Расчет трехзонной методической печи с двухсторонним обогревом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Южно-Уральский государственный университет»

Национальный исследовательский университет

Факультет Энергетический

Кафедра «Промышленная теплоэнергетика»

Пояснительная записка к курсовой работе

По дисциплине «Металлургическая теплотехника»

На тему: «Расчет трехзонной методической печи с двухсторонним обогревом»

Выполнил: Кершев Б.О.

Проверил: старший преподаватель, Реш А.Г.

Челябинск 2013



Содержание

Введение

1. Расчет горения топлива

2. Расчет нагрева металла

2.1 Размеры рабочего пространства

2.2 Методическая зона

2.3 Сварочная зона

2.4 Томильная зона

2.5 Основные размеры печи

3. Расчет теплового баланса

Заключение

Литература



Введение

Методические печи предназначены для нагрева металла перед прокаткой и относятся к печам непрерывного действия. За время нагрева заготовки постепенно перемещаются через всю печь от входа к выходу.

Методическая печь состоит из рабочего пространства, где происходит сжигание топлива и нагрев металла, и ряда систем: отопления, транспортировки заготовок, охлаждения элементов печи, управления тепловым режимом и др. Рабочее пространство печи разбито на зоны: методическую зону, сварочную зону, томильную зону. Все зоны, кроме методической, оснащены горелками, в которых сжигается топливо (смешанный газ, природный газ, мазут).

Заготовки нагреваются постепенно (методично), сначала через неотапливаемую методическую зону (зону предварительного нагрева), где температура сравнительно низкая, затем через сварочные (нагревательные) зоны с высокой температурой, где происходит быстрый нагрев металла, и томильную зону, в которой осуществляется томление - выравнивание температур по сечению заготовки. В методической и сварочных зонах заготовки перемещаются по водоохлаждаемым подовым трубам, я в томильной - по монолитной подине.

Продукты сгорания движутся в печи навстречу движению металла, отдавая ему значительную часть тепла (в последнее время разрабатываются методические печи, в которых направление движения продуктов совпадает в некоторых зонах с направлением движения металла, однако они не получили широкого распространения). Из методической зоны они поступают в рекуператор, где нагревают воздух, подаваемый в зоны для горения (в некоторых методических печах в рекуператорах нагревают также и газ). Далее продукты сгорания во многих современных методических печах подаются в котлы-утилизаторы, где часть их тепла используется для выработки пара, после чего они отводятся в дымовую трубу.

Наш расчет ведется в методической печи с двухсторонним обогревом. В таких печах металл греется с двух сторон: сверху и снизу, что повышает равномерность нагрева заготовки по толщине. Недостатком таких печей является наличие в них водоохлаждаемых подовых труб, что приводит к появлению темных (холодных) пятен на заготовках в местах их контакта с трубами и к увеличению расхода топлива.



1. Расчет горения топлива

Рассчитаем горение смеси коксового и доменного газов по заданным составам.

Таблица 1. Химический состав газов

Газ	CH4	C2H6	CO2	O2	CO	H2S	H2	N2	Влажность, г/м3
Коксовый (50%)	25,5	2,3	2,4	0,5	6,5	__	59,8	3,0	35
Природный (50%)	93,8	4,9	0,6	__	__	__	__	0,7	50

1. Пересчитываем состав сухого газа на влажный. Определяем содержание водяного пара в газах:

1) коксовый Ч H₂O = = 4,2 %

2) природный Ч H₂O =4,74 %

2. Считаем состав влажного газа:

Рассчитываем по формуле:

x^вл = x^сух·(1- Н₂O/100)

где x^вл и x^сух объемные доли компонента соответственно во влажном и сухом газе.

Коксовый газ:

СН₄ = 25,5*0,958 = 24,429%

С₂ Н₆=2,3*0,958= 2,203%

О₂ = 0,5*0,958 = 0,479%

СО₂ = 2,4*0,958= 2,299%

N₂ = 3*0,958 = 2,874%

H₂₌ 59,8*0,958= 57,288%

CO=6,5*0,958=6,227%

Природный газ:

СН₄ = 93,8*0,942 = 88,359%

С₂ Н₆ =4,9*0,942=4,616%

СО₂ = 0,6*0,942 = 0,659%

3. Рассчитываем теплоту сгорания топлива:

Q_н^р = 0,127·CО + 0,108·Н₂+0,358·СmНn + 0,636·С₂Н₆ +0,913C₃H₈+1,185C₄H₁₀, кДж/м³

Q_н^р = 0,127*3,113+0,108*28,644+0,358*56,394+0,636*3,409=25,83 МДж/м³

4. Определим состав смешанного газа:

x^см = x_кокс·b_кокс + (1 - b_кокс)·x_дом

где b_{кокс -}доля коксового газа в смеси

x_кокс и x_дом - объемные доли коксового и природного газа.

