Исходные данные. Секундный объем продуктов горения на входе в регенератор, /с:

Емкость печи – 300 т.

Секундный объем продуктов горения на входе в регенератор, /с:

V’п.г. = 11,0.

Состав продуктов горения на входе в насадку, %:

CO₂ =13 ,0; H₂O = 15,0; O₂ = 2,0; N₂ = 70,0.

Секундный расход подогреваемого воздуха на входе в поднасадочное пространство регенератора, /с: V’в = 5,9.

Температура подогрева воздуха на выходе из регенератора: t”_в = 1050 .

Температура воздуха начальная: t’_в = 45 .

Температура продуктов горения на входе в насадку: t’_п.г. = 1500 .

Размеры ячейки регенератора: d = 0,18 м (180 180 мм).

Толщина кирпича: м.

Ширина камеры регенератора: В = 6,2 м.

Отношение ширины насадки к её длине: .

Принять тип насадки однооборотный, состоящий из верхней форстеритовой части, выложенной по системе Каупер и нижней шамотной, выложенной по системе Сименс.

Принять, что одну треть тепла воздух получает от форстеритовой и шамотной частей.

Необходимо определить высоту насадки, в том числе её форстеритовой и шамотной частей.

Принимаем период полуцикла теплообмена:

с (0,125 ч.).

Из заданного соотношения рассчитаем длину регенератора:

м.

Тогда площадь поперечного сечения камеры составит:

.

Определяем удельное живое сечение насадки по формуле:

.

Сечение для прохода продуктов горения (воздуха):

.

1.Удельная поверхность нагрева.

Форстеритовой части (система Каупер):

.

Шамотной части (система Сименс):

,

где h = 0,115 – высота кирпича, м;

- высота нижнего бокового уступа кирпича, м.

.

Количество тепла, полученное воздухом за полуцикл теплообмена:

где и - средняя теплоемкость воздуха при постоянном давлении соответственно при температурах 1050 и 45 ( находим из приложения А путем интерполирования).

Количество тепла, выносимое продуктами горения в регенератор:

,

где - теплоемкость продуктов сгорания, определяемая как сумма теплоемкостей долей данного газа в составе продуктов сгорания.

Теплоемкость газов при = 1560 находим из приложения А путем интерполирования.

ккал/пер.

2. Количество воздуха, подсосанное насадками

Принимаем, что суммарный подсос воздуха на тракте насадки равен 20% от количества продуктов горения, входящих в насадку.

Принимаем, что форстеритовая и шамотная части насадки подсасывают одинаковое количество воздуха.

Тогда количество воздуха, подсосанное форстеритовой частью насадки:

.

шамотной частью насадки:

.

3. Состав и количество продуктов горения

В этом случае состав и количество продуктов горения за форстеритовой частью:

%

СО₂ 1,43 11,83

Н₂О 1,65 13,65

О₂ 0,44 3,64

N₂ 8,569 70,88

Всего: 12,089 100

= 12,089 .

Состав и количество продуктов горения за шамотной частью, т.е. на выходе из насадки:

%

СО₂ 1,43 10,85

Н₂О 1,65 12,52

О₂ 0,66 5,1

N₂ 9,44 71,62

Всего: 13,18 100

= 13,18

4. Количество тепла, отданное насадками воздуху

Количество тепла, отданное форстеритовой частью насадки воздуху:

ккал/пер.

Количество тепла, отданное шамотной частью насадки воздуху:

ккал/пер.

Количество тепла в продуктах горения после форстеритовой части насадки. Принимаем, что регенератор теряет в окружающее пространство за счет теплопроводности через стены 10% тепла, идущего с продуктами горения, причем форстеритовая часть теряет 50% и шамотная часть – 50%.

ккал/пер.

Количество тепла в продуктах горения после шамотной части насадки (на выходе из регенератора):

= 1671280,16 ккал/пер.

5. Расчет энтальпии продуктов горения

Строим It диаграмму для продуктов горения. Для этого через определенные интервалы задаемся температурой и при каждом её значении определяем энтальпию продуктов сгорания, по их составу и табличным значениям составляющих компонентов.

Таблица 2.1 – Расчет энтальпии продуктов горения для форстеритовой насадки

Составляющие	Доля газа	Температура
1100	1200	1300	1400
i 1 газа ккал /	i доли газа	i 1 газа ккал /	i доли газа	i 1 газа ккал /	i доли газа	i 1 газа ккал /	i доли газа
СО2	0,1183	593,56	70,0	655,92	78,0	719,6		782,6
Н2О	0,1365	457,05	62,0	506,04	69,0	556,01		606,7
О2	0,0364	391,93	14,0	430,56	16,0	460,56		508,7
N2	0,7088	369,27	261,0	405,96	288,0	443,69		480,6
	1,000	–		–		–		–

Таблица 2.2 – Расчет энтальпии продуктов горения для шамотной насадки

Составляющие	Доля газа	Температура
600	700	800	900
i 1 газа ккал /	i доли газа	i 1 газа ккал /	i доли газа	i 1 газа ккал /	i доли газа	i 1 газа ккал /	i доли газа
СО2	0,109	295,08		352,38		411,12		471,06
Н2О	0,1252	230,4		273,14		317,2		362,52
О2	0,0501	208,4		240,24		277,6		315,18
N2	0,7162	192,3		234,59		261,44
	1,000	–		–		–		–

Определяем энтальпию и температуру продуктов сгорания.

