Г.А. Околович - Учебное пособие - Нагрев и нагревательные устройства (1254309), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Исходя из условий рациональнойкомпоновки - конструкции печи, рекуператор наиболее удобнорасполагать между ретортой с кипящим слоем и теплоизоляциейпечи.Подавая холодный воздух в рекуператор так чтобы последнийомывался горячим с обеих сторон для более быстрого прогрева и длятого чтобы поверхность самого рекуператора использоваласьнаиболее рационально.Данная схема позволяет понять схему токов горячего ихолодного воздуха которая является, по сути, противотоковой иопределить конструкцию проектируемого рекуператора.Его высота равна высоте печи ванны и составит 1150 мм.Для расчета потребуется определить так же скорости движениявоздуха в различных частях рекуператора.
Но так как для наилучшего результата при обогреве требуется чтобы потоки воздуха имелитурбулентный режим движения, для этого скорость должна быть нениже 2м/с. Исходя из этого, следует назначить размеры рекуператора.Чтобы получить требуемые скорости следует определить диаметры каждой из зон 1,2,3 внутренние и внешние. Для этого требуется составить уравнение:F1, 2,3 =Gϖ nr,где F 1,2,3-площади 1,2 и 3 зон соответственно;VH - нормальный объем воздуха м3/с;ω - скорость движения газов о) ωдг= 2 м/с.142(8.23)Следует отметить что нормальный объем Vн не равен объему внормальных условиях и подсчитывается по формулеVH =273273 + tср(8.24)где V- объем воздуха численно равный расходу (G);tср - средняя температура в интервале между холодным и нагретым до заданной температуры, а также между горячим и охлажденным воздухом соответственно.В результате расчета по формуле (8.24)VH = 0,075 м 2 / c;FH =VH(8.25)ωiгде ω i = ω1,2,3В результате расчета по формуле (8.25) F1 =0, 0373 м2.Тогда зазор в зоне 1 рекуператора будет равен 0,031м, зазор взоне 2 равен 0,029м, а в зоне 3 0,023м.
Так как данные зазоры не попадают в ряд нормальных размеров, следует привести их к нему.Поэтому примем зазоры равнымиВ зонах 1 и 3 – 20мм,В зоне 2 – 15мм.Тогда следует уточнить истинные скорости ωi в связи с принятыми зазорами. Для этого преобразуем формулу (2) для вычисленияωi. После принятия всех конструктивных параметров определимплощадь рекуператораF = π l ( D1 + D2 ),(8.26)где l-высота рекуператора, l=1150мм;D1 - внутренний диаметр рекуператора, D1 = 560 мм;D2 - внешний диаметр рекуператора, D2 = 590 мм.Переходим к тепловому расчету.Для теплового расчета рекуператора следует составить системууравнений теплового баланса.Она имеет следующий вид:143t1′′″Q бг = V H С ( t1 − t1 )t1';(8.27)t 2′′Q бх =V H С ( t 2′′ − t 2 )t2Qт=Fk∆t –основное уравнение теплового баланса;Qбг =Qбх =Qт – условие равенства тепловых потоков;где Qбг и Qбх – тепловой поток горячего и холодного воздухасоответственно;ti’С - теплоёмкость воздуха в пределах температур titi tiF- площадь рекуператора;k –коэффициент теплопроводности;∆t- среднелогарифмический температурный напор.Примем, что температура нагреваемого воздуха будет равна200С, а нагретого 2000С и определим значения С для этого интервалатемператур, а так же другие требуемые величины:λ - коэффициент теплопроводности воздуха равный0,321 Вт/(м0С);v – вязкость воздуха равна 23,13⋅10-6м2/с при t =1100C и79,38⋅10-6 м2/c при 4300С;С=0,075кДж/(кг0С);Количество передаваемой теплоты находим по уравнению теплового баланса для холодного воздуха Qбх:Сбх = 0,075 ⋅1,009(200 − 20) = 13,56кВт .Тогда в соответствии с системой уравнений теплового балансатемпература греющего воздуха на выходе:t1'' = t1' − Qб /(С ⋅ VН ),144где t’1- температура горячего воздуха, равная 6000С.t1' = 600 − 13,56 / (0,075 ⋅ 1,068) = 4300 С.Определим среднелогарифмический температурный напор, дляэтого определим максимальную разницу температур на входе и выходе горячего и холодного воздуха соответственно, учитывая, чтосхема рекуператора – противоток.