Расчет нагревательной печи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Г.И.НОСОВА»

Кафедра теплотехнических и энергетических систем

Контрольная работа по дисциплине: «Металлургическая теплотехника»

На тему: «Расчет нагревательной печи»

Исполнитель: Гуков С.Е. студент 4 курса, группа зММБ-13-2

Руководитель: ассистент Тихонов А.В.

Магнитогорск 2017

1. Расчёт нагрева металла

Температуру уходящих из печи газов принимаем равной 700°С, средняя температура в томильной зоне на 50°С выше температуры нагрева металла, т. е. 1300°С.

Предварительное определение размеров печи

При одновременном расположении заготовок ширина печи

2,4 м

Здесь а = 0,2 - зазоры между слябами и стенками печи;

n_з - число рядов.

Примем высоту печи h = 1,4 м.

Степень развития кладки (на 1 м длины печи):

6,25

Эффективная толщина газового слоя:

1,54 м

Расчет времени нагрева металла в методической зоне

Парциальное давление излучающих газов:

кН/м²

кН/м²

кН/м

кН/м

При tг = 700°С (начало методической зоны)

Eco₂ = 0,13; 0,17; = 1,1

=0,32

При t_г = 1300°С (конец методической зоны)

Eco₂ = 0,11 0,1; = 1,07

=0,22

Приведенный коэффициент излучения в системе газ-кладка-металл в начале методической зоны:

Ем - степень черноты ленты (Ем = 0,8).

=3,9

Приведенный коэффициент излучения в системе газ-кладка-металл в кон. мет зоны:

3,468

Средний по длине методической зоны коэффициент теплоотдачи излучением:

°С

°С

при этой : ;

по и ,3

Время нагрева металла

ч

по и ,

°С

Расчет времени нагрева металла в I сварочной зоне

При t_г = 1300°С

Eco₂ = 0,11 0,1; = 1,07

=0,22

Приведенный коэффициент излучения в системе газ-кладка-металл в I св. зоны:

3,468

°С

Средний по длине методической зоны коэффициент теплоотдачи излучением:

288,46

0,625

°С

при этой : ;

по и

Время нагрева металла

ч

по и , =0,5

°С

Расчет времени нагрева металла в II сварочной зоне

В начале II сварочной зоны

При t_г = 1300°С

Eco₂ = 0,11 = 0,1; = 1,07

0,22

Приведенный коэффициент излучения в системе газ-кладка-металл в II св. зоны:

3,468

Средний по длине методической зоны коэффициент теплоотдачи излучением:

480,51

°С

при этой : ;

по и

Время нагрева металла

по и

°С

Расчет времени нагрева металла в томильной зоне

Перепад температур по толщине металла в начале томильной зоны:

°С

Допустимый перепад в конце = 30°С

Степень выравнивания температур:

При коэффициенте несимметричности

°С

при этой : ;

Общее время пребывания металла в печи равно:

ч.

2. Расчёт основных размеров печи

Для обеспечения производительности 20 т/ч в печи должно одновременно находиться следующее количество металла:

т.

Масса одной заготовки:

т.

Число заготовок, одновременно находящихся в печи: шт.

При однорядном расположении заготовок общая длина:

м;

ширина: В_п = 2,4 м;

площадь пода: м².

Высота остается прежней h = 1,4 м.

Длина зоны равна:

.

Т.о.:

м;

м;

м;

м.

Напряжения пода печи:

.

Свод печи выполняем подвесного типа из каолина толщиной 300 мм. Стены печи имеют толщину 460 мм, причем слой шамота составляет 345 мм и слой тепловой изоляции (диатомитовый кирпич) 115 мм.

Под томильной зоны выполняется трехслойным: тальковый кирпич 230 мм, шамот 230 мм и тепловая изоляция (диатомитовый кирпич) 115 мм.

Тепловой баланс печи

Приходные статьи теплового баланса

Химическая теплота горения топлива

Эта статья соответствует основному источнику тепловой энергии (кВт), обеспечивающему технологическую обработку материалов.

кВт

Теплота, вносимая подогретым воздухом

Подогрев воздуха осуществляется в теплообменниках-рекуператорах или регенераторах за счет теплоты уходящих из печи газов. Нагретый воздух, используемый для горения топлива, обеспечивает также повышение рабочих температур в печи и интенсификацию процессов теплообмена. Количество теплоты (кВт), определяемое этой статьей баланса, зависит от расхода воздуха на единицу сжигаемого топлива L_n, теплоемкости воздуха с_р, температуры его подогрева t_в:

кВт

где В - расход топлива, м³/с;

L_n - фактический расход воздуха, м³/м³;

i_в - энтальпия воздуха, кДж/м³.

