книги / Расчёты и задачи по теплотехническому оборудованию предприятий промышленности строительных материалов

гдеКВ и КН- коэффициенты теплопередачи конвекцией и излучением

для верха и низа насадки за цикл.

Рассчитываем по формуле, предложенной И. Д. Се­

микиным и Э. М. Гольдфарбом [39],

К =		3,6
	1	1	б (	б2ср )	•
	- + - + - 1 ---
	ад 't'A (хв 't'B		3л't'	108·Л't'
где ад и СХвкоэффициенты		теплоотдачи		ог дымовых газов насад­
ке и от насадки воздуху, Вт/(м2 .К);
"д И 't'B- продолжительность			периода	движения дымовых га­

зов и воздуха, ч.

Параметры насадочного кирпича следующие: с­ удельная теплоемкость, кДж/ (кг. ОС); Р - плотность,

кг/м3; б - толщина, м; л - теплопроводность, Вт/(м,ОС),

Если теплоотдача происходит за счет конвекции и из­

лучения, то

а! = o:~ + o:~,

где o:~ и o:~ - соответственно кОЭффициенты теплоотдачи от дымо-

вых газов насадке конвекцней и излучением,

Вт/(мЧ<:).

В данном случае и2=CX~' так как теплоотдача от на-

садки воздуху осуществляется только за счет конвекции

(воздух - газ теплопрозрачныЙ).

Для всех случаев

1,78ыО,5 тО ,25

где w - скорость дымовых газов или воздуха при их движении по

насадке, м/с;

т - абсолютная температура дымовых газов или воздуха, К;

d - гидравлический диаметр ячейки насадки, пр" квадратной

ячейке равен размерам ее, т. е. 0,12 м.

Для определения коэффициента теплоотдачи излуче­

нием используем формулу

где qи - плотность потока, передаваемого излучением насадке ды­

мовыми газами, BTIM2 •

Температура насадки tи= tA + (в •

2

Плот!!ость теплового потока излучением рассчитыва­

ют по формуле (Вт/м2 ):

qи = СоВд(~~yА,

271

где СО - коэффициент теплоотдачи излучением абсолютно-черного

тела, равный 5,7 BT/(M2_K~);

8д- степень черноты дымовых газов (определяют ее по номо­ граммам приложения 8-10);

-коэффициент обратного излучения насадки;

А = 1 _ ( ~: )з.6 _

Рассчитываем коэффициент теплообмена для верха насадки. Принимаем скорость воздуха 0,4 м/с, тогда

скорость дымовых газов составит

	{J)д =	Уд	6,76
		(ов - = 0,4 - = 0,44м/с;
		VB	6,15
Тд =	1500+ 273 = 1773" К;		ТВ = 1100+ 273 = 1373°С.
ДЛЯ	дымовых	газов
	178.0440.5·177з0.25
	а,д =' ,		= 15,4 Вт/(м2·К).
	к	0,120.33

Значение a~ вычисляем с помощью десятичных лога­ рифмов. В данном случае:

Jg a,~ = Jg 1,78 +	0,5 Jg 0,44 + 0,25 Ig 1773 -	0,33Ig0,12 =
= 0,25 -	0,178 + 0,812 + 0,304 =	1,188.

По антилогарифмам a~=15,4 Вт/(м2 ·К). Для воздуха

178·0400.5.137з0.25

r:x: = '	~,120.зз		= 13,8 Вт/(мЧ().
Для расчета аи определяем:
tll		1500 + 1100
	=	2	= 1300°С.
Находим коэффициент А:
А = 1 _ ( 1300 +	273	)з.6 = 1 _	0,8873.6 = 1 - 0,65 = 0,35,
1500+ 273

Степень черноты дымовых газов Ед находится по за­

висимости их от парциального давления Р, бар (кПа).

толщины излучающего слоя SЭФ, м и температуры t, ос

272

по номограммам приложения 8-10. Общее давление га­ зов принимаем равным 1 ат, или 100 кПа. Тогда

Рео. = 0,088·100 = 8,8 кПа; Ри•о= 0,172·100 = 17,2 кПа.

Эффективную толщину слоя газов в насадке (уча­ ствующий в излучении) принимают равной размеру ячейки насадки или 0,12 м. Находим произведение пар­

циального давления на толщину слоя газов:

Рео. SэФ = 8,8·0,12 = 1,06 кПа·м;

Ри.оSэф = 17,2·0,12 = 2,06кПа·м.

