.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Осуществляя мероприятия по утилизации теплоты, решаем вопрос, какой из приведенных выше схем следует отдать предпочте­ ние. Решение этого вопроса неразрывно связано с видом сжигаемого в печи топлива. Дело в том, что при сжигании низкокалорийного

191

топлива подогрев воздуха необходим, так как без подогрева в сва­ рочной зоне или зоне основного нагрева термической печи не будет достигнута требуемая температура. Следовательно, необходимость установки рекуператора при сжигании низкокалорийного топлива очевидна. Более того, при использовании такого топлива темпера­ тура воздуха составляет 400—500° С и в этих условиях весьма труд­ но применить котлы-утилизаторы.

Если в печи сжигается высококалорийное топливо, наиболее приемлемой может оказаться схема с ГТУ или смешанная, когда вначале на дымовом тракте устанавливается рекуператор, а затем котел-утилизатор. Температура продуктов сгорания перед котломутилизатором принимается равной 650—700° С.

Во всех случаях выбор схемы утилизации теплоты продуктов сгорания должен сопровождаться технико-экономическим сопостав­ лением вариантов. При такого рода сопоставлении следует иметь в виду, что наряду с рекуперативными используются и регенератив­ ные воздухоподогреватели. Так, кузнечные печи для нагрева круп­ ных поковок могут оснащаться регенеративными воздухоподогрева­ телями. Такие печи (по опыту Уралмашзавода) работают хорошо.

Рассмотрим краткую характеристику и методику расчета метал­ лических и керамических рекуператоров.

Расчет (тепловой) рекуператора бывает поверочный, когда определяются температура подогрева воздуха (топлива) п дымовых газов за рекуператором, и конструкторский. В результате теплового конструкторского расчета находят поверхность нагрева. Конструк­ торский расчет позволяет выполнить компоновку рассчитанной по­ верхности нагрева. При выполнении конструкторского расчета раз­ меры отдельного элемента поверхности, проходные сечения по воз­ духу (топливу) и продуктам сгорания задаются. В ряде случаев этими величинами вначале задаются ориентировочно, а в конце расчета они уточняются. Также должны быть заданы температуры ^r.yxi tv.' И tB".

Выполняя конструкторский расчет рекуперативного теплооб­ менника, нужно помнить, что определением поверхности нагрева он не заканчивается. В конце расчета уточняется компоновка поверх­ ности нагрева и при необходимости изменяется геометрическая характеристика отдельного элемента поверхности, что в свою оче­ редь вызывает необходимость пересчета поверхности нагрева.

Обе разновидности теплового расчета металлического рекупе­

U7ryx и WB— соответственно водяные эквиваленты первичного и вто­ ричного теплоносителей.

192

10.2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РЕКУПЕРАТОРОВ

Металлические рекуператоры подразделяются на игольчатые (стальные или чугунные), трубчатые и радиационные.

И г о л ь ч а т ы е р е к у п е р а т о р ы представляют собой сбор­ ную конструкцию (рис. 10.1), состоящую из отдельных нормализо­ ванных элементов (рис. 10.2). В настоящее время нашей промыш-

.ценностью выпускаются нормализованные игольчатые элементы четырех типоразмеров (табл. 10.1).

Т а б л . 10. 1. Характеристика элементов игольчатого рекуператора

Длина игольчатой трубы ММ

Характеристика

Наиболее часто используются игольчатые элементы с односто­ ронними иглами (со стороны воздуха). Стойкость игольчатых реку­ ператоров в основном определяется материалом, из которого они изготавливаются. Так, элемент, изготовленный из высококремнистого

^г.ух^800°С. Подогрев воздуха в такого рода рекуператорах редко превышает 400° С. Для устранения пережога первых секции их отливают из стали со значительным содержанием хрома или же разбавляют. продукты сгорания топлива атмосферным воздухом, для того чтобы температура на газовой стороне перед рекуперато­ ром не превышала 800° С.

С учетом оребрення поверхности нагрева коэффициент тепло­ передачи такого рекуператора сравнительно высок и составляет

20—30 ккал/м2-ч-° С.

Основные недостатки игольчатого рекуператора — низкая газо­ плотность (утечки воздуха составляют 15—25%) и очень большая металлоемкость по отношению к 1 нм3 воздуха, поступающего в ре­ куператор.

Т р у б ч а т ы е р е к у п е р а т о р ы подразделяются на петле­ вые и прямотрубные. Петлевые рекуператоры используются наибо­ лее часто. Элементы трубчатых рекуператоров в отличие от иголь­ чатых не стандартизированы, что обусловливает большое разнообра­ зие таких рекуператоров.