Энтальпия продуктов сгорания после форстеритовой части:

(1871,505).

По It – диаграмме это соответствует температуре .

Энтальпия продуктов сгорания после шамотной части (на выходе из насадки):

(1179,842 кДж/ ).

По It – диаграмме это соответствует температуре .

Энтальпия и температура воздуха на границе форстеритовой и шамотной частей насадки:

.

По приложению А, методом интерполирования для полученного значения энтальпии воздух будет иметь температуру .

Рассчитаем средний перепад температур форстеритовой части насадки:

.

Аналогично рассчитываем средний перепад температур для шамотной части насадки:

.

6. Скорость воздуха в насадках

Скорость воздуха в насадке составит:

м/с.

Скорость продуктов горения в насадке.

На входе в форстеритовую часть:

м/с.
На границе между форстеритовой и шамотной частями:

м/с.

На выходе из шамотной части (на выходе из насадки):

м/с.

7. Коэффициенты теплоотдачи конвекцией

Определяем коэффициенты теплоотдачи конвекцией для различных теплоносителей. Для форстеритовой части насадки, выложенной по системе Каупер, коэффициент теплоотдачи конвекцией определяется по формуле:

или .

Для шамотной части насадки, выложенной по системе Сименс (Т – образным кирпичом) коэффициент теплоотдачи определяем по формуле Кистнера:

или .

где W₀ – скорость соответствующего теплоносителя на данном горизонте, м/с;

d_э – эквивалентный диаметр ячейки, d_э = 0,2 м;

Т – абсолютная температура теплоносителя на данном горизонте, К.

Верх форстеритовой части.

Для продуктов горения:

.

Для воздуха:

.

Низ форстеритовой части.

Для продуктов горения:

.

Для воздуха:

.

Верх шамотной части.

Для продуктов горения:

.

Для воздуха:

.

Низ шамотной части.

Для продуктов горения:

.

Для воздуха:

.

8.Степень черноты продуктов горения по горизонтам насадки

Определяем степень черноты продуктов горения по горизонтам насадки.

Для форстеритовой части, выложенной сплошными каналами по системе Каупер эффективная длина луча, определяется по формуле:

м.

Для шамотной части насадки эффективная длина луча определится по формуле:

где V_п – объем пустот 1 насадки, ;

V_п = 1–Vк;

- поверхность теплообмена нагрева;

V_к – объем насадки:

V_п = 1–0,3503 = 0,6497 .

м.

Степень черноты продуктов горения определяем по формуле:

где - степень черноты СО₂, приложение Б;

- то же Н₂О, приложение В;

- поправочный коэффициент на совместное излучение Н₂О, приложение В.

Степень черноты находим, рассчитав произведение парциального давления данного газа на .

Для верха форстеритовой части:

,

при Есо2 = 0,038,

,

при Ен2о = 0,0173, 2,

.

Для низа форстеритовой части насадки:

,

при Есо2 = 0,042,

,

Для той же температуры , ,

.

Для верха шамотной части насадки:

,

при Есо2 = 0,054,

,

Для той же температуры , ,

.

Для низа шамотной части насадки:

,

при Есо2 = 0,061,

,

При той же температуре , ,

.

Определяем эквивалентную толщину кирпича.

Для форстеритовой части насадки, выложенной по системе Каупер:

где - объем кирпича в 1 насадки.

.

м.

Для шамотной части насадки, выложенной по системе Сименс:

м.

9.Суммарный коэффициент теплоотдачи

Определяем суммарный коэффициент теплоотдачи отдельно для форстеритовой и шамотной частей насадки для верха и для низа каждой из них.

Для форстеритовой части насадки.

Для верха насадки коэффициента теплоотдачи излучением от дымовых газов к насадке:

или ,

где - средняя за период нагрева температура продуктов горения на входе в насадку, ;

- средняя за период нагрева температура поверхности насадки, ;

- лучистый поток тепла, ;

и определяем из системы уравнений:

где - поправка на обратное излучение стенки;

- суммарная степень черноты продуктов горения, рассчитанная ранее для разных горизонтов насадки.

Приведенную выше систему уравнений решаем графически. Для чего определяем все величины, входящие в эти уравнения:

; ;

; .

Так как коэффициент теплоотдачи мало зависит от величины В, то эту величину подсчитываем не для средней температуры кирпича (по массе), а для температуры поверхности . Для этого задаемся значением , т. е. примерно на 50 ниже . Тогда,

.

Выполним расчет величины «В» для температуры .

Выражение в фигурных скобках является функцией только критерия Фурье и определяется по приложению Г – кривая 1.

.

Удельная масса форстерита .

;

; Ф([…]) = 0,22;

; ;

.

Подсчитываем значение правой и левой частей второго уравнения системы двух уравнений.

Левая часть равна:

.

Правая часть равна:

= 1619,88 .

Полученный результат показывает, что нужно задаваться большим значением температуры поверхности. Принимаем .

;

;

;

;

; Ф([…]) = 0,212;

; ;

;

Левая часть уравнения:

.

Правая часть уравнения:

.

Используя полученные результаты расчетов для принятых значений температур 1450 и 1480 в масштабе строим вспомогательный график.

Полученные прямые пересекаются в точке с температурой 1472,18 .

Проверяем это значение.

;

;

;

;

; Ф([…]) = 0,195;

; ;

.

Левая часть уравнения:

.

Правая часть уравнения:

.

Совпадение считаем допустимым.

Суммарный коэффициент теплоотдачи для верха форстеритовой части насадки:

.

Определяем суммарный коэффициент теплоотдачи для низа форстеритовой насадки по вышеприведенной схеме расчета для верха насадки.

; ; ; .

Задаемся .

;

;

;

; Ф([…]) = 0,32;

; ;

.

Левая часть уравнения:

.

Правая часть уравнения:

Задаемся меньшим значением температуры поверхности .

;

;

;

; Ф([…]) = 0,34;

; ;

.

Левая часть уравнения:

.

Правая часть уравнения:

.

По полученным данным в масштабе проводим соответствующие прямые на рисунке 2.4. На пересечении прямых находим для низа форстеритовой насадки .

Проводим проверку найденного значения .

; .

.

;

; Ф([…]) = 0,325;

; ;

.

Левая часть уравнения:

.

Правая часть уравнения:

.

Совпадение допустимое.

Суммарный коэффициент теплоотдачи для низа форстеритовой части насадки:

.

.

.

Суммарный коэффициент теплоотдачи за полуцикл теплообмена от дымовых газов к воздуху определяется по формуле:

;

Значение функции в фигурной скобке от критерия приведено в приложении Г, график 2.

Ф([…]) = 0,145;

Для верха насадки:

.

.

Для низа насадки:

Ф([…]) = 0,235;

.

.

Средняя величина коэффициента теплоотдачи для форстеритовой части насадки:

.

Для верха шамотной части насадки суммарный коэффициент теплоотдачи определяем по методике аналогичной для форстеритовой части.

Исходные данные для решения системы уравнений:

;

; ; .

Задаемся .

.

Подсчитываем величины «В» для температуры .

Значение физических констант шамота:

;

.

Удельная масса шамота = 1900 кг/ .

;

.

По приложению Г, кривая 1 находим Ф([…]) = 0,572;

; ;

.

Левая часть уравнения:

.

Правая часть уравнения:

.

Полученный результат показывает, что нужно задаться большим значением .

Принимаем .

;

;

;

; Ф([…]) = 0,583;

; ;

.

Левая часть уравнения:

.

Правая часть уравнения:

.

Построенные по полученным значениям прямые на рисунке 2.5 пересекаются в точке, отвечающей .

Проверяем это значение:

;

;

;

; Ф([…]) = 0,572;

; ;

.

Левая часть уравнения:

.

Правая часть уравнения:

.

Совпадение допустимое.

Суммарный коэффициент теплоотдачи для верха шамотной части насадки:

Определяем суммарный коэффициент теплоотдачи для низа шамотной части насадки.

; ; ; .

Задаемся .

;

;

;

; Ф([…]) = 0,581;

; ;

.

Левая часть уравнения:

.

Правая часть уравнения:

.

Полученный результат показывает, что нужно задаться меньшим значением . Принимаем .

;

;

;

; Ф([…]) = 0,589;

; ;

.

Левая часть уравнения:

.

Правая часть уравнения:

.

Построенные по полученным данным прямые на рисунке 2.6 пересекаются в точке, отвечающей .

Проверяем это значение.

;

;

;

; Ф([…]) = 0,573;

; ;

.

Левая часть уравнения:

.

Правая часть уравнения:

.

Совпадение допустимое.

.

Суммарный коэффициент для низа шамотной части насадки:

.

Определяем суммарный коэффициент теплоотдачи.

Для верха насадки:

Ф([…]) = 0,351;

.

.

Для низа насадки:

Ф([…]) = 0,362;

.

.

.

10. Поверхность нагрева насадок и их размеры

Определяем поверхность нагрева насадки и ее размеры.

Поверхность нагрева форстеритовой части:

.

Высота форстеритовой части:

.

Поверхность нагрева шамотной части:

.

Высота шамотной части:

.

Суммарная высота насадки:

.

Коэффициент стройности насадки:

Список использованной литературы

1. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Теплотехника и нагревательные устройства» (для студентов специальности 6.090401) «Расчет регенератора мартеновской печи» / Сост.: Ю.Н. Тарусин, А.Н. Романчук, С.В. Семирягин – Алчевск: ДГМИ, 2002. – 39 с.