По номограммам находим степень черноты углекисло­

ты и водяного пара дымовых газов, а также поправочный

коэффициент на излучение водяного пара (при.,ложение

10). Тогда
Вео. + Ви,о ~ =			Ед ;
B~5g~ = 0,028;		B~~g = 0,017; ~ = 1,07;
8 = 0,028	+0,017·1 ,07 = 0,0462.
Тогда		1500 + 273 )'
qи = 5,7 ·0,0462 (			0,35 = 9100 BT/M2;
		100

9100

сх.и = 1500-1300 = 45,5Вт/(м2 ·К).

Суммируя коэффициенты излучения и конвекции, полу­

чаем:

cx.l= 15,4+45,5=60,9Вт/(м2·К); ~= 13,8BT/(M2·K).

Расчет параметров насадочного шамотного кирпича следующий:

с = 0,837 +О,ОО0264/н = 0,837 + 0,000264·1300 = 1,14 кДж/(кг.ОС);

л=0,7+0,00064 tH =0,7 +0,00064 ·1300= 1,5 Вт/ (м. ОС).

Принимаем

р= 1900 кг/м3, размеры кирпича 300Х150Х65 мм.

Рассчитываем Кв за цикл:

KB= ________________~3~,~6____________________ =

1	+	1	+ 0,065 (1-	О,065Ч,14.1900)
60,9·0,5		13,8·0,5	3·1,5·0,5	108·1,5·0,5
		= 17,5кДж/(м2·К).
18-266				273

Рассчитываем коэффициент теплопередачи для низа

насадки подобно предыдущему расчету. Скорость возду­

ха н дымовых газов оставляем прежними: 0,4 и 0,44 м/с. Температуру дымовых газов принимаем по К:

тд = 470 + 273 = 7430 К; ТВ = 70 + 273 = 3430 К.

Значения ан:

для дымовых газов

1,78.0,44°·5.74з°·25
a~ = -'-----	'-о-,1-20-.-зз--~ = 12.4 Вт!(м2. К);

для воздуха

в1,78.0,40,5.34з°·25

а =	=9,88т/(м2 ·К).
к	0,120'33

Рассчитываем коэффициент излучения дымовых газов, для чего определяем tH и А:

	tи =	470	+ 70 = 2700 С.
			2	'
А=I-	270 +	27з)з.6		=1-0,7з3.6=0,67.
	( 470+273

Общее давление газов, парциальные давления СО2 и Н2О, а также произведение РSэф остаются теми же, что для верха насадки. Находим степень черноты газов при температуре 4700 С:

8470 - О 051'

со. . •

8iI.rь =0.054·1,07 =0,058;

8д=0,051+0,058=0.109.

Определяем плотность теплового потока излучением

		470 + 273)'
	qH = 5,7·0,109 (		100	0,67 =	1270Вт/м2;
	ан =	1270	= 6,34 Вт/(м2 ·К),			Тогда
		470270
	аl = 12,4 + 6,34 = 18,74 8т/(м2·К); а2				=	9,8 Вт!(м2·К).

Пара метры насадочного кирпича следующие:

с = 0,837 +	0,000264·270 =	0,91 кДжl(кг'ОС);
л = 0,7 +	0,00064·270 =	0,87 8т/(м2.0С).

274

Рассчитываем Кн за цикл:

3,6

KH=------------------		1	~	~--------------			~-------
1				0,065 (		1-	0,0652'0,91'1900)
--- +		--	+	3·0,87·0,5			108·0,87·0,5
18,7·0,5	9,8·0,5.
			= 14 кДж/(м2·К).
Средний коэффициент теплопередачи за цикл соста­
вит:
	Кер =		17,5+14		= 15,75 кДжl(М2·К).
			2

Площадь поверхности нагрева насадки определяют

по тепловому потоку, расходуемому на нагрев воздуха и теряемому в окружающую среду:

	Ф=Фв+Фо.с;
	Ф = 9220 +	2410 = 11 630 кВт;
FH8C	Ф·1800	11630·1800
	= ----	------- = 3330 м2,
	КсрМср	15,75.400

где МНQжитель 1800 характеризует продолжительность

цикла, с.

На каждый 1 м2 зеркала варочной части печи прихо­

дится площадь поверхности нагрева насадки, равная

F H8C = 3330 = 17,8 м2/м2.

Fв.ч 187

Для определения размеров насадки необходимо рас­ считать площадь поверхности нагрева 1 м3 насадки дан­

ного типа.