Рисунок74 - График температурного напораТогда ∆t1 = 400 С , ∆t2 = 410 С.А среднеарифметический температурный напор составит, поформуле00∆t =∆tб − ∆t Н;2,3 lg(∆tб / ∆t Н )410 − 400∆t == 405,40 С.2,3 lg(410/400)(8.28)Скорости движения теплоносителей были определены выше,сейчас определим числа Рейндольса -Re для каждого участка рекуператора.Для определения Re следует вычислить эквивалентный диаметркольцевых каналов каждой из зон рекуператора, так как схема представляет собой теплообменник по типу труба в трубе.d = Dэ − Di −1;тогда145(2.29)d эi = 560 − 520 = 40 мм;d э 2 = 590 − 560 = 30 мм;d э 3 = 630 − 590 = 40 мм :Re ri = ω 1d э1 / v1 ;Re r1 = 3 ⋅ 0,04 / 79,38 ⋅ 10-4 = 1133,8;5При Re < 10 коэффициент Нуссельта (Nu):Nu = 0.67 Re1 2 Pr1 3где Pr = 0,687 - число Прандтля для воздуха в заданном интервале температур.1/21/ 3Тогда Nu r1 = 0.67 ⋅ 1133.8 ⋅ 0,687 = 19,2.Найдём коэффициент теплопроводности от газов в стенке:α1 = Nur1 ⋅ λ r1/ d эi ,0α1 = 19,2 ⋅ 0,0574 / 0,04 = 38,1/м 2 С.(8.30)Определим число Рейнольдса для газов зоны 2 рекуператора:Re ri = 3,23 ⋅ 0,03 / 23,13 ⋅ 10-6 = 3630,78.Критерий Нуссельта:0Nuri = 0,67 ⋅ 0,0327 / 0,03 = 44,8 Вт/м 2 С.Найдём коэффициент теплоотдачиК=11 / α1 + S/λM+ 1/ α 2;(8.31)где S-толщина стенки рекуператора;Примем её толщину равной 2мм и определим что будем изготовлять его (рекуператор) их из стали, λ - коэффициент теплопровод4ности стенки, 19,2 Вт/м20C.ТогдаК=1= 20,5 Вт/м20C.1 / 38,1 + 0,002/19,2 + 1/44.8Вычислим требуемую площадь рекуператора для подогревавоздуха до температуры 2000С.
Для этого преобразуем уравнениетеплового баланса:146Qб;∆tk13560F== 1,63 м 2 .405,4 ⋅ 20,5F=(8.32)Полученная площадь гораздо меньше полученной путём конструирования в начале раздела, следовательно, если настоящая площадь больше расчетной, то воздух будет прогреваться значительносильнее. Чтобы произвести более точный расчет температуры подогреваемого воздуха следует вести его методом последовательногоперебора значений, так как при каждом новом принятом значениитемпературы подогреваемого воздуха будут меняться несколько переменных в системе уравнений теплового баланса. Однако температуру следует уточнить для того, чтобы оценить экономию энергии ицелесообразность установки рекуператора.Для уточнения расчета примем что, температура подогреваемого воздуха будет равна 200С, а нагретого 2500С и определим значения С для этого интервала температур, а так же другие требуемыевеличины;λ - коэффициент теплопроводности воздуха, равный0,323 (Вт/м0С);v – вязкость воздуха, равная 23,13*10-4при t = 1100Си 79,38*10-4м2/c при 4300С;С = 0,068кДж /(кг 0С )t1'Qбг = VН С (t1 − t1' ) ,t1t2'QбM = VH С (t2 − t2' .t2QГ=Fk∆t – основное уравнение теплового баланса.
(8.33)Определим настоящий объем воздухаVH=0.10205⋅273/(273+135)=0,068м2/c,После этого уточним скорости на участке 1, 2, 3147(8.33)ω1=2,96м/c, ω2,3=3,23м/c.Количество передаваемой теплоты находим по 4равнению теплового баланса для холодного воздуха QбХ:QбХ = 0,068 ⋅ 1,009(250 − 20) = 15,8 кВт.Тогда в соответствии с системой уравнений теплового балансатемпература греющего воздуха на выходеt1' = t1' − Qб /(CVН ),(8.34)0’где t1 -температура горячего воздуха, равная 600 Сt1' = t1' − Qб /(СVH ),(8.35)определим среднелогарифмический температурный напор, для этогоначертим график температурного напора:Тогда ∆ t1=3500C, а ∆ t1=3620C.∆t б − ∆t H;2.3 lg(∆t б / ∆t H )362 − 350∆t == 356 0 C.2.3 lg(365 / 350∆t =(8.36)скорости движения теплоносителей были определены выше, сейчасопределим числа Рейнольдса Re для каждого участка рекуператора.Эквивалентный диаметр кольцевых каналов:d эi = 40мм;d эi = 30мм;d эi = 40мм;Re ri = ω1 ⋅ d эi / v1 ;Re ri = 2.96 ⋅ 0.04 / 79.38 ⋅10 −6 = 1118.7.ПриRe < 10 5 коэффициент Нуссельта (NU):Nu = 0.67 Re1/ 2 Pr1/ 3 ;ТогдаРr = .687;Nu ri = 0,67 ⋅1118,71 / 2 0,6871 / 3 = 19,7.