СН₄ = 24,429*0,5 + 88,359*0,5 = 56,394%

СО₂ = 2,299*0,5+0,565*0,5=1,432%

С₂Н₆ =2,203*0,5+4,616*0,5 =3,409%

О₂ = 0,479*0,5 = 0,239%

СО = 6,227*0,5 = 3,113%

Н₂ = 57,288*0,5= 28,644%

N₂ = 2,874*0,5+0,659*0,5= 1,766%

Н₂О 4,174*0,5+5,858*0,5= 5,016%

Сумма % : 100,015 %



Таблица 2. Состав влажных газов

Газ	CH4	C2H6	CO2	O2	CO	H2О	H2	N2	Сумма %
Коксовый (50%)	24,429	2,203	2,299	0,479	6,227	4,174	57,288	2,874	99,946
Природный (50%)	88,359	4,616	1,432	__	__	5,858	__	0,659	100,057
Смешанный	56,394	3,409	1,432	0,239	3,113	5,016	28,644	1,766	100,015

5. Теоретически необходимое количество воздуха:

V_O2 = 0.01[0.5(CO + H₂ + 3H₂S) + (m + n/4)C_mH_n- O₂]

V_O2 =0,01[0.5(3,113 + 28,644) + [((1+1)*56,394-0,239)+((2+6/4)*3,409) -0,239] = 1,39м³/м³

6. Действительный расход воздуха:

V_B = (1 + k)* V_O2 , м³/м³

V_B = 1,1*(1 + 3,762)*1,39 = 7,28 м³/м³

7. Определим количество продуктов горения:

V_CO2=0.01(CО₂ + SO₂ + CO + H₂S + ?m·C_mН_n)=0,68 [м³/м³]

V_N2=0,01N₂ +* k* V_O2 =5,8 м³/м³

V'_O2 = (-1)* V_O2 = 0,139 м³/м³

V_Н2О=0,01·(Н₂О+ H₂ +H₂S+0,5 ?n·C_mН_n) = 1,56 м³/м³

8. Общий объем продуктов горения:

V_Д.Г.=V_СO2+V_N2+V_H2O + V'_O2 = 8,179 м³/м³

9. Определим состав продуктов горения:

r_CO2 = (V_CO2/V_д.г. )*100% = (0,68/8,179)*100% = 8,32%

r_H2O = (V_H2O/V_д.г. )*100% = (1,56/8,179)*100% = 19,07%

r_N2 = (V _N2 /V_д.г. )*100% = (5,8/8,179)*100% = 70,91%

r_O2 = (V'_O2 /V_д.г. )*100% = (0,139/8,179)*100% = 1,70%



2. Расчет нагрева металла

Процесс нагрева металла в печах отличается значительной сложностью, так как всем печам свойственна неравномерность распределения температур и скоростей газов в рабочем пространстве, что приводит к неравномерности нагрева металла. Обычно нет точных данных о теплофизических свойствах нагреваемых материалов и величинах, характеризующий внешний теплообмен. В связи с этим существующие методики расчета печей основаны на идеализированных схемах: усредненные условия внешнего теплообмена, равномерное начальное распределение температур в изделии, равномерность температур в изделии, равномерность температур поверхности изделия в процессе нагрева, усредненные и постоянные значения теплофизических свойств нагреваемого материала.

Процесс нагрева состоит из внешнего теплообмена, т.е. передачи тепла из рабочего пространства печи к поверхности металла, и внутреннего теплообмена, т.е. распространение тепла с поверхности внутрь металла.

Полное время нагрева металла в печи находят как сумму времен нагрева в каждой из зон печи. Для расчета процесса нагрева в каждой зоне важно правильно установить граничные условия, после чего можно воспользоваться известными решениями дифференциального уравнения теплопроводности при соответствующих граничных условиях.

2.1 Размеры рабочего пространства печи

Зададимся основными размерами рабочего пространства.

1. Ширина рабочего пространства печи:

,



где n - число рядов заготовок в печи (n = 1);

l - длина нагреваемых заготовок; l = 6 м

д - зазор между заготовками и стенками печи (д = 0,3 м);

Ширина толкательных печей ограничивается возможностью чистки монолитной подины вручную через боковые окна. Наибольшее значение В примерно 10 м. В печах с шагающими балками можно устранить причину осыпания окалины, а в связи с этим и причины шлакования пода, что позволяет увеличить его ширину.

