Расчет числа тепловых труб и количества передаваемого тепла

Тепловые трубы, которые предполагается использовать в рекуператоре, имеют наружный диаметр d_тр = 25 мм, толщину стенки 2 мм и длину 2 м, изготовлены из стали 20. Конструкция рекуператора предусматривает наличие стального листа с отверстиями для тепловых труб, расположенных в коридорном порядке. Рекуператор имеет ограниченные размеры, а именно ширину A = 2 м (по ширине борова), длину L = 5 м (по имеющемуся пространству для размещения рекупера­тора) и высоту 1, 3 м (верхние части труб 1 м плюс 30 см до верха), поэтому необходимо подсчитать количество тепловых труб, которое возможно использовать в данном рекуператоре.

В качестве расстояния между осями труб и расстояния от крайних труб до краев листа примем удвоенный диаметр трубы: s = 2d_тр = 0, 05 м.

Число труб по длине рекуператора:

n_L = L / s – 1 = 99. (2.121)

Число труб по длине рекуператора:

n_A = A / s – 1 = 39. (2.122)

Общее число труб:

n = n_L ∙ n_A = 3861. (2.123)

Температуру дымовых газов перед прохождением пучка тепловых труб планируется снижать до около 300°С посредством подачи в боров воздуха из окружающей среды. Количество подаваемого воздуха предполагается регулировать с помощью шибера, установленного на борове. Более высокая температура может быть опасна для эксплуатации рекуператора, так как повышение давление водяного пара внутри труб выше допустимого приведет к разрушению металла труб.

Изменение состава дымовых газов при разбавлении воздухом не учитываем.

Согласно [8] тепловая труба диаметром 25х2, длиной 2 м, изготовленная из стали 20 при заполнении ее теплоносителем (водой) в достаточном количестве (100 мл) может передавать тепловой поток в количестве 355 Вт при температуре нагревательного элемента около 300°С. Рассчитаем количество теплоты, передаваемое всеми тепловыми трубами рекуператора:

Q_тр = n ∙ 355 = 1, 371 ∙ 10⁶ Вт. (2.124)

С другой стороны, количество тепловых труб ограничено следующим условием: во избежание конденсации влаги на трубках и сернокислой коррозии охлаждение дымовых газов должно происходить до температуры на 10-15°С выше их точки росы. Для используемого топливного газа с содержанием 0, 01% H₂S точка росы равна 112°С [7], следовательно, предельная температура охлаждения газов составляет в среднем 125 °С.

Определим теплоемкость дымовых газов при температурах 300°С (573 К) и 125°С (398 К):

- теплоемкости дымовых газов при 573 К [11]:

- средняя теплоемкость дымовых газов при температуре 573 К находим по формуле (2.4):

- теплоемкости дымовых газов при 398 К [11]:

- средняя теплоемкость дымовых газов при температуре 398 К находим по формуле (2.4):

Допустимое количество тепла, которое могут принять тепловые трубы:

Q_доп = G_дг ∙ B ∙ (C₅₇₃ ∙ 573 – C₃₉₈ ∙ 398), (2.125)

где G_дг – масса дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива, кг/кг;

B – расход топливного газа, кг/ч.

Q_доп = 2, 598 ∙ 10⁸ кДж/ч = 7, 217 ∙ 10⁷ Вт.

Тогда допустимое количество труб составит:

n_доп = Q_доп / 355 = 203295. (2.126)

Расчет допустимого количества тепла, которое может быть передано тепловым трубам, показал, что принятое ранее число труб 3861 меньше максимально допустимого n_доп, следовательно, такое количество труб можно использовать в рекуператоре.

Рассчитываем тепло, передаваемое воздуху тепловыми трубами:

Q_тр = n_тр ∙ 355 ∙ 3, 6 = 4, 934 ∙ 10⁶ кДж/ч. (2.127)

При работе печи без рекуператора общее количество тепла, вносимого в печь, определяется по формуле (2.40):

где – низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг;

– коэффициент полезного действия топки;

8, 931 ∙ 10⁷ кДж/ч.

В формуле (2.40) не учтено количество тепла, вносимого с воздухом, так как его количество незначительно. При работе печи с рекуператором становится необходимым учесть тепло, вносимое воздухом. Тогда общее количество тепла будет рассчитываться по следующей формуле:

где – расход топливного газа при работе печи с рекуператором, кг/ч;

Сокращение расхода топливного газа:

Δ B = B – = 94 кг/ч. (2.130)

Массовый расход дымовых газов при работе печи с рекуператором:

Найдем температуру дымовых газов после рекуператора, считая, что изменение теплоемкости при этом пренебрежимо мало:

где – температура дымовых газов перед рекуператором, ;

.

Средняя температура дымовых газов при прохождении рекуператора:

Эффективный фонд времени работы печи составляет 8580 ч в год. Исходя из этого определим годовое снижение расхода топлива:

- расход топлива при работе без рекуператора:

B = 1782 ∙ 8580 / 1000 = 15290 т/год;

- расход топлива при работе с рекуператором:

= 1688 ∙ 8580 / 1000 = 14487 т/год;

- сокращение расхода топливного газа:

Δ B = 15290 – 14791 = 803 т/год;

- экономия топливного газа в массовых процентах: