Расчет нагревательной печи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

В данной работе рассчитывается печь с выкатным подом для нагрева заготовок перед молотом. Размеры заготовок из хромистой стали: ширина b=0,6 м, высота h=0,7 м, длина l=2,2 м.

Начальная температура заготовки , конечная температура поверхности . Перепад температур по сечению заготовки в конце нагрева Дt^кон=50 ⁰С.

Печь отапливается мазутом следующего состава: =84%; =10,95%; =0,2%; =0,2%; =2,5%; =2%; =0,15%.

печь нагрев металл температурный

1. Расчёт горения топлива

Находим расход кислорода на горение мазута заданного состава при коэффициенте расхода воздуха n=1,0 (м³/кг):

Определяем расход сухого воздуха n=1,1(м³/кг):

k=79/21=3,762

Находим объёмы компонентов продуктов сгорания (м³/кг):

;

_;

;

;

;

Суммарный объём продуктов сгорания равен (м³/ кг):

Процентный состав продуктов сгорания:

;

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Находим низшую теплоту сгорания мазута (кДж/кг):

Определим истинную энтальпию продуктов сгорания (кДж/м³):

;

Зададим температуру = 2000 ⁰С

Определим энтальпию продуктов сгорания при температуре (⁰С) (кДж/м³):

;

Т.к. > , то зададим температуру = 1900

Определим энтальпию продуктов сгорания при температуре

;

Поскольку , то калориметрическая температура горения t_к (⁰С)

_;

Принимая пирометрический коэффициент равным з_пир=0,8 находим действительную температуру горения

T_действ= з_пирt_к

T_действ= 0,8•1982,5=1586

2. Определение размеров печи

Принимаем расстояние между садкой и боковыми стенками, равным 0,5 м, садкой и сводом 1,0 м и садкой и торцевыми стенами 0,25 м. Тогда рабочее пространство имеет ширину B=1,6 м, высоту H=1,7 м и длину

L=2,7 м.

Принимаем, что выкатной под, стены и свод печи выполнены из шамота толщиной 150 мм и диатомитового кирпича толщиной 300 мм. Тогда наружные размеры печи будут равны: ширина B^ґ=2,5 м, высота H^ґ=2,15 м и длина L^ґ=3,6 м.

3. Температурный режим и время нагрева металла

Холодное изделие загружается в холодную печь и нагревается вместе с ней. Изделие является достаточно массивным, поэтому примем, что температурный режим состоит из двух периодов: нагрева и выдержки. В период нагрева температура поверхности изделия повышается от до температура дымовых газов в печи t_г меняется от 800 ⁰С до

=+150=1250+150=1400⁰С,

температура футеровки равна t_к=0,5(t_г+t_м).

Период нагрева разобьём на три интервала, в пределах которых температуру продуктов сгорания будем считать постоянной.

В период нагрева тепловая нагрузка печи (расход топлива) неизменна. В период выдержки тепловая нагрузка печи снижается так, что температура дымовых газов, металла и футеровки остаются неизменными.

Определяем площадь тепловоспринимающей поверхности металла

F_м=2bh+2lh+bl=2·0,6·0,7+2·2,2·0,7+0,6·2,2=5,24 м²

Площадь внутренней поверхности рабочего пространства печи (за вычетом площади, занятой металлом)

мІ

Степень развития кладки

Эффективная длина луча

4. Период нагрева

I интервал. Изменение температур поверхности металла, кладки и продуктов сгорания показано на рис. 1. Средние за интервал температуры равны

Парциальное давление излучающих компонентов продуктов сгорания

(сюда включено SO₂)

Тогда

По графикам на рис. 13-15 при =975 ⁰C находим

Учитывая наличие в продуктах сгорания мазута сажистых частиц, увеличиваем степень черноты продуктов сгорания в 2,5 раза е_г=2,5 еґ_г=2,5 •0,1=0,25 плотность потока результирующего излучения металла находим по формуле.

Принимая степень черноты металла равной е_м=0,8 и шамота е_к=0,6, находим значение комплексов



Теперь по формуле находим

Коэффициент теплоотдачи излучением в I интервале периода нагрева

Принимая значение коэффициента теплоотдачи равным б^конв=15 Вт/(м²·К), находим величину суммарного коэффициента теплоотдачи

Нагреваемое изделие является телом сложной формы, образованным пересечением трёх бесконечных пластин. Заготовку прямоугольного сечения с b/h ? 1,8 можно представить в виде эквивалентного цилиндра с диаметром



Так как нагрев изделия производится со всех сторон, то коэффициент несимметричности нагрева равен м=0,5 и расчётная толщина

Критерий Био равен

Значение л=39,2 Вт/(м·К) заимствовано из приложения IX при t_м=310 °С. Температурный критерий равен

По номограмме находим значение критерия Фурье Fo₁=0,46. Продолжительность I интервала периода нагрева

где б=8,89·10^-6 м²/с - коэффициент температуропроводности хромистой стали при t_м=310 °C (ссылка).