B = 1*6 + (1 + 1)*0.3 = 6,6 м

2. Высота методической зоны:

h_мет = 1,0 м;

3. Высота сварочной зоны:

h_св = 2,5 м;

4. Высота томильной зоны:

h_т = 1,6 м

Рис.1. Профиль толкательной печи с двусторонним обогревом: 1 - методическая зона; 2 -сварочная зона; 3 - томильная зона.



2.2 Методическая зона

Основным назначением методической зоны является медленный нагрев металла до состояния пластичности. Сталь (за исключением некоторых специальных марок) обладает упругими свойствами только до температуры 400-500є С, выше этой температуры переходит в пластическое состояние. Поэтому при симметричном двухстороннем обогреве можно принять температуру в середине металла в конце методической зоны равной 500є С. Таким образом, температуру поверхности заготовки в конце методической зоны следует принять:

t_п^кон = 500 + ?t_доп

?t_доп = 646.8*10⁶*1.05 / 14.3*10^-6*174*10⁹ = 273°C

Принимаем ?t_доп =120°С, тогда получим. Таким образом, температуру поверхности заготовок в конце методической зоны следует принять:

t_п^кон = 500 + ?t_доп = 500 + 120 = 620°

Найдем эффективную длину луча в зоне:

L_эф.^мет. =

Теперь найдем произведение l_эф· Р_СО2 и l_эф· Р_Н2O:

l_эф· Р_СО2 = 13.3 атм*м

l_эф· Р_H2O = 30,5 атм*м

1). По начальной температуре газов в зоне печи и произведению l_эф· Р_СО2 и l_эф· Р_Н2O, определяем по таблицам значение степени черноты слоя CO₂ и Н₂О, а также значение поправочного коэффициента в к степени черноты водяного пара:

Для t = 900є С:

е_СО2 = 0,172

е_Н2О = 0,200

в = 1,102

Степень черноты газов определяем по формуле:

0.3924

Приведенный коэффициент излучения от продуктов сгорания на металл с учетом тепла, отраженного от кладки на металл:

С_ГКМ= с_о ·е_М·е_г·

где =0,8 - степень черноты металла,

с_о = 5,67 Вт/м²*К⁴ - коэффициен лучеиспускания АЧТ

С_ГКМ=

q_нач =

Начальный коэффициент теплоотдачи излучением:

б_.^нач.= Вт/(м²·C)

2). По конечной температуре газов в зоне печи и произведению l_эф· Р_СО2 и l_эф· Р_Н2O, определяем по таблицам значение степени черноты слоя CO₂ и Н₂О, а также значение поправочного коэффициента в к степени черноты водяного пара: печь методический сварочный томильный

Для t = 1300є С: е_СО2 = 0,095, е_Н2О = 0,150 , в = 1,102.

Степень черноты газов определяем по формуле:

0,2603

Приведенный коэффициент излучения от продуктов сгорания на металл с учетом тепла, отраженного от кладки на металл:

С_ГКМ= с_о ·е_М·е_г·

где =0,8 - степень черноты металла,

с_о = 5,67 Вт/м²*К⁴ - коэффициен лучеиспускания АЧТ

С_ГКМ=

Q_кон =

Конечный коэффициент теплоотдачи излучением:



б_.^кон.= Вт/(м²·C)

Для определения критерия Bi необходимо знать коэффициент теплоотдачи. Так как внешний теплообмен в методических печах осуществляется в основном радиационным способом, роль конвенции невелика и не превышает 10% от общего количества тепла, передаваемого металлу, то можно определить коэффициент теплоотдачи только излучением. Коэффициент теплоотдачи излучением определяем по формуле:

б_.изл==

По таблице для Стали 60Сг определяем теплофизические характеристики:

коэффициент теплопроводности л = 44 Вт/(м°С),

теплоемкость с = 517 Дж/кг°С,

плотность с =7810кг/м³.

Так как печь с двухсторонним обогревом то определяющим размером является

д = 0,26 м

Найдем критерий Bi:

В_i = б_мет.? (д /2)/ л = 120,9*0,13/38=0,41

Определим среднюю температуру газов в методической зоне:

Решение уравнения теплопроводности будут иметь вид:

Зная и_пов и Bi и используя номограмму для центра пластины, определяем критерий

Fo = 2. По этим же критериям Bi и Fo находим температурный критерий Ф' для поверхности и центра заготовки:

Затем определяем:

и_о

Уточняем температуру поверхности и центра заготовки:

Из числа Fo определяем время нагрева металла в методической зоне:

коэффициент температуропроводности;

Из формулы нахождения критерия Fo, выражаем время нахождения заготовки в методической зоне:

2.3 Сварочная зона

В сварочной зоне при ускоренном нагреве температура газов остается постоянной. Так как температура поверхности металла изменяется по ходу нагрева, то коэффициент теплоотдачи излучением будет также изменяться. Однако, приняв его средним постоянным за период нагрева, можно видеть, что нагрев описывается типовыми граничными условиями III рода при неравномерном распределении температуры в теле в начальный момент. В реальных условиях нагрева металла в печах обычно соблюдается условие Fo?0.3, т.е. процесс происходит в регулярном режиме. Одним из свойств регулярного режима является отсутствие зависимости распределения температуры по сечению от начального распределения её. Поэтому использование в качестве начального условия в сварочной зоне средней (постоянной) по сечению температуры не вносит погрешностей в расчет.

Найдем эффективную длину луча в зоне:

L_эф.^св. =

Теперь найдем произведение l_эф· Р_СО2 и l_эф· Р_Н2O(парциальные давления газов в сварочной зоне, равны парциальному давлению газов в методической зоне):

l_эф· Р_СО2 = 0,27 атм*м

l_эф· Р_H2O = 0,62 атм*м

Температура газов в сварочной зоне постоянна и равно t_г = 1300є С.

По температуре газов в зоне печи и произведению l_эф· Р_СО2 и l_эф· Р_Н2O, определяем по таблицам значение степени черноты слоя CO₂ и Н₂О, а также значение поправочного коэффициента в к степени черноты водяного пара:

Для t_г = 1300є С:

е_СО2 = 0,119

е_Н2О = 0,214

в = 1,095

Степень черноты газов определяем по формуле:

0.114+1.1*0.225=0.353

Приведенный коэффициент излучения от продуктов сгорания на металл с учетом тепла, отраженного от кладки на металл:

С_ГКМ= с_о ·е_М·е_г·

где =0,8 - степень черноты металла,

с_о = 5,67 Вт/м²*К⁴ - коэффициен лучеиспускания АЧТ

С_ГКМ=

Q_нач =

Q_кон =

Начальный коэффициент теплоотдачи излучением:

б_.^нач.= Вт/(м²·C)

Конечный коэффициент теплоотдачи излучением:

б_.^кон.= Вт/(м²·C)

Коэффициент теплоотдачи излучением определяем по формуле:

б_.изл==

Рассчитываем среднюю температуру металла в сварочной зоне, для определения его теплофизических характеристик при этой температуре:

Для t_ср = 901є С из таблиц: коэффициент теплопроводности л = 27 Вт/(м°С), теплоемкость с = 584 Дж/кг°С, плотность с = 7810кг/cм³.

Так как печь с двухсторонним обогревом то определяющим размером является

д =0,26 м.

Найдем критерий Bi:

В_i = б_св.? (д /2)/л = 504(0,13)/27=2,43

Зная и_пов и Bi и используя номограмму для поверхности пластины, определяем критерий Fo = 1,6. По найденным нами критериям Bi и Fo: и_цен = 0,45.

Температура центра заготовки:

Из числа Fo определяем время нагрева металла в сварочной зоне:

коэффициент температуропроводности;

Из формулы нахождения критерия Fo, выражаем время нахождения заготовки в сварочной зоне:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

2.4 Томильная зона

В томильной зоне помимо, выравнивания температур по сечению металла после предшествовавшего интенсивного нагрева в сварочной зоне происходит устранение неравномерности температурного поля металла, вызванным охлаждающим действием подовых труб. В связи с чем, в этой зоне осуществляется односторонний нагрев металла на монолитном поду.

Во избежание дальнейшего перегрева следует снизить температуру греющей среды, её поддерживают всего на 30ч50єС выше необходимой конечной температуры нагрева металла. Процесс выдержки происходит при постоянной температуре поверхности заготовки.

Время нагрева в томильной зоне при можно рассчитать с помощью графика перепады температур по сечению металла в начале и в конце томильной зоны. Коэффициент учитывает несимметричность обогрева в сварочной зоне.

= 1170^o -961^o = 209^o

= 10^o - конечный перепад температур по сечению слитка, заготовки;

=10^о/209^о=0,048

Принимаем коэффициент =0,5,

Определяем Fо, по графику :

Fо = 4

Определяем время нахождения заготовки в томильной зоне:

коэффициент теплопроводности л = 27 Вт/(м°С),

теплоемкость с = 584 Дж/кг°С,

плотность с =7810 кг/м³.

