Работа 6. Исследование конвективной теплопередачи в металлургическом рекуператоре

Металлургические аппараты работают за счет сжигания топлива – твердого, жидкого или газообразного. Общей задачей для всех печей является, во-первых, получение наиболее высоких температур и, во-вторых, достижение получение наиболее высокого термического КПД, т.е. достижение наибольшей полноты использования топлива по металлургическому назначению.

Пути решения первой задачи отчетливо выявляется анализом формулы термической температуры горения:

t_т = ( + + – Q_дис)/SV_гС_г,

где – теплотворность рабочего топлива, – теплосодержание топлива, С_топ – удельная теплоемкость топлива, = 1 ×С_топ×t_топ, кДж/кг, t_топ – температура топлива, – теплосодержание воздуха, = V_возд×С_возд×t_возд, кДж, V_возд – объем воздуха, подаваемый для сжигания 1 кг топлива при коэффициенте избытка a_изб = 1, С_возд – удельная теплоемкость воздуха при t_возд, Q_дис – неизбежные потери тепла на диссоциацию СО₂ и Н₂О, SV_гС_г – сумма произведений объемов газообразных продуктов горения на их удельные теплоемкости при теоретической температуре горения.

Структура приведенной формулы показывает, что температура горения может быть повышена за счет следующих факторов:

1. Использование топлива с высокой теплотворностью –

2. Нагрев топлива. Нагреву может быть подвергнуты лишь термостойкие виды топлива. Такими являются, например, коксовый газ, доменный газ, генераторный газ. Твердые виды топлива нагревать невозможно. Жидкое топливо (обычно это мазут) нагревают (для достижения жидкотекучести) до 80-150 °С.

3. Нагрев воздуха, поступающего для горения.

4. Использование кислорода, за счет чего уменьшается объем отходящих газов (SV_газ).

Из всех этих приемов самым ранним стал использоваться нагрев воздуха. Нагрев воздуха оказался обязательным условием создания высокой температуры в сталеплавильных мартеновских печах, отапливаемых мазутом или газом. Нагрев дутья стал применяться в цветной металлургии – в шахтных печах и печах взвешенной плавки. Наиболее экономичным методом нагрева воздуха является использование тепла отходящих газов. Для такого нагрева используется два приема теплотехнических устройств – регенераторы и рекуператоры. Принцип работы регенераторов заключается в аккумуляции тепла печных газов массивной огнеупорной кладкой, пронизанной системой газовых каналов. После накопления тепла и достижения определенной температуры кладки через раскаленные каналы дутьевыми устройствами нагнетается воздух, отнимающий тепло от кладки и нагревающийся до заданной температуры. Регенеративная печь всегда оборудуется парой регенераторов, один работает в цикле накопления тепла кладкой, другой – в цикле нагрева воздуха, проходящего через раскаленные каналы. Периодически происходит переключение регенераторов с повторением соответствующих циклов. Типичными примерами регенераторных печей являются мартены и коксовые батареи. Встречаются и отражательные печи цветной металлургии, оборудованные регенераторами.

Рекуператоры представляют собою устройства для нагрева воздуха или химически нейтрального горючего газа при постоянном протекании нагреваемой среды по каналу, стенки, которого омываются греющей средой – либо печными газами, не израсходовавшими тепло в рабочем пространстве печи, либо продуктами горения того или иного топлива, специально сжигаемого в камере, окружающей каналы с нагреваемым газом.

Наиболее распространены металлические рекуператоры, рабочие каналы которых изготовляют из жаростойкой стали. Реже применяются керамические устройства, которые могут выдерживать более высокую температуру, но не обладают достаточной механической прочностью. Наружная поверхность рабочего канала рекуператора получает тепло конвекцией от потока омывающих канал газов, тепловым излучением этих газов, а также, излучением стенок камеры, в которой размещены каналы. Наружный тепловой поток может быть выражен уравнением:

q = ,

где t_гр – температура греющего газа, t_нар – температура наружной поверхности стенки; – коэффициент наружной конвекции, – суммарный коэффициент излучения от газов и стенок камеры.

Тепловой поток, передаваемый независимому газу: q = ,

где t_возд – температура нагреваемой среды (воздуха),

d – толщина стенки,

l – коэффициент удельной теплопроводности,

– коэффициент наружной конвекции.

Для керамических рекуператоров тепловое сопротивление стенки d/l значительно, поскольку достаточно велика толщина такой стенки d и мало значение коэффициента теплопроводности l. Для металлических рекуператоров, обычно изготовлена из труб толщиной не более 0,005 м при значении l жаростойкой стали (при температуре до 600°С) около 120 кДж/м²×час×°С тепловым сопротивлением стенки можно пренебречь, т.е. принять тепловое сопротивление d/l = 0.

