Теплотехника : расчет и конструирование элементов промышленных печей

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие 
4 

1. Расчет горения топлива 
5 

Примеры 
13 

Пример 1.1. Расчет горения жидкого топлива 
13 

Пример 1.2. Расчет сжигания смешанного гава 
16 

2. Выбор и расчет сожигательных устройств и сопел 
15 

2.1. Общие характеристики и маркировка сожигательных устройств 
20 

2.2. Расчет сожигательных устройств 
24 

2.2.1. Исходные данные, используемые при расчете сожигательных устройств 
24 

2.2.2. Горелки без предварительного смешения 
25 

2.2.3. Горелки с полным предварительным смешением 
29 

2.2.4. Форсунки низкого давления 
33 

2.2.5. Форсунки высокого давления 
35 

2.3. Расчет сопел 
41 

2.3.1. Коническое сопло 
41 

2.3.2. Сопло Лаваля 
45 

Примеры 
48 

Пример 2.1. Расчет горелки без предварительного смешения 
48 

Пример 2.2. Расчет инжекционной горелки низкого давления 
51 

Пример 2.3. Расчет инжекционной горелки при докритическом давлении гава 
53 

Пример 2.4. Расчет инжекционной горелки при сверхкритическом давлении таза 
55 

Пример 2.5. Расчет форсунки низкого давления 
57 

Пример 2.6. Расчет форсунки высокого давления с двойным распылением 
59 

Пример 2.7. Расчет конического сонла 
63 

Пример 2.8. Расчет сопла Лаваля 
65 

3. Конструирование и расчет ограждений нечей 
25 

3.1. Конструктивное исполнение ограждений 
68 

3.2. Неметаллические материалы ограждений 
70 

3.3. Металлические материалы ограждений 
73 

3.4. Выбор огнеупорных изделий для ограждений 
79 

3.5. Конструкция ограждений, выполненных в виде принудительно охлаждаемых 

гарнисажных футеровок 
84 

3.6. Тепловой расчет ограждений нечи 
88 

3.6.1. Стационарный тепловой режим 
88 

3.6.2. Пестационарный тепловой режим 
98 

Примеры 
107 

Пример 3.1. Расчет многослойного ограждения копильника расплава 
107 

Пример 3.2. Расчет принудительно охлаждаемой гарнисажной футеровки 
118 

Пример 3.3. Разогрев однослойной стенки 
124 

Пример 3.4. Разогрев двухслойной стенки 
126 

Пример 3.5. Теплопоглощение стенкой при циклическом режиме тепловой 

работы печи 
130 

4. Расчет теплового баланса печи 
83 

4.1.Уравнения теплового баланса 
132 

4.2. Статьи прихода тепла 
133 

4.3.Статьи расхода тепла 
135 

4.3.1. Полезно израсходованное тепло 
135 

4.3.2. Потери тепла с уходящими газами 
136 

4.3.3. Потери тепла вследствие недожога топлива 
136 

4.3.4. Потери тепла в окружающую среду 
137 

4.3.5. Потери тепла, отдаваемого побочным теплоприемникам в самой печи 
139 

4.4. Определение расхода топлива и электроэнергии 
142 

4.5. Показатели тепловой экономичности нечей 
143 

Библиографический список 
132 

Приложения 
146 

3 

Предисловие 

При выполнении курсового или дипломного проекта (работы) по 
курсу «Теплотехника» студентам приходится пользоваться материалами, изложенными во многих учебниках, справочниках и пособиях. 
Кроме того, в ряде случаев, особенно когда методика расчета элемента печи основана на экспериментальных данных или результатах 
практической эксплуатации, имеющиеся в литературе рекомендации 
требуют уточнения в связи с появлением новых сведений или новых 
материалов с улучшенными свойствами. Настоящее пособие предназначено для сокращения затрат времени при выполнении проектных 
работ и приближения качества расчетов к современному уровню 
знаний в области печной теплотехники. 

Для достижения поставленной цели в пособии собраны материалы, необходимые для расчета и проектной проработки основных 
элементов промышленных печей. В достаточном для курсового и 
дипломного проектирования объеме представлены данные о теплофизических и эксплуатационных свойствах огнеупорных и теплоизоляционных материалов, химическом составе и теплофизических 
свойствах используемых в промышленности топлив и продуктов их 
сгорания, свойствах металлов, используемых в печестроении. В методической части пособия изложены рекомендации по расчету элементов (сожигательных устройств и ограждений) и теплового баланса промышленных печей. 

Настоящее пособие ни в коем случае не может заменить учебник 
и не предназначено для получения первоначальной информации о 
конструкции и тепловой работе плавильных печей. Плодотворное 
использование пособия предполагает знакомство студентов с основами общей теории печей. 

