Расчет регенератора мартеновской печи

ДЛЯ ПОДОГРЕВА ВОЗДУХА Рассчитать регенератор одноканальной мартеновской печи для подогрева воздуха при следующих исходных данных: Ёмкость печи - 600 т.

РАСЧЕТ РЕГЕНЕРАТОРА МАРТЕНОВСКОЙ ПЕЧИ ДЛЯ ПОДОГРЕВА ВОЗДУХА

Рассчитать регенератор одноканальной мартеновской печи для подогрева воздуха при следующих исходных данных:

Ёмкость печи - 600 т.

Секундный объем продуктов горения на воздухе в регенератор, мэ /с.:

V’пг. = 16.

Состав продуктов горения на выходе в насадку, %:

СO2 = 17,0; Н2 O= 18,0; O2 =1,0; N2 = 64,0

Секундный расход подогреваемого воздуха на выходе в поднасадочное пространство регенератора, м3 /с.: V’B -10.

Температура подогрева воздуха на выходе из регенератора: t”B =1070 °C.\

Температура воздуха начальная: t’ в = 60 °С.

Температура продуктов горения на выходе в насадку: t’ п.г. =1600 °С.

Размеры ячейки регенератора d=0,15 м. (150 х 150 мм).

Толщина кирпича δ = 0,075 м. Ширина камеры регенератора В=6,8 м.

Отношение ширины насадки к её длине: B/L = 0,84.

Принять тип насадки однооборотный, состоящий из верхней форстерито-вой 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.

ХОД РАСЧЕТА

Принимаем период полуцикла теплообмена:

τнагр. = τохл. = 450с. (0,125 ч.)

Из заданного соотношения рассчитаем длину регенератора:

L = 6,8/0,84 = 8,1 м.

Тогда площадь поперечного сечения камеры составит:

F = B × L = 8,1 × 6,8 = 55,08 м2

Определяем удельное живое сечение насадки по формуле:

W = 1/(1+δ/d)2 = 1/(1+ 0,075/0,15) 2 = 0,444 м23

Сечение для прохода продуктов горения (воздуха):

F’ = F×W = 55,08 × 0,444 = 24,4555 м2

1. Удельная поверхность нагрева:

Форстеритовой части (система Каупер):

ФФ = (4×d) /(d+δ)2 = (4 × 0,15)/(0,15 + 0,075)2 = 11,85 м23

Шамотной части (система Сименс):

Фш = 2/(d + δ) + (1,5 × d × δ +2 × a ×(d - δ))/( (d+δ)2 × h)

где h = 0,115 - высота кирпича, м;

а = 0,025 - высота нижнего бокового уступа кирпича, м.

Фш = 2/(0,15 + 0,075) + (1,5 × 0,15 × 0,075 + 2 × 0,025 ×(0,15 – 0,075))/ ((0,15 + 0,075)2 × 0,115) = 12,43 м23

Количество тепла, полученное воздухом за полуцикл теплообмена:

∆Iв = V’B × τ × (С”в × t”B - С”в × t”B ) = 10 × 450 × (0, 3462 × 1070 - 0,3162 × 60) = 1581579 ккал/пер.

где C''в и C''в - средняя теплоёмкость воздуха при постоянном давлении со­ответственно при температурах 1070 °С и 60 °С.

Количество тепла, выносимое продуктами горения в регенератор:

I’п.г. = V’пг. × τ × (Сп )’п.г. × t’ п.г ,

где (Ср)'п.г. - теплоёмкость продуктов сгорания, определяемая как сумма теплоемкостей долей данного газа в составе продуктов сгорания.

1600 1600 1600 1600

п )’п.г. = (Сп )CO 2 × 0,18 + (Сп )H 2 O × 0,17 + (Сп )O 2 ×0,01 + (Сп )N 2 ×0,64 = 0,5696 ×

× 0,18 + 0,4447 × 0,17 + 0,3678 × 0,01 + 0,3476 × 0,64 = 0,404321 ккал/м3

Теплоёмкости газов при t’ п.г =1600 °C находим из приложения А, путем интерполирования.

I’п.г. = 16 × 450 × 0,404321 × 1600 = 4657777,92 ккал/пер.

Состав продуктов горения по высоте насадки. 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.