Трубчатые рекуператоры при весьма хорошей газоплотности обладают в 1,5—2 раза меньшей (по сравнению с игольчатыми) металлоемкостью. Скорость воздуха в таких рекуператорах колеб­ лется в пределах 7—20, а продуктов сгорания топлива — 4—15 м/сек. Коэффициент теплопередачи трубчатого рекуператора составляет 15—25 ккал/м2-ч-° С при температуре подогрева воздуха до 400° С. В силу своей высокой газоплотности трубчатый рекупе­

600—700°С).применяются р а д и а ц и о н н ы е р е к у п е р а т о р ы . Наиболее часто встречаются кольцевые и трубчатые рекуператоры такого типа.

Кольцевой рекуператор состоит из двух коаксиальных цилинд­ ров (рис. 10.3) диаметром 0,4—1,6 м. Толщина кольцевого зазора составляет 20—50 мм. Вторичный теплоноситель с большой ско­ ростью порядка 30—40 м/сек движется в кольцевом зазоре рекупе­ ратора. Дымовые газы поступают в центральную трубу. Как и труб­ чатые, радиационные рекуператоры обладают очень высокой герметичностью воздушного тракта. Они устойчиво работают при температурах дымовых газов на входе /г.ух=900—1100° С. Коэффициент теплопередачи сравнительно высок и составляет 30—60 ккал/м2- ч ° С. При всех их достоинствах следует помнить, что такие рекуператоры обладают очень высоким сопротивлением воздушного тракта 500—1500 кГ/м2.

Трубчатые радиационные рекуператоры в инженерной прак­ тике встречаются сравнительно редко.

Установка рекуперативного теплообменника для подогрева воз­ духа, а в ряде случаев и топлива позволяет сэкономить значитель-

194

Рис. 10.3. Общий вид радиационного рекуператора:

13*

ное количество тепла, тем самым повышая коэффициент использо­ вания топлива и печи в целом. Оценка экономии за счет внедрения рекуперации газов может быть выполнена следующим образом. Вводим обозначение

</2+^3= ос %,

тогда количество теплоты, полезно используемое в печи и теряемое в окружающую среду, составит

Предположим, что в результате рекуперации часть теплоты возвращается в печь. Тогда потери уменьшатся и уравнение (10.2) примет вид

100—а( 1—р ) . (10.4)

По аналогии с выражением (10.3) запишем

где (Qb1*)7—кажущаяся теплотворная способность топлива, ккал/нм3 (кдж/нм3) ;

р — степень рекуперации продуктов сгорания:

1 "

Р==~і---- ;

Ч \у X

196

Выполнив подстановку, будем иметь

=100— а(1 —р)'

Методика расчета металлического рекуператора заключается в следующем.

Вначале производят выбор элемента поверхности нагрева реку­ ператора и, кроме того, решают вопрос о их компоновке в поверх­ ности нагрева. Используя принятую компоновку, определяют живые

вых сечений воздушного и газового трактов, находим средние ско­ рости теплоносителей (в отдельных случаях этими скоростями приходится задаваться)

где /в — средняя температура вторичного теплоносителя в области рекуператора;

— /в '+ П ’С (°К);

fB— живое сечение рекуператора для прохода вторичного теп­ лоносителя, лі2;

^r.yx — средняя температура первичного теплоносителя;

/г.ух — живое сечение рекуператора для прохода первичного теп­ лоносителя, м2.

При этом нужно помнить, что при определении величины /г.ух температурой t"T.ух задаются. Впоследствии эта температура

197

комендуемых для данного типа рекуператора. Если их значения все же отличаются от приведенных, то нужно несколько изменить про­ ходные сечения трактов.

Для средних температур /г.ух и tn выбирают средние объемные изобарные теплоемкости первичного и вторичного теплоносителя (под вторичным теплоносителем нужно понимать воздух или топ­

где Ев и Ег.ух — секундные расходы вторичного теплоносителя и про­ дуктов сгорания топлива соответственно при темпе­

I

198

где Сп — приведенный коэффициент излучения:

Сп= 4 е г.ух ккал/м2 • ч ■° К4 (вт/м2• ° К4) ;

Тг.ух — абсолютная температура продуктов сгорания (среднее значение);

Тст — абсолютная температура стенки рекуператора:

(рис. 5.1—5.3) при температуре /г.у*.

к поверхности элемента рекуператора выбирается с помощью гра­ фиков (рис. 10.5—10.7) или рассчитывается по формуле (R e> l-104)

Найдя а л и а к, определяют эффективный коэффициент теплоотдачи со стороны дымовых газов.

199

^к.

W/M

36

30

24

21

18

15

12

t

9

i

ic. 1

~d3=

-«»»=