4 

1. РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА 

Расчет горения производится на основании данных о рабочей 
массе топлива. Формулы для пересчета элементарного состава твердого или жидкого топлива с одной массы на другую приведены в 
табл. 1.1. 

Таблица 1.1 

Коэффициенты пересчета массы топлива 

Заданная 

масса 
топлива 

Органическая 

Горючая 

Сухая 

Рабочая 

Масса топлива, на которую производится пересчет 

Органическая 

1 

100 

100-;S„ 

100 

100-(;S„+^'=) 

100 

\0O-[sl+A^ + W\ 

Горючая 

100-;S„ 
100 

1 

100 

100-^^ 

100 

100-(^Р+^г) 

Сухая 

100-(;S„+^'=) 

100 

100-^^ 
100 

1 

100 

im-w 

Рабочая 

100 

100-(^Р+^г) 

100 

ш-w 

100 

1 

Примечание: А, S^, fF- массовые доли золы, летучей серы и влаги в топливе, %; 
индексы «г», «с», «р» соответствуют содержанию данного компонента в горючей, 
сухой или рабочей массе топлива. 

Пересчет элементарного состава твердого или жидкого топлива с 
одной влажности (Wi, %) на другую (Жг, %) или с одной зольности 
(Ai, %) на другую (Аг, %) производится по формулам 

;^P^;^pl00-fr2 
хр = XF 100 4 

100-fTi 
100-4" 

где XI, -содержание какого-либо компонента в рабочей массе топлива при соответствующей влажности. 

Пересчет состава сухого газа на влажньй производится по формуле 

X™ = X' 
100 

100 + 0,1242fr 

, 

5 

где ^ " и ^ - содержание какого-либо компонента во влажном и сухом 
газе соответственно, %; 
W 
- масса воды, приходящаяся на единицу о&ьема сухого газа, г/м1 

Величины высшей ^ и низшей Q^ теплоты сгорания рабочей, горючей и сухой массы твердого или жидкого топлива связаны соотношениями 

gp=gp+225HP+25frP; 
е:=е:+225н
Q:=Q:+225U\ 

Тепловые расчеты печей и котельных установок выполняют, используя низшую теплоту сгорания рабочей массы топлива Q^ : 

- для твердого и жидкого топлива, кДж/кг, 

еР=338СР+1025НР-108,5(OP-SP)-25ff, 

где С, №, (У, SP, W- содфжание компонентов в рабочей массе топлива, %; 

- для газообразного топлива, кДж/м^ 
gP = 108Н2+126СО+234Н28+358СН4+591С2Н4+638С2Ц; +86ОС3Ц; + 

+913C3H^+1135C4H^+1187C4Hio+1461C5Hi2+1403CgHg, 

где Нг, СО, НгЗ, СНд, С2Н4 и т.д. - объемное содержание компонентов, входящих в состав газообразного топлива, %. 

При пересчете низшей теплоты сгорания используют следующие 
формулы: 

- с горючей массы на рабочую и обратно 

100-(A^ 
+ W) 
0^+25W 

100 
' ""^ 
100-(^P + fr) 
' 

- с сухой массы на рабочую и обратно 

mO-w 
0^+25W 

- при изменении влажности 

6 

(gP +25Ж )(l00-fr2) 
ПР, = ^~^ 
J^ 
L - 25Ж, 

Для смеси двух видов твердого, жидкого или газообразного топлива низшая теплота сгорания определяется по формуле 

где X - массовая (объемная) доля первого вида топлива в смеси; 

бн1 и бн2 - значения низшей теплоты сгорания первого и второго 
видов топлива, Дж/кг(Дж/м^). 

При заданной низшей теплоте сгорания смеси двух видов топлива 
бн1.см доля первого вида топлива х определяется по формуле 

Низшая теплота сгорания смеси твердого или жидкого топлива с 
газообразным рассчитывается по формуле 

где а 
- объем газа, приходящийся на единицу массы твердого или 
жидкого топлива, M V . 

Для сравнения тепловой ценности различных видов топлива пользуются понятием условного топлива. Условным топливом называют 
такое топливо, теплота сгорания которого равна 29,3 МДж/кг. 

Пересчет расхода натурального топлива на условное производится по формуле 

где By - расход условного топлива, кг/с; 

В 
- расход натурального топлива, кг/с или MVC; 
Э - тепловой эквивалент топлива, кг условного топлива на кг или 
м^ рабочего топлива, определяемый по формуле 

^^29,3-10'^" 

7 

При расчете материального баланса горения топлива можно воспользоваться следующими формулами. 