- коэффициент температуропроводности;

Из формулы нахождения критерия Fo, выражаем время нахождения заготовки в сварочной зоне:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/



Полное время пребывания металла в печи составило:

Составим по данным расчета температурную диаграмму нагрева металла, на которой изображены кривые изменения температуры газов в печи, температуры поверхности и середины металла в процессе нагрева.

2.5 Основные размеры печи

Длину печи, на которой происходит нагрев металла называют длиной активного пода :

Где P = 90(т/ч) = 25 (кг/сек) - производительность печи;

=2,29 часа=8244секунд - продолжительность нагрева;

n - число рядов заготовок в печи (n = 1);

l - длина нагреваемых заготовок; l = 6 м

S - толщина заготовки; S=0,26 м

с =7810 кг/м³ - плотность металла.

Длина полезного пода Ln - это длина печи, по которой происходит перемещение металла.

,



где - коэффициент заполнения полезной длины, представляющий собой отношение ширины (диаметра) заготовки к расстоянию между осями соседних заготовок.

Длина методической зоны:

- время нахождения заготовки в зоне;

- полное время пребывания заготовки в печи.

Длина сварочной зоны:

Длина томильной зоны:



3. Тепловой баланс печи

Определим число труб

N^прод = 8 шт.

N^поп = =2 = 4,,03=>4 шт.

D_нар = 76 мм=0,076 м

Определим площади труб

F_тр^м = рd_нар L_мет n_прод= 3,140,0766,428=12,25 м²

F_тр^св = рd_нL_св n_прод = 3,140,0764,688 =8,93 м²

Е_поп = n_поперрd_нарB = 43,140,0766,6 =6,3 м²

T_мет^газ = 1100 q_мет = 140 кВт/м²

T_св^газ = 1300 q_св = 165 кВт/м²

Потери охлаждающей водой

Q_охл = q_метF_тр^мет + q_св(F_тр^св + E_поп) = 14012,25+165(8,93+6,3)= 4227кВт.

Тепло, затраченное на нагрев металла

Q_мет = P*(C_m^конt_пк-C_м^начt_нач) = 25*(0,4871170-0,58410) = 14098кВт.

Неучтенные потери

Q_неучт = 0,1(Q_m+Q_охл) = 0,1(4227+14098) = 1832 кВт



Тепло экзотермических реакций

Q_экз = 5632Pa = 5632250,02 = 2816 кВт.

Расход топлива:

Вт = 1,02(Q_мет+Q_охл )+ Q_неучт - Q_экз/Q_н^р + V_B(C_Bⁱt_ф.в)-V_д.г. (С_д.г. t_ух.г)= (1,02(14098+4227)+1832-2816)/25830+7,28*532-8,179*1357 = 0,95 .

Q_ф.в = Вт V_в h_ф.в. = 0,95*7,28*532 =3679 кВт.

Химическое тепло топлива

Q_х = Q_н^р Вт = 25830*0,95 =24538 кВт.

Тепло уходящих продуктов сгорания

Q_ух = ВтV_дh_д = 0,95*8,179*1357 =10543 кВт.

Таблица 3. Приходные и расходные статьи баланса

Приходные данные	Об.зн	кВт	%	Расходные данные	Об.зн	кВт	%
Химическое тепло топлива	Qx	24538	66	Нагрев металла	Qмет	14098	45
Физическое тепло воздуха	Qв	9795	26	Потери через кладку	Qкл	244	0,3
Тепло экзотермических реакция окисления железа	Qэкз	2816	8	Тепло уходящих продуктов сгорания	Qуход	10543	34
				Потери с охлаждающей водой	QH20	4227	14
				Потери излучения через окна	Qиз.окн	400	0,7
				Неучтенные потери	Qнеуч.пот	1832	6
Итого		37149	100	Итого		31344	100



Технологический КПД

.

Коэффициент использования топлива

.

Заключение

В работе произведены подробные расчеты нагрева металла по зонам методической печи с двухсторонним обогревом, а также горения топлива, в результате которых были получены результаты.

Итак, время нагрева заготовки в методической зоне составило ф_мет = 0,87 часа, в сварочной зоне ф_св = 0,63 часа, в томильной зоне ф_том = 0,79 часа. Полный цикл нагрева металла ф = 2,29 часа.



Литература

1. Казанцев Е.И. Промышленные печи. М. “Металлургия”, 1975.

2. Кривандин В.А. Металлургическая теплотехника. Том 2. М. “Металлургия”, 1986.

Размещено на Allbest.ru

...