2.Тогда количество воздуха, подсосанное форстеритовой частью насадки:

∆V форст = V’пг. × 0,1 = 16 × 0,1 = 1,6 м3

шамотной частью насадки:

∆Vшам = V’пг. × 0,1 = 16 × 0,1 = 1,6 м3

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

м3 /с %

CO2 16 × 0,18 2,88 16,36

H2 O 16 × 0,17 2,72 15,45

O2 16 × 0,01 + 1,6 × 0,21 0,496 2,82

N2 16 × 0,64 + 1,6 × 0,79 11,504 65,37

Всего: 17,6 100

п.ф.ч.

Vпг = 17,6 м3

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

м3 /с %

CO2 17,6 × 0,1636 2,88 14,99

H2 O17,6 × 0,1545 2,72 14,17

O2 17,6 × 0,0282 + 1,6 × 0,21 0,832 4,34

N2 17,6 × 0,6537 + 1,6 × 0,79 12,769 66,5

Всего: 19,201 100

V”пг = 19.201 м3

4. Количество тепла, отданное форстеритовой частью насадки воздуху:

∆Iф.ч. = ∆Iв / 3 = 1581579 / 3 = 527193 ккал/пер.

Количество тепла, отданное шамотной частью насадки воздуху:

∆Iв ш.ч. = ∆Iв - ∆Iф.ч. = 1581579 - 527193 = 1054386 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%.

п.ф.ч. ф.ч.

Iп.г. = I’п.г. × 0,95 - ∆Iв = 4657777,92 × 0,95 - 527193 = 3897696,024 ккал/пер.

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

п.ф.ч.

I”п.г. = (Iп.г. – 0,05 × I’п.г. ) - ∆Iв ш.ч. = (3897696,024 – 0,05 × 4657777,92) -

1054386 = 2610421,128ккал/пер.

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

5. Таблица 2.1 - Расчет энтальпии продуктов горения для форстеритовой насадки

Состав -ляющие Доля газа Температура
1100° С 1200°С 1300°С 1400°С

i 1м3 газа ккал/

м3

i доли газа

i 1м3 газа ккал/

м3

i доли газа i 1м3 газа ккал/ м3 i доли газа i 1м3 газа ккал/ м3 i доли газа
CO2 0,164 593,56 98 655,92 108 717,6 118 782,6 129
H2O 0,155 457,05 71 506,04 79 556,01 86 606,7 94
O2 0,028 391,93 11 430,56 12 460,56 13 508,7 14
N2 0,653 369,27 241 405,96 265 443,69 290 480,6 314
1,000

421

1768

464

1949

507

2130

551

2314

Таблица 2.2-Расчет энтальпии продуктов горения для шамотной части.

Состав- ляющие Доля газа Температура
600° С 700° С 800° С 900° С
i 1м3 газа ккал/ м3 i доли газа i 1м3 газа ккал/ м3 i доли газа i 1м3 газа ккал/ м3 i доли газа i 1м3 газа ккал/ м3 i доли газа
CO2 0,147 295,08 44 352,38 52 411,12 61 471,06 69
H2O 0,14 230,4 32 273,14 38 317,2 45 362,55 51
O2 0,043 208,4 9 240,24 10 277,6 12 315,18 14
N2 0,67 192,3 129 234,59 157 261,44 175 297 199
1,000

214

899

257

1080

293

1231

333

1399

Определяем энтальпию и температуру продуктов сгорания. Энтальпия продуктов сгорания после форстеритовой части:

п.ф.ч. п.ф.ч. п.ф.ч.

i”п.г. = Iп.г. / τсек × Vпг = 3897696,024 / 450 × 17,6 = 492.133ккал/м2

= 2066.96 кДж/ м3

п.ф.ч.

По It -диаграмме это соответствует температуре t”п.г. = 1260 °C

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

i”п . г . = I”п . г . / τсек × V”пг = 2610421,128 / 450 × 19.201 = 302,12 ккал/м2

= 1268,9 кДж/ м3

По It - диаграмме это соответствует температуре t”п.г. = 820 °C

Энтальпия и температура воздуха на границе форстеритовой и шамотной частей насадки

ф.ш. нач. ш.ц..

iв. = iв. + ∆iв. / τсек × V’в = 15,5 + 1054386 / 450 × 10 =249,8 ккал/м3

По приложению А, методом интерполирования для полученного значе­ния

ф.ш.