Минимальное (теоретическое) количество воздуха, необходимое 
для полного сжигания единицы топлива: 

- одного килограмма твердого топлива или мазута, м^/кг, 

Г," = 0,0889СР+0,265НР -0,0333(о^ -S^), 
(1.2) 

где С, ff, (У, S^ - содержание компонентов в рабочей массе топлива, %; 

- одного кубометра газообразного топлива, м^/м^, 

V° = 0,0476[0,5CO+0,5H2+1,5H2S + ^ ( ш + п/4) С„Н„ - Oj] , (1.3) 

где Нг, СО, H2S и т.д. - объемное содержание компонентов, входящих 

в состав газообразного топлива, %. 

Действительное количество воздуха, подаваемое для сжигания 
единицы топлива, м^/кг или м^/м^, 

K'-nV:, 
(1.4) 

где п - коэффициент расхода воздуха. 

Объем продуктов сгорания, образующихся при сжигании единицы топлива, м^/кг или м^/м^: 

- при теоретическом расходе воздуха 

^г° = ^ко,+^к,+^н,о, 
(1-5) 

здесь при сжигании твердого топлива или мазута: 

V^Q - объем трехатомных составляющих в продуктах сгорания, м^/кг, 

FRO, =0,0187(СР+0,3758"); 
(1.6) 

V^ - объем азота в продуктах сгорания, м^кг, 

F^, = 0,79V° + 0,008NP; 
(1.7) 

Fg Q - объем водяного пара в продуктах сгорания, м^/кг, 

Fнo=0,lllЯP + 0,0124fFP+0,0161F°; 
(1.8) 

при сжигании газообразного топлива V^Q , V^ , V^ Q, Ж'/Ж', равны: 

FRO, = 0 , 0 1 ( C O 2 + C O + H 2 S + X ' « C „ H „ ) , 
(1.9) 

Vl_ = 0,79V,'+0,0m„ 
(1.10) 

<o=0,0lfH2S+H2+X^C„H„+0,0124frj + 0,0161F:, 
(1.11) 

где W- влагосодержание газообразного топлива, г/м^; 

- при действительном расходе воздуха V^'^, V^Q , V^^, V^ Q И FQ, 

(м^/кг или м^/м^) равны: 

Г/=Г;+1,0161(и-1)Гз°; 

^ H ' , O = < O + 0 , 0 1 6 1 ( « - 1 ) F , « ; 

FO^^=0,21(«-1)F:. 

При расчете горения смеси однородных топлив, когда заданы химический состав каждого из них и теплота сгорания смеси, по формуле (1.1) определяют долю первого топлива в смеси и рассчитывают химический состав смеси по формулам 

ся4,,,=хся;+(1-х)ся;, 

С 
=хС'Р+{1-х)С"Р, 

(1.12) 

(1.13) 

(1.14) 

(1.15) 

(1.16) 

где СН^^^, С1^,... - содержание составляющих смешанного топлива, %; 

СЯд, CH'l, С"^, С'"^ - содержание составляющих в исходных 

видах топлива, %. 

После определения химического состава смеси материальный баланс горения топлива рассчитывают либо по формулам (1.2), 
(1.4) - (1.8), (1.12) - (1.16), либо по формулам (1.3), (1.4), (1.9) - (1.16). 

Для смеси твердого или жидкого топлива с газообразным при заданном значении п отдельно рассчитывают горение 1 кг твердого 
или жидкого топлива и отдельно - 1 м^ газообразного топлива. Количество воздуха, необходимое для сжигания смеси при л = 1, определяют по формуле 

V^^Vl' + aVf. 

Аналогично рассчитывают объемы диоксида углерода, азота, водяного пара. 

Удельная энтальпия продуктов сгорания k, кДж/м\ определяется 
по формуле 

к 

где 4 и Fk - удельная энтальпия и объемная доля к-то компонента 
продуктов сгорания. 

Калориметрическая температура горения Т^ определяется по 
удельной энтальпии продуктов сгорания i,p при сжигании топлива в 
адиабатных условиях: 

г, 
' 
F/ 

здесь г, - удельная энтальпия топлива, зависящая от химического 
состава топлива и его температуры Г,; 
и - удельная энтальпия воздуха, зависящая от его температуры Т,. 
После определения величины i,p калориметрическую температуру 
рассчитывают методом последовательных приближений в следующей последовательности: 

- задают приближенное значение искомой температуры V и по 
прил. 8 находят удельную энтальпию продуктов сгорания t при этой 
температуре; 

- если оказывается, что i,,<i\ задают Т^'<Т^, в противном случае 
задают Т^'>Т^ и по прил. 8 находят удельную энтальпию продуктов 
сгорания Г при температуре Г,"; 

- после нахождения интервала температур (Г/, Г/'), Для которого 
выполняются неравенства i" < f,,o < Г, калориметрическую температуру определяют путем линейной интерполяции по формуле 

10 

rji 
Т" -Х- ^'^ 
/ Т' 
'Т"\ 

к 
к 
-t 
.ff 
к 
к 

Действительная температура горения вычисляется как произведение калориметрической температуры на эмпирический пирометрический коэффициент г|: 

Г^=Л7; 
(0,75<л<0,85). 