Найдём температуру в середине заготовки в конце I интервала периода нагрева. Для этого по номограмме при значениях Bi_I=0,88 и Fo_I=0,46 находим . Тогда

Среднюю по массе температуру заготовки в конце I (в начале II) интервале периода нагрева находим по формуле

II интервал. Средние за интервал температуры продуктов сгорания и поверхностей металла и кладки равны

Находим степень черноты продуктов сгорания:

По графикам при t_г=1225 °С находим



Тогда

Средняя во II интервале плотность потока результирующего излучения металла

Средний за II интервал коэффициент теплоотдачи излучением

,

а с учетом конвективного теплообмена

Значения критериев Био и температурного равны

По номограмме находим, что Fo_II = 0,2. Продолжительность II интервала периода нагрева

(1,27 ч.)

Найдем температуру в середине заготовки в конце II интервала периода нагрева. По номограмме при Bi_II = 3,23 и Fo_II = 0,2находим

Тогда



Средняя по сечению температура заготовки в конце II интервала периода нагрева

III интервал. Средние за интервал температуры продуктов сгорания и поверхностей металла и кладки равны

Находим степень черноты продуктов сгорания:

По графикам при t_г=1350 °С находим

Тогда



Средний за интервал коэффициент теплоотдачи излучением

С учетом конвективного теплообмена находим суммарный коэффициент теплоотдачи

Значения критериев Био и температурного равны

По номограмме находим, что Fo_III = 0,22. Продолжительность III интервала периода нагрева

Значения л = 29,6 Вт/(м·К) и б = 5,83·10^-6 м²/с определены для хромистой стали при

Найдем температуру в центре заготовки в конце периода нагрева. По номограмме при Bi_III = 4,8 и Fo_III = 0,22 находим

Тогда

Перепад температур по сечению заготовки в конце периода нагрева

Общая продолжительность периода нагрева

ф_н = ф₁ + ф₂ + ф₃ = 6894+4570+5027=16491 с (4,58 ч)

5. Период выдержки

В течение периода выдержки средняя температура продуктов сгорания равна t_г = 1300 °С, поверхности металла t_м = 1250 °С, кладки t_к = 0,5(t_г +

+ ) = 0,5(1300+1250)=1275 °С. В конце периода выдержки перепад температур по сечению заготовки Дt_кон = 50 °С. Тогда степень выравнивания

;

По кривой 1 графика на рис. 19 находим значение критерия Фурье для периода выдержки Fo_в = 0,4. Тогда продолжительность периода выдержки будет равна

Общее время пребывания металла в печи

ф_У = ф_н + ф_в = 16491+9141=25632 с (?7,2 ч)

6. Тепловой баланс печи

Поскольку тепловая нагрузка печи различна в период нагрева и в период выдержки. То тепловой баланс составляем отдельно для каждого периода.

Тепловой баланс периода нагрева

Приход тепла

1. Тепло от горения топлива



где В_н - расход мазута в период нагрева, кг/с

2. Тепло от окисления металла

Здесь а = 0,02 кг/кг - угар металла в печи;

M = bhlс = =0,6·0,7·2,2·7850=7253,4 кг - масса заготовки;

с = 7850 кг/м³ - плотность хромистой стали.

Поскольку все это количество тепла выделилось при окислении металла за все время нагрева и выдержки, примем, что в период нагрева выделяется половина тепла, т.е.

Расход тепла

1. Тепло, затраченное на нагрев металла

где значения энтальпии хромистой стали при температурах

и

2. Тепло, уносимое продуктами сгорания

здесь

= (1432 К)

- средняя за период нагрева температура уходящих продуктов сгорания; с_д - теплоемкость продуктов сгорания при .

CO₂ + SO₂ …

H₂O …

O₂ …

N₂ …

кДж/(м³·К)

CO₂ + SO₂ =

H₂O =

O₂ =

N₂ =

кДж/(м³·К)

Значения теплоемкостей газов берем из приложения I.

3. Тепло, аккумулированное кладкой

Поскольку стены и под печи выполнены двухслойными, то тепло, аккумулированное кладкой, следует вычислять по формуле

Средняя температура слоя шамота в конце периода нагрева принимаем °С, слоя диатомита °С

Объем шамотной кладки

V_ш = д_ш(2HL + 2HB + 2BL) = 0,15(2·1,7·2,7+2·1,7·1,6+2·1,6·2,7)=3,489 м³

Объем диатомитовой кладки

V_д = д_д(2HL + 2HB + 2BL) = 0,3(2·1,7·2,7+2·1,7·1,6+2·1,6·2,7)=6,978 м³

4.Неучтенные потери принимаем равными 10 % от тепла горения топлива

Составляем уравнение теплового баланса для периода нагрева, решая которое относительно В_н, получим В_н = 0,03 кг/с (112 кг/ч).

