Расчет доменного воздухонагревателя

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ УКРАИНЫ

ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра ТТМП

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пояснительная записка

К курсовой работе

По курсу «Основы расчета  теплообменных процессов и устройств»

«Расчет доменного воздухонагревателя»

 

 

 

 

 

                                                           

 

 

 

 

 

                                                                                        Выполнила: ст. гр. ЭТ-05

                                                                                         Приймак Ю. В.

                                                                    Проверила: Хлестова О. А. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мариуполь

2008

 

 

^{РЕФЕРАТ}

 

^{Пояснительная записка  содержит    28        с.,   4      рис.}

^{Объект исследования – доменный воздухонагреватель.}

   Цель расчета - по заданным параметрам определить размеры и компоновку блока доменных воздухонагревателей, выбрать режим работы блока воздухонагревателей.

   В результате выполнения курсовой работы студент должен получить навыки самостоятельного выбора режим работы, материала, типа насадки доменного воздухонагревателя и рассчитать параметры его работы, конструктивные параметры.

 

 

 

 

^{Каупер, рекуператор, насадка, подогрев воздуха, температура дутья, период дутья, период нагрева.}

 

 

 

Содержание

1. Введение………………………………………………………………………………

 

2. Исходные данные для расчёта……………………………………………………….

.

3. Конструкция воздухонагревателей и режим работы……………………………….

 

4. Описание типа насадка……………………………………………………………….

 

5. Подбор состава топлива………………………………………………………………

 

6. Расчет  периода дутья…………………………………………………………………

 

7. Тепловой баланс………………………………………………………………………

 

8. Расчет  периода нагрева………………………………………………………………

 

9. Определение геометрических размеров…………………………………………….

 

10. Выводы………………………………………………………………………………..

 

11. Список литературы……………………………………………………………………

 

Приложение ……………………………………………………………………………….

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

 

   Регенеративные теплообменные  аппараты находят широкое применение  в промышленности, особенно в  тех случаях, когда необходимо получить высокие температуры нагрева теплоносителя.

   Например: доменные воздухонагреватели, регенераторы мартеновских печей и т.д. Регенераторы в отличии от рекуператоров,могут работать лишь периодически (циклически). Это обусловлено тем, что в регенераторах используется промежуточное тело (насадка). Через насадку пропускают греющую среду (греющий теплоноситель), который нагревает насадку и при этом охлаждается. Когда насадка нагревается до заданной температуры, прекращают подачу греющей среды (отделяют насадку от греющей среды). После этого в насадку подают нагреваемую среду, которая охлаждает насадку. Так как насадка по массе всегда ограничена, то ограничено и время ее охлаждения и нагрева. Таким образом, регенератор принципиально не может работать в непрерывном режиме. Кроме этого температура насадки изменяется во времени, следовательно, регенераторы работают в нестационарном режиме. Эти обстоятельства значительно усложняют задачу расчета регенеративных аппаратов.

   Так как в регенераторах насадка нагревается и затем охлаждается, то работу регенератора нужно строить таким образом, чтобы энергия аккумулирования насадки во время ее нагрева была бы отдана нагреваемой среде. При этом для стабильной работы (т.е. для поддержания средней температуры нагреваемой среды на входе из регенератора постоянной) необходимо, чтобы энергия, отданная греющей средой, была бы в точности равна энергии нагреваемой среды с учетом потерь. Поддержание этих условий накладывает определенные требования на режим работы регенератора. Кроме этого с точки зрения целесообразности и экономичности насадка также должна удовлетворять определенным требованиям. Необходимо, чтобы в теплообмене участвовала вся масса насадки. Если это условие не будет выполнено, то резко  возрастает материалоемкость регенератора. Поэтому с точки зрения теплообмена насадка по условиям нагрева должна приближаться к ²тонкому² телу, т.е. желательно, чтобы температура во всех точках насадки была одинакова. Этому условию ближе всего удовлетворяют  металлические регенераторы небольшой высоты по ходу греющей (нагреваемой) среды. Для керамических регенераторов обеспечить одинаковую температуру по всей высоте насадки не удается. Поэтому, для керамических регенераторов желательно иметь одинаковую температуру насадки по ее толщине в каждом сечении по высоте. Но и это условие выполнить полностью не удается, т.к. насадка испытывает достаточно большие механические нагрузки и следовательно должна обеспечивать механическую прочность. В связи с указанным, необходимо правильно выбирать тип и размеры насадки. Чаще всего насадку выкладывают из обычных или специальных насадочных кирпичей, а также специальных блоков. В некоторых случаях насадку выполняют из шариков или других элементов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Исходные данные для расчета

 

1.объем доменной печи V_{дом.печи;}

2.объем  доменного  дутья B_в=1240м³/мин;

3.температура купола максимальная t_куп.max=1420°С;

4.температура низа насадки максимальная t_н.н.max=380°С;

5.температура холодного воздуха  на входе t₂₁=135°С;

6.температура горячего дутья в конце периода дутья  t₂₂=1300°С_;

7.вид топлива - природно-доменная смесь;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Конструкция воздухонагревателей  и режим работы

 

   Воздух, необходимый для  горения топлива, перед подачей  в доменную печь нагревается в специальных аппаратах – воздухонагревателях. В них дутье подогревается до 1200⁰С.