Для насадки типа Лихте:

	6	а + 2Ь + 6 - l			а + l + 26
'уд = h .		(а	+ 6) (Ь + 6) +		(а + 6)	(Ь + 6) ,
где а=Ь=0.12 м -	размер ячейки насадки;
б, h, 1 -	размеры кирпича			насадки,		соответственно рав­
	ные 0,065, 0,15 и 0,3 м;
'уд =	0,065		0,12 + 0,24 +		0,065 -	0,3 +
	0,15'		0,12+0,065
	0,12+0,3+0,13					3
+		0,12+0,065		=	16,2м2/м •
18*						275

Объем насадки

Fизе 3330

У=-=-=206м3 •

'уд 16,2

Определяем размеры насадки. Длина ее равна длине варочной части, с учетом установки карманов Питсбурга. Высоту h и ширину Ь рассчитываем:

206

lи=23,В-2,В=2IМ,' hи =4М,' Ьи =-=245м

4·21 ' .

5. Расчет сечениА каналов и горелок

Путь движения воздуха в стекловаренную печь начи­

нается от переводного клапана, расположенного за реге­

нератором. Холодный воздух из окружающей среды вхо­

дит в отверстие переводного клапана, куда он засасыва­ ется в результате отрицательного давления, создаваемо­ го у основания регенератора нагретым в насадке возду­

хом.

В данном расчете необходимо определить площадь

сечения отверстия клапана, канала, соединяющего его с

регенератором, поднасадочного канала и кан~лов горе­

лок. Так как перед регенератором температура воздуха в каналах невысокая, то можно пренебречь увеличением

объема воздуха за счет его нагрева.

1) Рассчитываем площадь сечения воздушного люка

клапана. Степень открытия люка (м2 ) определяем по

секундному объему проходящего воздуха и допустимой

скорости на этом участке, равной 3,5 м/с:

		Ув
		F1 = - ,
		(о
где Ув -	объем воздуха	(равный 6,15 M3jc);
(о -	скорость движення воздуха, м/с.
Тогда		6,15
	F		175м2
		= - =		.
	1	3,5	'

Принимаем размеры прямоугольного люка клапана по рис. УII.13: ширина 1,7, высота 1,03 м.

2) Канал между клапаном и регенератором рассчи­

тываем при скорости движения воздуха 2,5 м/с:

6,15

F = - =2	3м2	.
2 2,5 '

276

Размеры канала: ширина 1,7 м, высота 1,35 м.

3) При расчете поднасадочного					канала принимаем
скорость воздуха 2 м/с:
F		6,15		07м2
	з	= - =3	'		.
		2

LUирину канала принимаем равной ширине насадки регенератора, т. е. 2,4 м, тогда высота прямоугольной ча­ сти поднасадочного канала будет 1,4 м.

Рис. VII.l3. Схема

работы переводно­

го клапана регенератора

а - ПУТЬ движеиия

воздуха; б - ПУТЬ

движеиия газов; 1 -

шибер; 2 - люк

Далее, воздух, пройдя насадку регенератора, поступа­

ет в горелку, где смешивается с топливом и сгорает, при

этом образуется факел горения, направленный в рабочую

камеру печи. В горелке рассчитывают сечения трех кана­

лов: шахты горелки, горизонтального канала и влета.

При расчете горелок необходимо учесть увеличение объ­

ема воздуха вследствие его нагрева.

4) При расчете площади сечения шахты горелок принимаем повышение температуры на 250, т. е. 11250 С.

Тогда
V1125	=	VO (1 + 1125) =		6 15.5	12 =	31	,	5 м3/с	.
в		в	273	"
Скорость воздуха			принята 2,5		м/с.	Площадь сечения

всех шахт горелок на подающей воздух стороне составит

V~125 31,5

~Fш=-- = - = 12.6м2.

ro 2,5

5)При расчете площади сечения горизонтальных ка­

налов горелок принимаем повышение температуры еще

на 250, т. е.	11500 С, и скорость воздуха 5 м/с. Тогда
V1l50	= 6	•	15 (1 + 1150) =	6 15·5 21 =	32	,	1 M3fc	•
в			273	••

277

аплощадь сечения горизонтальных каналов горелок

32,1

'2.Fr.K = -5- = 6,4 ма.

6) При расчете площади сечения влетов принимаем температуру воздуха 1200 ОС. Скорость воздуха должна соответствовать длине факела горения, т. е. ширине пла­

менного пространства печи и равна 8,2 м/с. Тогда

V~200= 6,15 (1 + 1:7~) = 6,15·5,4 = 33,2 мЗ(с,

Определяем площадь сечения влетов:

-		33 2	=405м2
'2.F	вn	= - '		.
		8,2	'

Определим количество и размеры горелок:

lв.ч 23,8

n= - = - =6пар.