+=+++

659 +0,82=5,45+361,5+2,63+65,9

=0,03134715

Результаты расчета теплового баланса периода нагрева сводим в расчётную таблицу.

Статьи прихода	кДж • (%)	Статьи расхода	кДж • (%)
Тепло от горения топлива	2065,8(96,18)	Тепло на нагрев металла	545 (25,37)
Тепло экзотермических реакций	82 (3,82)	Тепло уносимое уходящими газами	1133,2(52,76)
		Тепло аккумулируемое кладкой	263(12,25)
		Неучтённые потери	206,6 (9,62)
Итого:	2147,8 (100)	Итого:	2147,8(100)



Тепловой баланс периода выдержки:

Приход тепла

1.

2.

Расход тепла

1.

2.

3. Средняя температура слоя шамота в конце периода выдержки принимаем °С;

слоя диатомита °С

4.Потерями тепла теплопроводностью через футеровку пренебрегаем.

5.

Составляя и решая уравнение теплового баланса, находим В_в=0,053 кг/с

+=+++

365,4 +0,41=0,5433+36,54+5,216+228,78

=0,053450239

Результаты расчета теплового баланса периода выдержки сводим в расчётную таблицу.

Статьи прихода	кДж • (%)	Статьи расхода	кДж • (%)
Тепло от горения топлива	1953,07(97,94)	Тепло на нагрев металла	54,3 (2,72)
Тепло экзотермических реакций	41 (2,06)	Тепло уносимое уходящими газами	1229,83(61,32)
		Тепло аккумулируемое кладкой	521,6 (26,16)
		Неучтённые потери	195,31 (9,8)
Итого:	1994,04 (100)	Итого:	1994,04 (100)

Удельный расход тепла равен

8. Выбор форсунок

Конструктивно выбираем, что по длине печи установлено в шахматном порядке шесть форсунок высокого давления (по две с каждой стороны).

Пропускная способность форсунок по мазуту должна быть не ниже 0,05345/6=0,0089 кг/с. По рис. 43 находим, что такую пропускную способность по мазуту может обеспечить форсунка Ду=100 при давлении воздуха перед форсункой 4,0 кПа.



8. Мероприятия по охране труда и окружающей среды

Для безопасной работы персонала, обслуживающего нагревательные печи, обязательно выполнение правил по технике безопасности.

Взрывчатая смесь может образоваться, если до пуска печи газопровод не был продут. Воздух, оставшийся в газопроводе, смешиваясь с газом, образует взрывчатую смесь. Продувка газопровода газом с удалением его через продувочную свечу и последующая проверка содержания в нем кислорода - обязательные операции, предотвращающие взрыв.

При резком снижении давления газа воздух через горелки может попасть в газопровод и образовать взрывчатую смесь. Для предупреждения этого необходимо газопровод и печь отключать при давлении менее 200-400 Н/м².

Взрывчатая смесь образуется во время ремонта при плохой продувке газопровода или при проникновении в него газа через неплотности в задвижках. Во избежание этого надо устанавливать заглушку, отсекающую ремонтируемый участок газопровода от действующей сети, и своевременно продувать его.

Взрывчатая смесь образуется при попадании в воздухопровод газа или паров мазута через горелку при небольшом давлении воздуха, а также при неправильном пуске печи с отключенным вентилятором, т. е. когда вначале подают газ и поджигают его, а затем включают вентилятор. При этом газ может проникнуть в воздухопровод и образовать взрывчатую смесь, попадание которой на костер, горящий в печи, или факел запальника приводит ^- к взрыву.

Для предупреждения взрывов при пуске печи предварительно включают вентилятор, продувают воздухопровод, а затем уже включают горелки.

Взрывы газов в печи, топке и борове могут произойти в следующих случаях:

· при недостаточной плотности запорных задвижек у горелок, через которые газ просачивается и заполняет печь;

· при нарушении инструкции при пуске печи, когда вначале подают газ, а потом подносят к горелке факел, который может погаснуть;

· выше 500^° С (ниже предела воспламенения газа), когда газ подается с избытком; при этом газ, не успевший сгореть в топке; может образовать взрывчатую смесь в рабочем пространстве печи;

· при прекращении горения топлива в низкотемпературных печах с автоматическим регулированием температуры при выключении и включении горелок;

· при работе печи с недостатком воздуха, когда топливо, не сгоревшее в печи, смешивается в боровах с воздухом, засасываемым через неплотности в шиберах и кладке, и образует взрывчатую смесь;

· при испарении мазута, когда его подают в большом количестве, особенно в начальный период пуска печи; при испарении его образуется взрывчатая смесь.

· при перекрытии вентилей, установленных на трубах, подающих и отводящих воду от водоохлаждаемой арматуры (рам, заслонок, глиссажных труб), оставшаяся в арматуре вода испаряется, давление в трубах резко повышается, что может привести к разрыву вентилей. Для предупреждения этого регулировочные вентили следует устанавливать только на трубах, подводящих воду к арматуре.

Цилиндры пневмотолкателей и подъемников могут взорваться в том случае, если толщина их стенок, мала, и не рассчитана на давление, оказываемое на стенки. Разрывы чугунных крышек и взрыв цилиндров особенно опасны.

Во избежание взрывов пневмоцилиндров толщину стенок следует определять расчетом.

После сборки цилиндры должны подвергаться особым гидравлическим испытаниям при повышенном давлении.

Испытывать их компрессорным воздухом или паром запрещается.

Взрыв в селитровых ваннах может произойти при прогорании стенок тигля. При температурах свыше 600° С селитра интенсивно испаряется, осаждается на одежде персонала, обслуживающего ванны, стенах здания и оборудовании, что небезопасно. Поэтому при эксплуатации селитровых ванн необходимо соблюдать правила по технике безопасности. Нельзя использовать ванны с наружным обогревом, они должны быть с внутренним обогревом специальными трубчатыми электронагревателями. Должно быть исключено попадание в селитру аммонийных и фосфатных солей, алюминиевой и магниевой стружки и органических соединений, с которыми, соединяясь, селитра образует взрывчатые соединения

Газовое топливо, продукты неполного горения и контролируемые атмосферы не имеют запаха, цвета и способны проникать через любые неплотности и даже фильтры противогазов.

По степени воздействия на организм человека вредные вещества подразделяют на 4 класса.

1) чрезвычайно опасные;

2) умеренно опасные;

3) высокоопасные;

4) малоопасные.

Окись углерода - наиболее опасная составляющая газообразного топлива и продуктов неполного горения газа. Она не имеет запаха, цвета и раздражающих свойств, которые могли бы своевременно сигнализировать о ее присутствии в атмосфере цеха.

Сернистые соединения (сероводород, сернистый газ, содержащиеся в газообразном топливе или в продуктах горения) вызывают раздражение слизистых оболочек и верхних дыхательных путей. Однако даже ничтожные концентрации сернистых соединений в атмосфере цеха быстро обнаруживаются по запаху. Углекислый газ, содержащийся в продуктах горения топлива, в полтора раза тяжелее воздуха, он может скапливаться на дне колодцев, в приямках и боровах. Отравление этим газом сопровождается головной болью, шумом в ушах, сердцебиением и обмороком. Хронических отравлений не бывает.

Метан, ацетилен, этан и этилен - это составная часть промышленного газового топлива и в первую очередь природного газа. Метан иногда встречается в канализационных колодцах и трубах.

Аммиак - сильно пахнущий газ. Раздражает верхние дыхательные пути.

Окислы азота могут образовываться при эксплуатации цианистых ванн для азотирования изделий. Удаляют их за пределы цеха с помощью мощной вентиляции.

В большинстве случаев отравление происходит через органы дыхания. Поэтому основное внимание должна быть обращено на обеспечение безопасных концентраций вредных веществ в воздухе рабочей зоны, что достигается герметичностью аппаратуры и соответствующей вёнтиляцией промышленных помещений.

Для воздуха рабочей зоны производственных помещений устанавливают предельно допустимые концентрации вредных веществ, утверждаемые Минздравом РФ, превышение которых не допускается.

Повышение концентраций газов чаще всего связано с проникновением их в производственные помещения при наличии неплотностей в газопроводах, при недостаточной продувке их или печей перед ремонтом. Безопасные концентрации достигаются абсолютной герметичностью газопроводов и запорной аппаратуры, тщательно контролируемой при систематических осмотрах газовых коммуникаций.

Список литературы

1. Телегин А.С, Лебедев Н.С. Конструкции и расчет нагревательных печей. - М.: Машиностроение, 1975. - С. 280.

2. Кривандин В.А. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей. - М.: Металлургия, 1986. - С. 359.

3.Мастрюков Б.С. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей. - М.: Металлургия, 1986. - С. 271.

4. Долотов Г.П., Кондаков Е.А. Печи и сушила литейного производства. - М.: Машиностроение, 1990. - С. 303.

Размещено на Allbest.ru

...