   Воздухонагреватель  представляет  собой цилиндрическую  башню высотой  30 – 50 м и диаметром до 10 м  со сферическим куполом и днищем.

   Внутри пространство воздухонагревателя разделено вертикальной стеной на две части: камеру горения и камеру насадки. Разделенная стена выкладывается до верхнего уровня цилиндрической части воздухонагревателя. Вверху находится подкупольное пространство.

   Объем камеры насадки заполнен огнеупорным кирпичом – насадкой, служащей для аккумуляции тепла продуктов сгорания газа во время нагрева воздухонагревателя с последующей отдачей его дутью. Насадочный кирпич укладывается таким образом, что образуются вертикальные сквозные каналы по всей высоте насадки – ячейки.

Применяется несколько типов насадок:

- насадки с квадратным сечением  ячеек 60 х 60 мм;

- с круглым сечением ячеек  диаметром 40 мм;

- насадки из прямого и фигурного  кирпича.

   В нижней части  насадки используется шамотный кирпич, а в верхней высокотемпературной зоне – высокоглиноземистый или динасовый  кирпич.

   Насадка находится на  поднасадочном устройстве – нескольких  чугунных литых решетках с  отверстиями, которые соответствуют  по форме и размерам ячейкам  насадки. Каждая решетка  опирается на чугунную литую колонну, установленную на днище воздухонагревателя.

   Мощность воздухонагревателя  определяется площадью нагрева  насадки. 

   Кожух воздухонагревателей  изготавливают из низколегированных  сталей марок 14Г2, 09Г2С, 10Г2С с толщиной листов 25-40 мм для воздухонагревателя и 20 мм для шахты горения в случае устройства  ее выносной.

   Кожух делают сварным  с применением электрошлакового  метода сварки. Листам купола  с увеличенной толщиной придается  скорлупообразная форма.

   Для предупреждения интеркристаллитной  коррозии кожуха применяется  тепловая изоляция его покрытием  кислотостойкими керамическими  массами или защита фольгой  из специальной стали.

Заданный     режим     работы регламентируется технологической  картой, составляемой для каждого блока воздухонагревателей теплотехнической лабораторией,    согласованной    с    мастером    газового хозяйства и утвержденной начальником цеха. Технологическая карта режима работы воздухонагревателей пересматривается один раз в год, а также в случаях ухудшения состояния воздухонагревателей и при постановке воздухонагревателей на ремонт. Максимальная температура куполов устанавливается для воздухонагревателей, высокотемпературная зона которых выполнена:

1.Из высокоглиноземистого кирпича - 1300°С

2.Из малоразрыхляющегося        - 1400ºС 

Максимальную  температуру  в  сторону увеличения может изменить мастер газового хозяйства только по согласованию с начальником цеха. Для рационального использования  времени нагрева с целью большей аккумуляции тепла насадкой, температуру под куполом необходимо поднимать до верхнего предела  в минимально короткое время. Регулирование   температуры   купола   производится изменением     избытка    воздуха     путем    уменьшения количества газа или увеличением количества подаваемого воздуха.   Греть   воздухонагреватели   с   избытком   газа запрещается. Максимальная температура  отходящих продуктов горения - 400°С для всех воздухонагревателей.

Газовщик обязан внимательно следить  за характером горения газа в воздухонагревателе и всеми доступными ему средствами   подбирать   режим   горения,   не   допуская пульсации пламени.

На воздухонагревателях, высокотемпературная  зона которых выполнена из малоразрыхляющего  динаса, устанавливаются дополнительные термопары на границе динасовой кладки. В процессе работы температуру этих точек понижать ниже 700°С не разрешается.

Воздухонагреватель  может работать  в  одном  из следующих режимов:

1. Режим нагрева;
2. Режим дутья;
3. Режим отделения;

4.Режим тяги.

Рабочее давление газа, идущего на смешение, равно:

850 - 1000 мм. в. ст. - природного газа

550-750 мм. в. ст. - доменного газа

Исполнителю ремонтных работ на ГСС необходимо изъять со щита управления (с разрешения газовщика печи) ключ-бирку и возвратить ее только после окончания работ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Описание типа насадка

 

    Насадка является основным  конструктивным элементом воздухонагревателя, определяющим процессы передачи тепла от продуктов сгорания к нагреваемому дутью. Она представляет собой выложенную из огнеупорных изделий кладку с большим числом вертикальных каналов. В период нагрева воздухонагревателя насадка аккумулирует тепло от проходящих по каналам продуктов сгорания, а в период дутья отдает это тепло проходящему по каналам дутью. Продукты сгорания поступают в насадку из подкупольного пространства и движутся по ней сверху вниз, а дутье движется в противоположном направлении — снизу вверх (противоток).

Степень использования тепла продуктов  сгорания, т.е. количества тепла, переданного  дутью, и температура его зависят от интенсивности передачи тепла от продуктов сгорания к поверхности каналов и в обратном направлении — к дутью, от величины теплообменной поверхности, а также от аккумулирующей массы огнеупорного кирпича в насадке и его теплофизических свойств.

Воздухонагреватели являются регенеративными  аппаратами, насадка которых служит аккумулятором тепла дымовых  газов. Для передачи возможно большего количества тепла от дымовых газов  насадке, а затем от насадки нагреваемому дутью необходимо, чтобы, во-первых, теплоотдача от газов к поверхности нагрева была достаточно интенсивной и, во-вторых, аккумуляция тепла насадкой была возможно большей. Теплоотдача увеличивается с повышением коэффициента теплоотдачи и с увеличение поверхности нагрева в единице объема, что обусловлено конструктивными особенностями насадки. Аккумулирующая способность насадки зависит как от конструкции ее (объема кирпича в единице объема насадки), так и от удельной теплоемкости, плотности и теплопроводности материала насадки.

Количественный анализ показывает, что необходимая поверхность  нагрева для доменных воздухонагревателей  изменяется почти обратно пропорционально  коэффициенту теплоотдачи. Поэтому  разработка и внедрение насадок  с высоким коэффициентом теплоотдачи  позволяют существенно сократить поверхность нагрева и габариты воздухонагревателей.

   Насадку со сплошными вертикальными каналами называют насадкой Каупера. В этом случае отдельные каналы не сообщаются друг с другом и пронизывают регенератор по всей его высоте. Сечение каналов чаще всего имеет форму квадрата. В случае, если насадка выложена из блоков, то сечение может быть различным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Подбор состава топлива

 

   Для того, что бы обеспечить  температуру дымовых газов 1420°С - действительная температура горения топлива должна составлять 1425 ºC. Такую температуру горения может обеспечить природно-доменная смесь газов, где доля природного газа составляет 0,1, а доля доменного газа составляет 0,19.

   Такая смесь  обладает следующими характеристиками:

Низшая рабочая теплота сгорания =4,02 МДж/м³

Теоретический расход воздуха L₀=1,625 м³/ м³

Действительный расход воздуха L_а=1,869 м³/ м³

Объём СО₂=0,457 м³/ м³

Объём Н₂О=0,243 м³/ м³

Объём N₂=1,974 м³/ м³

Объём О₂=0,061 м³/ м³

Объём дымовых газов = 2,735 м³/ м³

 

   Расчет проводился по следующим параметрам:

 

Природный газ, %                                  Доменный газ, %                    Остальные параметры

СН₄=15,5                                              CH₄=0.3                                     K_O2=21 %              

CO₂=1,1                                               CO₂=12.5                                   η_пир=0,91

N₂=55,0                                                 N₂=55                                         α=1,15

CO=27                                                  CO=27

H₂=5                                                     H₂=5.0

O₂=0.2                                                   O₂=0.2

   ^{Необходимый  расчеты для подбора  искомых параметров был проведен с помощью ЭВМ}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Расчет  периода дутья.

 

По рекомендации [1] принимают скорость дутья, приведенную к нормальным условиям в пределах 5¸7 м/с, принимаем равной 6 м/с . Принимая распределение температур по высоте насадки экспоненциальным, находят значение k=const показателя экспоненты:

 

                                     

                   (1)

 

          

 

Затем находим:

1. Среднюю по высоте и за период дутья температуру воздуха

                                                                           (2)

 

                                            °С

2. Среднюю по высоте и за период дутья температуру насадки

                                                              (3)

                                      

 

3. Теплофизические свойства насадки и дутья по их средним температурам;

 

 l_в=6,82·10^-2Вт/м·К;     m=4,5·10^-6Па/с;

 

l_нас=1,4 Вт/м·К;  С_н=1,16 кДж/м³К;     r_н=1710 кг/м³

 

4.   Число Рейнольдса

                                                                              (4)

                                         

 

где плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м³;

      скорость воздуха, приведенная к нормальным условиям, м/с;

      размер ячейки, м;

      абсолютная динамическая вязкость воздуха при средней

              температуре его  , Па×с.

5.  По приложению 2 подбираем подходящую формулу и определяем число Нуссельта;

 

Nu=A·Reⁿ  A=0,018   n=0.8  (5)

 

Nu=0,018·208563^0.8=324

6.   По числу Нуссельта находим коэффициент теплоотдачи от насадки к воздуху

,                                     (6)

 Вт/м²*К

 

7. Максимальный температурный коэффициент по формуле

                                                 ,                                    (7)

                         

 

где  - максимальная температура горячего дутья,⁰С.

 

     На основании опытов, проведенных на заводах Ильича  и Азовсталь под руководством  П.В. Левченко, можно утверждать, что температура дутья на выходе из воздухонагревателя в начале периода отличается от максимальной температуры купола на 40-60 градусов, т.е.

 

                             (8)

 

8. Значение комплекса  

                                                                              (9)

                                             

9. Число Био для периода дутья      

                                              ,                                        (10)

                                            

 

   где S_н - эквивалентная толщина прогрева насадки. 

   Для насадки Каупера, выложенной из кирпича (Рис.1) эквивалентная толщина прогрева насадки

 

                                            ,                                    (11)

 

 

      где d- толщина кирпича, м;

            d- размер ячейки, м.

 

                                                                                                   

                              

 

 

 

 

 

                                     Рис. 1. Насадка Каупера.

                                            

 

10. Коэффициент, учитывающий ²массивность² насадки для периода дутья           

                                        

                                                                                     (12)

                                                

 

11. Высоту насадки   

                                                                           (13)  

 

12. Безразмерное время периода дутья

              

                                   (14)

 

 

 

13. Продолжительность периода дутья

 

                                                                                (15)

                                

                                         

                                                       

 

                                                                        

                                              

                  

                                             

                                                         насадка

 

                                                                 

 

                                                                 

                                                                

 

                                                

                                  

                          

                          0             

Рис.2. Изменение температур насадки  и дутья в процессе дутья

 

 

 

 

 

 

            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Тепловой баланс

 

1. Тепловой баланс можно записать в виде:

 

                                                                         (16)

 

где - тепло, вносимое при сжигании топлива, Дж;

      - тепло, идущее на нагрев дутья, Дж;

      - потери тепла с уходящими газами, Дж;

     потери тепла в окружающую среду, Дж.

 

2. Тепло, вносимое при сжигании топлива:

 

                                                ,                                      (17)

 

где - расход топлива, м³/с;

      -низшая теплота сгорания топлива, Дж/м³;

      -время нагрева, с.

Схематически последовательный режим  можно изобразить так:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                               

Рис. 3. Последовательный режим работы блока доменных воздухонагревателей.

 

Таким, образом, время цикла

                                                         (18)

Принимая, что все ВН одинаковы, имеем для всех одно и то же время  дутья τ_д и, следовательно, одно и тоже время нагрева и время цикла. Поэтому имеет место соотношение:

                                                              (19)

                                                                                          (20)

                                                

Сравнивая эти два режима, прежде всего, отметим, что при одинаковой продолжительности цикла продолжительность  дутья по сравнению с последовательным режимом возрастает, а продолжительность  нагрева сокращается. Продолжительность  дутья возрастает  в 2 раза, а продолжительность нагрева сокращается в 1,5 раза (фактически несколько больше, т.к. при

 

              

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Параллельный режим работы блока доменных воздухонагревателей

 

параллельной работе переход на дутье, т.е. несколько больше чем при последовательном режиме). Если при переходе на параллельный режим продолжительность цикла не изменилась и температура нагрева воздуха сохранилась, то расход топлива на нагрев воздухонагревателя необходимо увеличить не менее чем в 1,5 раза. Такое увеличение расхода топлива требует и повышения давления газа и воздуха, т.к. для пропуска большего расхода продуктов горения необходим больший перепад давления.

 

3. Тепло, идущее на нагрев дутья

 

                                             ,                                   (21)

  кДж,

 

   где  - расход дутья (воздуха), м³/с;

       - разность энтальпий, Дж/м³;

        -  время дутья, с.

 

4. Разность энтальпий

                         

                                ,                                            (21)

                                кДж/м³

 

   где  , - энтальпии воздуха при температурах t₂₂ и t₂₁ соответственно, Дж/м³.

 

5. Потери тепла с уходящими газами

                                     

                                                                       (23)

 

h_ух.г.=Sh_iD_i (24)

 

h_ух.г.=0.01·(h_CO2·CO₂+h_H2O·H₂O+h_N2·N₂+h_O2·O₂)=0.01·(492.7·16,69+378·8,89+348.5·72,19+

+359.6·2,22) = 332,8 кДж/м³

 

 

где - расход топлива, м³/с;

       -энтальпия продуктов сгорания, Дж/м³;

       - выход продуктов сгорания, м³/м³.