Теплота, вносимая подогретыми материалами

Количество теплоты (кВт), которое вносят нагретые материалы в печь, будет определяться их количеством, теплоемкостью и температурой, с которой загружаются материалы. печь металл излучение

кВт

где Р - производительность печи, кг/с;

-теплоемкость технологического материала при начальной температуре, кДж/кг*К;

- начальная температура материала, °С;

Теплота экзотермических реакций

Эту теплоту необходимо учитывать, когда в металле или материале развиваются химические реакции, идущие с выделением теплоты, -- экзотермические. К ним относятся, например, реакции окисления железа при его нагреве перед прокаткой, ковкой. Реакция окисления металла протекает с положительным тепловым эффектом 5650 кДж/кг

, кВт,

где 5650 - тепловой эффект экзотермической реакции, кДж/кг;

- угар металла, доли;

Р - производительность печи, кг/с.

Общий приход тепла:

Расходные статьи теплового баланса

Теплота технологического продукта

Данная статья расходной части баланса характеризует количество теплоты (кВт), которое заключено в материале в конце тепловой обработки при выдаче его из печи

кВт

где Р - производительность печи, кг/с;

- угар металла, %;

-теплоемкость технологического продукта при конечной температуре продукта, кДж/кг*К;

- конечная температура продукта, °С.

Теплота, уносимая уходящими газами

Данная статья потерь вторая по величине в расходной части теплового баланса. Величина потерь (кВт) определяется расходом топлива В, выходом продуктов сгорания на единицу сжигаемого топлива V_n, теплоемкостью продуктов сгорания , температурой покидающих печь газов t_ух (продуктов сгорания) и рассчитывается по формуле

Потери теплоты с технологическими отходами

Кроме целевого продукта, любая печь выдает из рабочего пространства целый ряд твердых или жидких веществ, которые рассматриваются или как побочные продукты (если они используются в тех или иных целях), или как отходы (если они выбрасываются в отвалы или уничтожаются. Масса окалины стали (если считать ее низшим окислом железа) в 1,38 раз превосходит массу угара металла, средняя теплоемкость окалины составляет 0,8 кДж/кг*К. Температуру окалины можно принять равной температуре поверхности металла при выдаче из печи. Тогда потери теплоты с окалиной (кВт) определятся как

кВт

Потери теплоты в окружающую среду

Эта статья теплового баланса учитывает потери теплоты теплопроводностью через кладку, излучением через окна и щели, потери теплоты с выбивающимися газами, на нагрев подсасываемого из окружающий среды в рабочее пространство печи холодно го воздуха. Сюда же должны быть включены затраты теплоты на нагрев тары, используемой иногда для размещения обрабатываемых в печи изделий, на нагрев элементов загрузочного и разгрузочного оборудования и т. п.

Потери теплоты через кладку печи

При установившемся режиме работы между газами в рабочем пространстве печи, футеровкой и окружающей средой (воздухом) устанавливается стационарный теплообмен при граничных условиях третьего рода. При известной температуре газов в печи плотность теплового потока (кВт) через многослойную стенку кладки можно определить по формуле

При известной температуре внутренней поверхности кладки потери теплоты (кВт) через многослойную стенку определяются по формуле

,

где - температура газов в печи, °С;

- температура внутренней поверхности кладки, °С;

- температура воздуха, °С;

- сумма тепловых сопротивлений слоев кладки, (м²·К)/Вт;

S_i - толщина соответствующего слоя, м;

л_i - коэффициент теплопроводности слоя, Вт/(м*К);

б_г - коэффициент теплоотдачи от газов к внутренней поверхности кладки, Вт/м²·К;

б_в - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности кладки в окружающую среду, Вт/(м²*К);

F_нар - наружная поверхность кладки, м².

По практическим данным б_в ? 20 Вт/(м²*К) и в пределах сезонного и суточного изменения температуры воздуха в производственных помещениях изменяется незначительно.

Через свод:

Площадь свода принимаем равной площади пода 48,96 м² , толщина свода 0,3 м, материал каолин. Принимаем температуру внутренней поверхности свода равной средней по длине температуре газов. Температуру окружающей среды t_ок = 30°С, следовательно температура поверхности однослойного свода можно принять равной t_свода = 70°С

Тогда:

1)Методическая зона:

t_г = 1000°С

Средняя по толщине температура свода

°С

Теплопроводность каолина:

Вт/м К

Потери через свод:

кВт

2)Сварочная зона:

t_св = 1300°С

°С

Вт/м К

Потери через свод:

кВт

3)Томильная зона:

t_т = 1250°С

°С

Вт/м К

Потери через свод:

кВт

Всего

кВт

Через стены:

Стены печи состоят из слоя шамота толщиной 0,345 м и слоя диатомита толщиной 0,115 м.

1)Методическая зона:

t_г = 1000°С

Площадь стены: F_м = м²

Средняя температура слоя шамота

Средняя температура слоя диатомита

Теплопроводность шамота

Теплопроводность диатомита

В стационарном режиме

Отсюда = 595°С

Теплопроводность шамота

=1,3 Вт/м К

Теплопроводность диатомита

= 0,25 Вт/м К

Потери через стены:

кВт

2)Сварная зона:

t_св = 1300°С

Площадь стены: F_св = м²

Средняя температура слоя шамота

Средняя температура слоя диатомита

Теплопроводность шамота

Теплопроводность диатомита

В стационарном режиме

Отсюда = 758°С

Теплопроводность шамота

=1,43 Вт/м К

Теплопроводность диатомита

= 0,28 Вт/м К

Потери через стены:

кВт

3)Томильная зона:

t_т = 1250°С

Площадь стены: F_т = м²

Средняя температура слоя шамота

Средняя температура слоя диатомита

Теплопроводность шамота

Теплопроводность диатомита

В стационарном режиме

Отсюда = 731°С

Теплопроводность шамота

=1,41 Вт/м К

Теплопроводность диатомита

= 0,27 Вт/м К

Потери через стены:

кВт

Всего

кВт

общее количество:

кВт

Потери теплоты через окна и щели

Лучистый поток теплоты (кВт) через открытое отверстие обычно подсчитывается по закону Стефана-Больцмана

где - коэффициент диафрагмирования, является функцией от отношения размеров отверстия , ширины отверстия и определяется по графику, представленному на рис. 3;

- живое сечение окна, м²;

n_ок - количество окон печи одинакового размера;

- доля времени, когда окно открыто, ;

- температуры соответственно печи и цеха, где "печь" и "цех" (окружающая среда) считаются абсолютно черными телами.

Если площадь отверстия мала по сравнению с размерами рабочего пространства печи, то такое допущение практически не вносит погрешности.

Принимаем, что окно посада открыто всё время (=1) h₀=2= 20,3 = 0,6 м

Площадь открытия окна посада:

Толщина кладки стен ст=0,46 м.

Коэффициент диафрагмирования окна Ф=0,7

Температура газов:

у окна задачи Т_г1 =700К;

у окна выдачи Т_г2 =1200К.

Потери тепла через окно задачи:

= 46,5 кВт

Потери тепла через окно выдачи:

=246,2 кВт

Общие потери тепла излучением:

кВт

Потери теплоты с охлаждающей жидкостью

Потери теплоты с охлаждающей водой связаны с необходимостью принудительного охлаждения некоторых элементов печи, эксплуатирующихся при высоких температурах.

где F_в - площадь поверхности водоохлаждаемой детали, м²; м²;

- плотность теплового потока на поверхность водоохлаждаемых деталей, кВт/м²;

кВт/м².

кВт.

Потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива

При проектировании печей расчет горения проводится с допущением окисления топлива до конечных продуктов горения. Однако при высоких температурах горения топлива (более 1500° С) получают заметное развитие процессы диссоциации продуктов сгорания. Кроме этого, на величине потерь сказывается и неудовлетворительное смешение топлива с воздухом, подаваемым для горения. Внешне влияние этих процессов проявляется в том, что в уходящих газах при пламенном сжигании газа содержатся оксид углерода и водород в небольших количествах (0,5--3,0%). Принимается, что на каждую единицу объема СО в продуктах сгорания содержится 0,5 объема Н₂. Низшая теплота сгорания такой смеси равна 12140 кДж/м³.Тогда

, кВт,

где - объемная доля СО в продуктах сгорания;

- выход продуктов сгорания, м³/ м³.

кВт,

Потери теплоты от механической неполноты сгорания

Под механической неполнотой сгорания понимают вывод из процесса горения части топлива, происходящий, например, для твердого топлива за счет уноса мелких его частиц с газами и золой. В этой статье расходной части баланса целесообразно учитывать потери теплоты, связанные с утечкой жидкого и газообразного топлив через неплотности трубопроводов и топливосжигающих устройств. Обычно эти потери находятся экспериментально. Если тепловой баланс рассчитывается, то величина этих потерь определяется по литературным (справочным) данным. Для нагревательных печей, отапливаемых газовым и жидким топливом, их величина весьма незначительна, и их можно отнести к неучтенным потерям.

кВт

где- коэффициент потерь с механическим недожогом.

Коэффициент потерь в основном зависит от вида топлива и может быть принят в соответствии со следующими рекомендациями:

- для твердого топлива 0,03…0,05;

- для жидкого топлива 0,01;

- для газообразного топлива 0,002…0,003.

