Расчет доменного воздухонагревателя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.