энтальпии воздух будет иметь температуру: tв. =678 °C

Рассчитаем средний перепад температур форстеритовой части насадки:

в

∆tср = ((1600– 1070) – (1260 - 678)) / (2.3lg ((1600 – 1070) / (1260 - 678)) =

= -52 / (-0.0943)= 552°C

Аналогично рассчитываем средний перепад температур для шамотной части насадки:

в

∆tср = ((1260 – 678) - (820 – 60)) / (2.3lg ((1260 – 678) – (820 – 60)) =

= -178 / (-0.2668) = 667°C

Скорость воздуха в насадке составит:

в

Wo = V’в / F’ = 10 / 24,4555 = 0.409 м/с

Скорость продуктов горения в насадке: На выходе в форстеритовую часть:

в.ф.ч

Wпг = 16 / 24,4555 = 0,654 м/с

На границе между форстеритовой и шамотной частями:

ф.ш

Wпг = 17,6 / 24,4555 = 0,719 м/с

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

в.ш.

Wпг = 19.201 / 24,4555 = 0,785 м/с

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

Дня шамотной части насадки, выложенной по системе Сименс (Т- образным кирпичом) коэффициент теплоотдачи конвекцией определяем по формуле Кисгнера:

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

dэ - эквивалентный диаметр ячейки dэ = 0,15

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

Определяем степень черноты продуктов горения по горизонтам насадки.

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

Для шамотной части насадки эффективная длина луча определится по формуле

где Vп – объем пустот 1м3 насадки, м33 ;

Vп =1-Vк ;

Фш – поверхность теплообмена нагрева;

Vк – объем насадки;

Степень черноты продуктов горения определяем по формуле

где Есо2 - степень черноты СО2 , приложение Б;

Ен2 o - то же Н2 О, приложение В;

β - поправочный коэффициент на совместное излучение Н2 О,приложение В.

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

Для верха форстеритовой части:

при

при

Для низа форстеритовой части насадки:

при

при

Для верха шамотной части насадки:

при

при

Для низа шамотной части насадки:

при

при

Определяем эквивалентную толщину кирпича

Для форстеритовой части насадки, выложенной по системе Каупер

где Vф кирп - объем кирпича в 1 м3 насадки

Для шамотной части насадки, выложенной по системе Сименс:

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:

где tП.Г. - средняя за период нагрева температура продуктов горения на входе в

насадку, °С;

tП - средняя за период нагрева температура поверхности насадки, °С;

qЛ - лучистый поток тепла, кКал/м2 -ч;

tП и QJ, определяем из системы уравнений:

где - поправка на обратное излучение стенки

ЕПГ. - 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 αпгл мало зависит от величины В, то эту величину подсчитываем не для средней температуры кирпича (по массе), а для температуры поверхности tIL . Для этого задаемся значением tn =1550 °C, т. е. примерно на 50 °С ниже tпr. Тогда,

расчет величины "В" для температуры tn =1550 °С. Выражение в фигурных скобках является функцией только критерия Фурье.

и определяется по приложению Г – кривая I=Ф([…]).

Удельная масса форстерита γ = 2400 кг/м3 .

Ф({…})=0.169 ;

Подсчитываем значения правой и левой частей второго уравнения системы двух уравнений:

Левая часть равна:

Правая часть равна:

Полученный результат показывает, что нужно задаваться большим значением температуры поверхности. Принимаем tn =1580 °C.

Ф({…})=0.161 ;

Левая часть уравнения:

Правая часть равна:

Используя полученные результаты расчетов для принятых значений температур 1550° С и 1580° С в масштабе строим вспомогательный график. Полученные прямые пересекаются в точке с температурой 1572 °С, и проверяем это значение.

Ф({…})=0.163 ;

Левая часть уравнения:

Правая часть равна:

Левая и правая часть совпали

Суммарный коэффициент теплоотдачи для верха форстеритовой части насадки:

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

Задаемся tn = 1240°С.

Ф({…})=0.21 ;

Левая часть уравнения:

Правая часть равна:

Задаемся меньшим значением температуры поверхности tn = 1220° С.

Ф({…})=0.28 ;

Левая часть уравнения:

Правая часть равна: