CC BY
35
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГ О ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2008 р Вип. № 18
УДК 669.162.23
Койфман A.A.1, Симкин А.И.2, Томаш A.A.
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС РЕГЕНЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА, РАБОТАЮЩЕГО ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Рассмотрен memoeoti баланс регенеративного теплообменника, работающего под давлением в режиме нагрева насадки дымовыми газами. Анализ скорости нагрева насадки был произведен с использованием решения задачи Т. Шумана. Расхождение теплового баланса нагрева насадки при различных значениях избыточного давления продуктов горения не превышает 1,04 %.
Регенераторы с кирпичной насадкой получили широкое распространение в черной металлургии и используются в мартеновском, доменном и коксовом производствах. Во время нагрева насадки регенераторов давление газа в них близко к атмосферному [1,2].
Для интенсификации процесса теплообмена было предложено повысить давление газа -теплоносителя [3]. Это особенно актуально для доменных воздухонагревателей, которые конструктивно приспособлены для работы в условиях повышенного давления. В режиме дутья воздух, проходящий через насадку, находится под давлением до 3 ати.
Анализ теплообмена между продуктами горения и насадкой на основе решения задачи Шумана [3] показал, что с повышением давления теплоносителя время нагрева насадки сокращается с 9 часов 20 мин при атмосферном давлении до 4 часов 30 мин при избыточном давлении 1 атм. Сокращение времени происходит за счет увеличения количества горячих газов, которые может пропустить насадка в единицу времени и, соответственно, увеличения количества вносимого тепла. Однако изменение давления приводит к изменению распределения температур по высоте регенератора и влияет на коэффициент использования тепла (далее КИТ) в теплообменнике.
Цель работы - анализ изменения эффективности усвоения тепла насадкой регенератора при повышении давления газа-теплоносителя.
На рис. 1 представлено распределение температур по высоте насадки после завершения нагрева. Моментом окончания нагрева считалось достижение нижним горизонтом насадки (30 м) температуры 300 °С.
Высота насадки, м
Рис. 1 - Распределение температур по высоте насадки в конце периода нагрева при избыточном давлении в регенераторе: 1-0 кПа; 2-50 кПа; 3-100 кПа.
ПГТУ. аспирант I II ТУ. канд. техн. наук, доц. ПГТУ. д-р техн. наук, проф.
Для дальнейшего расчета каждый из графиков (рис. 1) был заменен комбинацией прямой линии tl(Jí) (участок 1, 0 - 10 м) и кривой 4-го порядка t2(Jí) (участок 2, 10-30 м), где Ь -расстояние от верхней поверхности насадки. Так, например, для давления 50кПа ^(/0 = 1200 °С,
(И) = 0,02 • И4 -1,71 • /г3 + 44,40 • И2 - 479,69 • И + 3044,86.
(1)
Аналогично получены уравнения для других распределений температур насадки при различных значениях избыточного давления. При этом значение корреляционного отношения для всех случаев было близким к 1.
Количество тепла, переданное насадке за время нагрева, составляет
( к7 \
О-нас ^ сеч Ун
где Я,
^ Л + |(0,02-А4 -1,71-А3 +44,40-А2 -479,69• к + 3044,8б)й%
(2)
- площадь сечения насадки воздухонагревателя, м ; ун - эквивалентная насыпная плотность материала насадки, кг/ м3 ; смат ~ теплоемкость материала насадки, средняя по всему диапазону температур, кДж/(кг ■ °С) ; /?[ - расстояние от верхнего края насадки до конца 1-го участка, /?, = 10 м; Ъ2 - расстояние от верхнего края насадки до конца 2-го участка, соответствующее высоте насадки, И2 =30 м: Аналогично рассчитывается количество тепла, сохраненного насадкой, в период её нагрева при других значениях избыточного давления газа.
Количество тепла, переданное насадке продуктами горения, с увеличением избыточного давления несколько уменьшается (рис. 2, кривая 2). Снижение количества аккумулированного тепла обусловлено меньшими температурами насадки на отрезке высоты от 10 до 28 м (рис. 1).
2000 1800 1600
N
1400
| 1200 о
1000 800 600 400 200 0
ч
^тн--
—\ 4
3\ ■-* »--
98,0
£
97,0 н
К «
96,0
50
100
Избыточное давление, кПа
Рис. 2 - Графики зависимости от избыточного давления: 1 - количества тепла, вносимого с продуктами горения; 2 - аккумулированного насадкой; 3 - выносимого отходящими газами; 4 - значения КИТ.
Температура отходящих газов в соответствие с расчетами меняется следующим образом: сначала остается неизменной, потом возрастает (рис. 3). Смещение кривых при повышении давления обусловлено сокращением продолжительности нагрева насадки. Восходящие отрезки кривых были аппроксимированы с корреляционным отношением, близким к 1.
Время нагрева насадки, час
Рис. 3 - Графики изменения температуры отходящих из насадки газов в период нагрева при различных значениях избыточного давления
Аналогично выше описанному алгоритму аппроксимации полученных кривых, каждый из графиков (рис. 3) был заменен комбинацией прямой линии /.(г) (участок 1:0-5 часов при 0 кПа; 0-3 часа при 50 кПа; 0-2 часа при 100 кПа) и кривой 4-го порядка t0 (т) (участок 2:5-9,4 часа при 0 кПа; 3-6,1 часа при 50 кПа; 2 - 4,5 часа для 100 кПа), где г - время нагрева насадки. Так, например, для давления 50кПа /, (г) = 20 ! С ,
ф) = -2,32 • г4 + 56,93 • г3 - 429,68 • т2 +1314,60 • т -1405,81. (3)
Количество тепла, уносимого из насадки отходящими газами, составляет
( \
tx-тх + [(-2,32-г4 + 56,93-г3 -429,68-г2 +131460-г-1405,8l]k/r
(4)
I
V '1
где сг - теплоемкость отходящих газов, кДж/(мъ С) ;
и" - скорость продуктов горения, приведенная к пустому сечению, м/с; г, - промежуток времени на участке 1, час; Т-, - промежуток времени на участке 2, час. Общее количество тепла, поступающего в насадку с продуктами горения, нагретыми до 1200 "С, составит
О =3600-с • и" ■ I -Б -г , (5)
^^^^ пр ^ сеч ком? V '
где (пр - температура поступающего в насадку газа, = 1200 С;
ткон - конечное время нагрева, час.
В общем виде тепловой баланс идеального регенератора, работающего в режиме нарева насадки дымовыми газами, состоит из трех статей и не учитывает потерь тепла:
О» =(2нас +Оо„ш- (6)
Тепловой баланс процесса нагрева насадки при различных значениях избыточного давления представлен в таблице 1. Расхождение баланса не превышает 1,04 %. Невязка объясняется тем, что в расчетах использовалось постоянное значение теплоемкости материала насадки, соответствующее ее средней температуре 385 "С.
Таблица 1 - Тепловой баланс процесса нагрева насадки
Приход Расход
Статья Кол-во тепла, ГДж о/ /О Статья Кол-во тепла, ГДж о/ /0
Избыточное давление 0 кПа
1 Поступает с газом 1641 100 1 Аккумулируется насадкой 1601,83 97,61
2 Уносится газом 53,04 3,23
Итого 1641 100 Итого 1654,87 100,84
Избыточное давление 50 кПа
1 Поступает с газом 1603 100 1 Аккумулируется насадкой 1554,11 96,92
2 Уносится газом 65,05 4,06
Итого 1603 100 Итого 1619,16 100,98
Избыточное давление 100 кПа
1 Поступает с газом 1573 100 1 Аккумулируется насадкой 1516,56 96,42
2 Уносится газом 72,68 4,62
Итого 1573 100 Итого 1589,24 101,04
КИТ можно рассчитать по одной из двух равноценных формул:
КИТ = ®пр ®отх -100 % = О**- -100 % . (7)
Q Q
С увеличением давления газа КИТ снижается (рис. 3). Но его снижение незначительно, с
97,6 % при атмосферном давлении, до 96,4 % при избыточном давлении 1 атм, и существенно
не влияет на эффективность работы регенератора.
Выводы
1. Небаланс расчета составляет 1,04 %, что является приемлемым для технических расчетов.
2. С увеличением избыточного давления газа-теплоносителя на 1 атм КИТ в регенеративном теплообменнике снижается от 97,6 до 96,4 %. Такое снижение КИТ можно считать незначительным, оно существенно не влияет на эффективность работы регенератора.
3. Сокращение продолжительности нагрева насадки позволит увеличить температуру дутья на 30 - 80 °С в зависимости от состояния насадки и режимов подачи дутья в доменную печь.
Преченъ ссылок
1. Комолое В. Г. Новые машины и оборудование для производства кокса / В. Г. Комолое, Г.Н. Макаров. - М.: Металлургия, 1987. - 144 с.
2. Доменные воздухонагреватели / Ф.Р. Шкляр, В.М. Малкин, С.П. Каштанова и др. - М.: Металлургия, 1982. - 176 с.
3. Койфман A.A. Использование программы моделирования нагрева насадки для оценки работы каупера и управления подсистемой подготовки дутья АСУ ТП выплавки чугуна в доменной печи / A.A. Койфман, А.И. Симкин, A.A. Томаш // Автоматизащя технолопчних об'екпв та процессов. Пошук молодих: 36. наук. пр. VII М1жнародно! науково-техшчно! конференцп асшранпв та студента. - Донецк, 2007. - С. 218.
Рецензент: В.А. Маслов
д-р техн. наук, проф., ПГТУ
Статья поступила 15.02.2008