Плотность продуктов сгорания р^ равна: 

где Gj - масса продуктов сгорания, приходящаяся на единицу 

топлива, кг/кг (для твердого и жидкого топлива) или кг/м^ 
(для газообразного топлива). 

Величину Gj определяют по следующим формулам: 
- для твердого или жидкого топлива 

с, = о,оыр+1,зоб«к>гф, 

где ^ф - расход пара на распыливание мазута в форсунке, кг/кг; 

- для газообразного топлива 

G^=p^+0,001fr + l,306nF3°, 

где плотность сухого топлива 

р,=0,0196СО2+0,0152Н2+0,014302+0,0125N2 + 

+0,0125СО+0,0009Н2+0,0286О2+0,0072СН4+0,0125С2Н4 + 

+0,0134C2Hg+0,0197C3H^+0,0259C4Hio+0,0322C5Hi2 + 

+0,0188СзНе+0,0250С4Н(^+... . 

Расчет неполного сгорания газообразного топлива производят по 
следующей методике: 

- проводят расчет полного сгорания топлива и определяют объемные доли СОг и Н2О в продуктах сгорания V^Q И Fg Q , ш'1ж', а также 

й 
3 3 

32 
объем кислорода, поступающего с воздухом при л = 1 FQ , м /м ; 

11 

- составляют систему балансовых уравнений для углерода, водорода и кислорода для процесса неполного сгорания 

^со=С 
V, 
С О з ' 

^н,о =^со, +^н,о -^со, -2(l-«)Fo°^; 

(1.18) 

(1.19) 

^н, = ^ c o , + 2 ( l - « ) < - F c ° o , , 
(1.20) 

где F^Q ,F^Q,V^Q,V^ - объемные доли СОг, СО, НгО и Нг в продуктах неполного сгорания, MVM^; 

- определяют константу равновесия реакции С02+Н2=СО+Н20 
(реакции водяного газа) 

РсоРя0 
'со'но 

РсоРщ 
VcoV„ 

(1.21) 

значения которой в зависимости от температуры представлены 
в табл. 1.2; 

Таблица 1.2 

Зависимость константы реакции водяного газа от темнературы 

Г, "С 

^ р 

600 
0,408 

700 
0,646 

800 
0,935 

820 
1,000 

900 
1,270 

1000 
1,656 

1100 
2,065 

1200 
2,506 

1300 
2,965 

1400 
3,430 

- подставляя выражения (1.18) - (1.20) в формулу (1.21) и решая 
полученное уравнение относительно V^Q , находят содержание СОг в 

продуктах неполного сгорания: 

V, 

-B + 
^B'+4(K^-1)V, о 

COj с , + < о - < ( ! - « ) 

со 
2 ^ - 1 ) 

где^? = <о-К-2)С+2<(1-«)(^р-1); 

- по формулам (1.18) - (1.20) определяют содержание СО, НгО и 
Нг в продуктах неполного сгорания; 

12 

- объемную долю азота в продуктах неполного сгорания рассчитывают по формуле, м^/(м^ топлива), 

где V^ - объемная доля азота в газообразном топливе; 

бъем 

м^/(м^ топлива): 

V^ - объем азота, поступающего с воздухом при л = 1, 

F° =0,79F°=3,762Fo°; 

3 
.3 
количество влажных продуктов сгорания при л < 1, м /(м топ 

лива): 

уп,вя 
уО 
уО 
.у 
. 

- количество сухих продуктов сгорания при л < 1, м^/(м^ топлива): 

Тепловые эффекты реакций горения приведены в прил. 1, составы 
топлив - в прил. 2 - 6 , удельные энтальпии горючих компонентов 
газообразных топлив - в прил. 7, удельные энтальпии воздуха и продуктов сгорания - в прил. 8. 

П р и м е р ы 

Пример 1.1. Расчет горения жидкого топлива 
Определить режим сжигания мазута, если необходимо получить 
продукты сгорания при температуре 1649 °С. Состав мазута (в массовых процентах): fF = 0,6; А' = 0,2; С" = 86,1; ff = 10,7; S' = 2,8; 
(О + N)^ = 0,5. Сжигание мазута производится при п = 1,25. 

Решение 
Производим пересчет состава топлива на рабочую массу. 
По табл. 1.1 определяем значения пересчетных коэффициентов: 
- с сухой массы на рабочую 

С-Р 
^QQ 
^QQ 
С-р 

13