Неучтённые потери в рабочем пространстве

При проектировании печи ряд мелких потерь теплоты (тепловые потоки “короткого замыкания” через металлические штыри для электрических нагревателей, потери с измерительными приборами, с фильтрацией газов через пористые огнеупоры и т.п.) часто не подсчитывается. Эти потери называют неучтёнными.

=(0,1…0,15)Q_ос

кВт

Общий расход тепла

Баланс:

Тепловой баланс печи

№ п/п	Статьи теплового баланса	Обозначение	кВт	%
1.1	Химическая теплота горения топлива		35000	83
1.2	Теплота, вносимая подогретым воздухом		1311,27	11,4
1.3	Теплота экзотермических реакций		564,774	4,9
1.4	Теплота, вносимая подогретыми материалами		80	0,7
	ИТОГО ПРИХОД ТЕПЛОТЫ		36365,91	100
2.1.	Теплота технологического продукта		6744,52	58,5
2.2.	Теплота, уносимая уходящими газами		3509,9	30,4
2.3.	Потери теплоты с охлаждающей жидкостью		16,75	0,14
2.4	Потери теплоты с технологическими отходами		132,43	1,15
2.5	Потери теплоты в окружающую среду		637,63	5,5
2.6	Потери теплоты от химической неполноты сгорания		402,34	3,49
2.7	Потери теплоты от механической неполноты сгорания		19,15	0,17
2.8	Неучтенные потери		67,363	0,65
	ИТОГО РАСХОД ТЕПЛОТЫ		36365,91	100

3. Расчет температурного поля в заготовке

На основании расчетов времени нагрева заготовки, описанных в предыдущей РГР, построим график изменения температуры в сечении заготовки во времени.

Рис. 1. Распределение температур во времени.

4. Расчет аэродинамического сопротивления дымового тракта

Количество продуктов горения 59708 м³/ч, плотность дымовых газов 1,23 кг/м³, размеры рабочего пространства в конце печи 13,7х10,5 м², температура дыма в конце печи 1233 К, температура дыма в вертикальных газоходах 1208 К, падение температуры дыма в рекуператоре 420 К.

Скорость движения дымовых газов в конце печи с учетом уменьшения сечения рабочего пространства печи за счет нагревающихся заготовок толщиной 0,12 м:

Скорость движения в вертикальных каналах принимаем равной 2,5 м/с, тогда их сечение

Сечение каждого канала 6,6/3=2,2 м²

Размеры вертикальных каналов принимаем следующими: l=1 м, ширина b=0,7 м, высота H=3 м. Тогда приведенный диаметр

Потери энергии на трение

Потери энергии при повороте на 90є:

При сужении канала

Потери энергии на преодоление геометрического напора

Суммарные потери энергии в вертикальных каналах:

Потери напора при движении дымовых газов от вертикальных каналов до рекуператора. Скорость движения принимаем 2,5 м/с

Сечение борова

Ширину борова сохраняем равной длине вертикальных каналов (b=1 м)

В этом случае высота борова равна 2 м

Приведенный диаметр борова

Принимаем падение температуры дыма 2К на 1 м длины борова. При длине борова от вертикальных каналов до рекуператора 11 м падение температуры дыма 22 К. Температура дыма перед рекуператором 1208-22=1186 К.

Средняя температура дыма в борове

Потери энергии на трение

Потери энергии при двух поворотах на 90є

Суммарные потери энергии на участке от вертикальных каналов до рекуператора:

Потери энергии рекуператоре

Потери энергии на участке от рекуператора до шибера. Принимаем падение температуры дыма на этом отрезке 1,5 К на 1 м длины борова (длина борова 6 м).

Тогда средняя температура дыма на этом участке (766+757)/2=761,5 К.

Потери на трение

Общие потери энергии при движении продуктов горения от рабочего пространства до шибера

Расчет необходимой высоты дымовой трубы. Количество продуктов горения, проходящих через трубу, составляет 17 м³/с.

Площадь сечения устья трубы, при скорости дыма 3 м/с , следовательно диаметр устья равен .

Диаметр основания трубы

Скорость движения дымовых газов в основании трубы

Действительное разрежение, создаваемое трубой, должно быть на 20-40% больше потерь напора при движении дымовых газов, т.е:

Принимаем высоту трубы

Падение температуры для кирпичной трубы принимаем 1 К на 1 м высоты

Тогда температура газов в устье трубы

Средняя температура газов

Находим средний диаметр и среднюю площадь сечения трубы:

Средняя скорость движения дымовых газов в трубе

Высота трубы

Размещено на Allbest.ru

...