3,5 3,5

Принимаем пять пар горелок, так как место шестой пары заНИj\1ают карманы Питсбурга. Расстояние между

горелками из условий удобства обслуживания их прини­ маем 1,1 м; расстояние от торцовой стены до первой го­

релки -2 м и расстояние от последней горелки до конца варочной части с учетом карманов Питсбурга -4 м. Кладка горелки имеет толщину 1,5 кирпича (1 кирпич динасовый и 0,5 кирпича теплоизоляционного, т. е. всего

0,37 м).

Суммарная ширина всех горелок составит: 23,8-

(1,1.5+0,37 ·10+4+2) =23,8-15,2=8,6 м.

На одну горелку

8,6

Ь=- = 1,7м.

5

Принимаем все горелки одинаковой ширины, равной 1,7 м. Тогда размеры сечений будут следующие:

а) шахта

		'2.F		ш	12,6
F	ш	= -	n		= - =2	52м2.
					5 '	,

если принять ширину шахты 1,7 м, то длина ее

2.52	=148 М'
1.7	' ,

278

б) горизонтальный канал

F		"2.Рг К	6,4		= 13м2.
	Г.К	= -- =	-	5
		n			' ,

если ширину горизонтального канала принять 1,7 м, то

~ 1 3

высота его составит--'- =0,8 м;

1,7

в) влет	4,05
l:FВ1I
РВII = - n - =	5	= 0,81	м2.

Приняв влет расширяющийся, шириной 2 м, получим

высоту его:

0,81
hвn = 2	= 0,4м.

Сечение канала, отводящего дымовые газы на дымо­ вую трубу, рассчитываем по скорости 2,8 м/с (при нор­ мальных условиях) и объему дымовых газов 6,76 м3/с:

V	6,76	= 24м2
Р.ц = - oЦ	= -		.
ro	2,8
Размеры дымохода:	ширина	1,7 м, высота 1,4 м.

6. Аэродинамическая проверка работы печи

в рассчитываемой печи принято естественное движе­

ние воздуха за счет геометрического давления в регене­

раторах, поэтому аэродинамическая проверка необходи­

ма для того, чтобы убедиться в возможности такого дви­

жения газов.

Расчетом необходимо определить давление, затрачи­ ваемое на преодоление сопротивлений по пути движения

воздуха, и сравнить его с давлением, возникающим в

регенераторах. Последнее должно быть больше потерян­

ного. Разница между ними представляет собой запас давления, который в начале работы печи гасится воздуш­

ными шиберами и в процессе работы печи позволяет

компенсировать вновь возникающие сопротивления, свя­

занные с износом печи. Такой запас должен быть не ме­

нее 20%.

Исходные данные для расчета: объем воздуха VB = =6,15 м3/с; распределение температур на участках дви­ жения воздуха - по схеме рис. VII.14.

279

Принят следующий порядок расчета:

1) рассчитывают потери давления на преодоление

местных сопротивлений, так как на небольших участках

сопротивление трения имеет ничтожное влияние и его не учитывают;

2)рассчитывают величину геометрического давления

врегенераторе - горелке;

3)определяют запас давления и делают вывод о воз­

можности работы печи при естественном движении га­

зов.

Потери давления на преодоление местных сопротив­ лений, Па:

где ~ - коэффициент местного сопротивления; его находят по таб­ лицам местных сопротивлений (приложение 5) ;

00- скорость движения воздуха на данном участке при данной температуре, м/с;

I>t - плотность воздуха при данной температуре, кг/м3•

Среднюю скорость на каждом участке определяют так:

Vt

ООср= F '

где Vt - объем воздуха, приведенный к данной температуре, м3/с;

F - площадь сечения данного участка (ее берут из расчета пло·

щади каналов и горелок).

На участке горелок принимают площадь всех эле­

ментов горелок "i.F. Объем воздуха при данной темпера­

туре определяют по формуле

Vt = VB (1 +2~3) .

Плотность воздуха при данной температуре

273

I>t = 1>0 t + 273 '

где 1>0= 1,293 кг/м	- плотность			воздуха при			нормальных		условиях
З
Пример	расчета			первого			участка
Сопротивление -		вход		в клапан:			VB =6,15		м3/с.
Воздух входит В клапан при t=20° С.
V20 = 6		'	15 (1 + 20) = 6		'	6 м8/с		•
	t			273

280