Найдём коэффициент теплопроводности от газов к стенке;148(8.37)α1 = Nu ri ⋅ λri / d эi ;α1 = 19,7 ⋅ 0,0574 / 0,04 = 37,8Вт / м 20 С.(8.38)Коэффициент теплопроводности от стенки к воздуху:K=11 / α1 + s / λ M + 1 / α 2;(8.39)ТогдаК=1= 18,9 Вт / м 20 С.1 / 37,8 + 0.002 / 19,2 + 1 / 38Вычислим требуемую площадь рекуператора для подогрева воздухадо температуры 2500С:Qб;∆tk15800= 2,34 м 2F=356 ⋅18,9F=(8.40)Полученная площадь меньше полученной путём конструирования в начале раздела, следовательно, если настоящая площадь больше рас-четной, то воздух будет прогреваться несколько сильнее.Поэтому проведём ещё один расчет приняв температуру равной2800С.t1'QбГ = VH C (t1" − t1' ) .(8.41)t1't2'QбХ = Vб С (t2" − t2' ) .t2'QТ = Fk∆t -основное уравнение теплового баланса;(8.42)Определим настоящий объем воздуха:VН = 0,102005 ⋅ 273 / (273 + 150) = 0,066м 2 / c.после этого уточним скорости на участке 1,2,3:ω1 = 1,5v / c, ω 2,3= 2,8 м/c .149Мы приняли что температура нагретого воздуха 2800С и определим значения С для этого интервала температур, а так же другиетребуемые величины:λ- коэффициент теплопроводности воздуха, равный 0,323Вт/(м0C);V- вязкость воздуха, равная 23,13⋅10-6м2/c при t=1100C и 79,38⋅106 2м /c при 4300С;С=1,068 кДж/(кг0С);Количество передаваемой теплоты находим по уравнению теплового баланса для холодного воздуха QбХ;QбХ = 0,66 ⋅ 1,017(280 − 20 = 17,415кВт.Тогда в соответствии с системой уравнений теплового балансатемпература греющего воздуха на выходе’t1" = t1' − Q/(CVН ),(8.43)0где t1 –температура горячего воздуха, равная 600 С.t1" = 600 − 17,415 /(0.066 ⋅ 1.068) = 3530 С.Определим среднелогарифмический напор,Рисунок 75 - Уточненный график температурного напораТогда ∆t=3200C, а t2=3330C.А среднелогарифмический температурный напор составит150∆t =∆tб − ∆t Н;2,3 lg(∆tб / ∆t Н )333 − 320∆t == 327 0 С.2,3 lg(333/320)(8.44)Скорости движения теплоносителей были определены выше,сейчас определим числа Рейнольдса Re для каждого участка рекуператораRe ri = ω 1⋅d Э1 / v1 ,(8.45)Rer1 = 1,6 ⋅ 0.04/79.38 ⋅ 10-6 = 605.При Re<105 коэффициент Нуссельта (NU):Nu = 0.67 Re1 / 2 ⋅ Pr1 / 3 ,Pr = 0.684.(8.46)ТогдаNuri = 0,67 ⋅ 6051 / 2 ⋅ 0,6841 / 3 = 14,55.Найдём коэффициент теплопроводности от газов к стенкеα 1= Nur1λ r1/ d э1.α 1= 14,55 ⋅ 0,0574 / 0,04 = 27,8В7,8 20С.(8.48)Определим число Рейнольдса для газов зоны 2 рекуператораRe r 2 = 2,8 ⋅ 0,03 / 27,8 ⋅ 10-6 = 2619Критерий НуссельтаNuri = 0,67 ⋅ 26191 / 2 ⋅ 0,6841 / 3 = 30,26Коэффициент теплопроводности от стенки к воздухуα 2 = 30,26 ⋅ 0,0349 / 0,03 = 40,6Вт/м 20С.Найдём коэффициент теплоотдачиК=11 / α 1+ s/λM+ 1/ α 2.ТогдаK=1= 16,5 Вт / м 20С.1 / 27.8 + 0.002.19,2/1/40.6Вычислим требуемую площадь рекуператора для подогревавоздуха до температуры 2800С.151Qб;∆t ⋅ k17415F= 3,23 м 2327 ⋅16,5F=(8.49)Полученная площадь несколько меньше полученного путёмконструирования в начале раздела, следовательно с определённойуверенностью можно утверждать что воздух будет иметь температуру равную 2800С, с учетом того, что некоторая часть тепла будеттеряться при подаче воздуха под решётку через стенки короба.На основании выполненного расчета спроектирована, изготовлена и смонтирована промышленная печь на Барнаульском станкостроильном заводе для охлаждения взамен масляных и селитровыхванн, а также изотермической закалки деталей.ГЛАВА 9 ВАКУУМНАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКАНа современном лапе развития машиностроения изделия с высоким уровнем физико-механических характеристик можно получать или за счет использования новых материалов, или за счет разработки новых технологических процессов их получения.Конец двадцатого столетия характеризуется снижением внимания исследователей к разработке новых составов материалов сболее высоким, по сравнению с известными, уровнем физикомеханических характеристик.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