Коэффициент внутренней конвекции является важнейшим параметром тепловой работы рекуператора, определяющим эффективность его работы. Значение зависит от характера движения нагреваемого газа, его физических характеристик, конфигурации греющих поверхностей и их пространственной ориентации.

В обобщенном виде все эти условия могут быть представлены критериальным уравнением: Nu = f(Fo, Re, Pr, Gr), где Nu – критерий конвективной теплоотдачи Нуссельта; Fo – временной критерий Фурье; Re – критерий Рейнольдса, определяющий характер движения газа; Pr – критерий подобия температурных и скоростных полей Прандтля; Gr – критерий Грасгофа, характеризующий движение газов, вызываемое разницей в плотностях объемов газа, имеющих различную температуру.

Для вынужденного турбулентного движения газа М.А. Михеевым экспериментально получена критериальная зависимость:

Nu = 0,024× Re ^0,8× Pr ^0,35,

где Nu = – критерий Нуссельта; Re = – критерий Рейнольдса; D – геометрический диаметр канала; l_газ – удельная теплопроводность газа, n – коэффициент кинематической вязкости, W – скорость газов в рабочих условиях.

Описание установки

Элемент стального рекуператора представляет собой трубу (1) из нержавеющей стали длиной 710 мм, внутренним диаметром 25 мм. Труба заполнена крестообразно вваренными 28-ю стержнями диметром 10 мм. За счет этих стержней общая поверхность теплообмена составляет F = 6,52×10^-2 м².

Рекуператор помещен в трубчатую электропечь (2). На входной конец рекуператора навинчен радиатор (3) со штуцером для подсоединение резинового шланга подачи воздуха. Расход воздуха измеряется по дисковой диафрагме (4) в комплекте с U-образным дифманометром (5).

На выходном конце рекуператора установлена латунная камера (6), снабженная гнездом для размещения приборов, измеряющих температуру воздуха. Температура может измеряться либо тонкой хромель-алюмелевой термопарой в комплекте с милливольтметром (7), либо ртутным термометром (8).

Температура наружной поверхности рекуператора измеряется и регулируется платинородий-платиновой термопарой, в комплекте с регулирующим милливольтметром (9). Предварительная установка заданной температуры производится с помощью автотрансформатора (10) по величине тока питания печи, измеряемого амперметром (11).

Порядок выполнения работы

Ознакомиться с теоретическими сведениями о принципе работы регенераторов и рекуператоров.

Ознакомиться с деталями схемы лабораторной установки.

Включить печь. Установить значение токовой нагрузки не более 7 А (по показаниям амперметра). Зафиксировать значение наружной поверхности рекуператора по показаниям милливольтметра. Температура не должна превышать 750 °С.

Включить подачу воздуха, установив напряжение на трансформаторе воздуходувки 100 вольт. По показаниям U-образного манометра замерить давление на дросселе Dh [ мм вод. ст. ]. В этом режиме подавать воздух до достижения постоянного значения температуры воздуха t_возд, с контролем по милливольтметру или термометру. Зафиксировать это значение t_возд. Повторить все операции при напряжении на трансформаторе воздуходувки от 100 до 220 вольт, каждый раз выдерживая систему до равновесного состояния, т.е. до постоянства t_возд.

Результаты измерений занести в таблицу по форме.

№	Напряжение, В	Расход воздуха	tвозд	Re	Nu	С
Dh	u

Количество дутья рассчитывается по уравнению:

u = К_д

где К_д – коэффициент диафрагмы, который определяется предварительной калибровкой данной дисковой диафрагмы или рассчитывается (см. приложение); Dh – перепад давления на дисковой диафрагме.

На основании выполненных экспериментов, используя данные справочной таблицы, выполнить расчеты для нескольких режимов эксперимента. Q_возд = u× ×t_в×t,

где u – расход воздуха; – удельная теплоемкость воздуха при t_возд, t_возд – равновесная температура воздуха; t – расчетное время эксперимента. Имеем: Q = ×F×t, где F – поверхность теплообмена (F = 6,52×10^-2), м²; t = 1 час.

Таким образом, =

или =15,3×u× , кДж/м×час×°С

Проходное сечение трубы рекуператора определим как разность между ее свободным сечением и площадью, занятой перекрещивающимися стержнями: ¦ = (490×10^-6 – 400×10^-6) = 90×10^-6 м².

Скорость воздуха в проходном сечении:

W_t = u_t /¦,

где u_t – расход воздуха при средней температуре t_ср = (20+ t_возд)/2:

u_t = u₀ ×(273 + t_ср)/273

Вычисляется значение критериев Рейнольдса и Нуссельта

Re = , Nu =

где l_t – коэффициент теплопроводности газа, n_t – кинематическая вязкость при t_ср; D – условный гидравлический диаметр (примем D = 25×10^-3 м).

Полученные экспериментальные значения сопоставить с критериальным уравнением Михеева, выразив коэффициент С:

С = = Const.

Высказать соображения о сходимости или различии полученных результатов.