Расчет пламенной методической печи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. РАСЧЁТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ НАГРЕВА И ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ПЕЧИ

2.1 Предварительное определение основных размеров печи

2.2 Определение степени развития кладки

2.3 Определение эффективности толщины газового слоя

2.4 Определение времени нагрева металла в методической зоне

2.5 Определение времени нагрева металла в сварочной зоне

2.6 Определение времени топления металла

2.7 Определение действительных основных размеров печи

3. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС

3.1 Выбор футеровки печи

3.2 Общие положения

3.3 Статьи прихода теплоты

3.4 Статьи расхода теплоты

3.5 Потери теплоты теплопроводностью через кладку (приближенный расчет

4. РАСЧЁТ И ВЫБОР ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

4.1 Блочный керамический рекуператор

4.2 Трубчатый металлический рекуператор

5. РАСЧЕТ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЫМОВОГО ТРАКТА

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫСОТЫ ДЫМОВОЙ ТРУБЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ



ВВЕДЕНИЕ

В данном курсовом проекте рассчитывается пламенная методическая печь. Результатом расчета являются основные размеры печи, выбор и расчет вспомогательного оборудования: керамический и металлический рекуператоры и дымовая труба.

Расчет включает в себя: расчет продуктов сгорания, определение действительной температуры продуктов сгорания, расчет времени пребывания садки в зонах рабочего пространства, расчет основных размеров рабочего пространства (технологических зон), тепловой баланс рабочего пространства, выбор типоразмера горелочных устройств, расчет теплообменников для регенерации использования теплоты энергетических отходов, расчет высоты дымовой трубы.

Исходные данные

1. Нагреваемый материал: Ст.45

2. Производительность печи: Р = 3.6

3. Температура материала на входе: t₀ = 15 ^oC

4. Температура материала на выходе: t_к = 850 ^oC

5. Величина: Дt_доп=45 ^oC

6. Размер нагреваемых изделий,

7. Температура уходящих газов: t_ух = 900 ^oC

8. Удельная производительность печи: H_г = 190

9. Вариант расположения заготовок: 1 ряд

10. Конечная разность температур в томильной зоне: Дt_кон= 70 ^oC

11. Коэффициент несимметричности: м = 1

12. Температура наружного воздуха: t_в = 20 ^oC

13. Температура наружной поверхности свода: t_св = 70 ^oC

14. Угар металла: а = 0,7?10^-2

Вид топлива: ДГ+ПГ (4200 кДж/м³)

Температура подогрева воздуха: 800 ^oC

Температура подогрева топлива: 220 ^oC

Расчёт и подбор инжекционной горелки: -

Расчет аэродинамического сопротивления дымового тракта и дымовой трубы:

h=2 м, L₁=5 м, L₂=8 м, L₃=10 м, L₄=30 м

Состав топлива приведен в таблице 1: [1,стр.136, Табл. 4.8]

Таблица 1

Газ	СО2 , %	СО , %	Н2 , %	N2 , %	CH4 , %	C2H6 , %	C3H8 , %	C4H10 %	C5H12 %
ДГ	10.5	28	2.7	58.5	0.3	-	-	-	-
ПГ	0.2	-	-	1.1	98	0.22	0.13	0.06	0.09



1. РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

Принимаем влажность доменного газа , влажность природного газа . Рассчитаем состав влажных газов [2, стр. 14, формула (1-6)]:

, (1.1)

где - содержание какого-либо компонента в сухом газе, %

- то же, во влажном газе, %.

Состав влажного доменного газа определяю по формуле, %:

. (1.2)

Состав влажного природного газа определяю по формуле, %:

. (1.3)

Тогда содержание H₂O в природном газе, %:

(1.4)

в доменном газе, %:

(1.5)

Состав влажных доменного и природного газов свел в таблицу 1.1:

Таблица 1.1

Газ	СО2 , %	СО , %	Н2 , %	N2 , %	CH4 , %	C2H6 , %	C3H8 , %	C4H10 %	C5H12 %
ДГ	10.185	27.16	2.619	56.745	0.291	-	-	-	-
ПГ	0.194	-	-	1.067	95.254	0.213	0.126	0.058	0.087

Расчет выполняется, ориентируясь на характерное для методических печей длиннофакельное сжигание топлива, осуществляемое, как правило, с коэффициентом расхода воздуха .

Чтобы найти состав топливной смеси, необходимый для расчетов процесса горения по стехиометрическим уравнениям, необходимо воспользоваться свойством аддитивности теплоты сгорания .

Теплота сгорания природного газа определяется по формуле:

(1.6)

Теплота сгорания доменного газа определяется по формуле:

. (1.7)

^.

Доля доменного газа в смеси находится из уравнения баланса:

, (1.8)

Определяем состав смешанного газа по формуле:

, (1.9)

где - содержание i-гo компонента в смеси, %;

- содержание компонента в первом и втором газах соответственно, %.

Проверка:

1.461 + 0.003 + 0.002 + 0.001 + 0.001 + 10.062 + 56.059 + 26.825+2.587+3 = 100%

Расчёт расхода воздуха на горение, расчет состава и количества продуктов сгорания ведется на 100 м³ газа при нормальных условиях и дается в табличной форме (Таблица 1.2).

Определяем калориметрическую температуру горения из балансового уравнения условно адиабатного топочного объема.

Согласно этому уравнению вся теплота, вносимая в радиационную зону, включая химическую теплоту топлива, физическую теплоту прогрева воздуха и топлива расходуется исключительно на нагрев образующихся продуктов сгорания, характеризуемый теплосодержанием :

,(1.10)

. (1.11)



Выразим температуру и получим:

(1.12)

где - расчётные удельные объёмы воздуха на горение и образующих продуктов сгорания, отнесённых к 1м³ топлива (таблица 1.3), м³/м³: =0.925 м³/м³, =1.778 м³/м³;

- температуры подогрева воздуха и горючего газа (по условию), °С: =800 °С,

=220 °С;

- средняя изобарная теплоемкость воздуха при , принимаем по [3, табл.2.13, стр.40]:

- средняя изобарная теплоёмкость продуктов сгорания при , [3, табл. 2.13, стр.40], :

,(1.13)

где - средняя изобарная теплоёмкость отдельных компонентов газовой смеси продуктов сгорания, [3, табл. 2.13,стр.40];

- объемные доли компонентов горения (таблица 1.3).

Поскольку теплоемкости реальных газов, к которым относятся и продукты сгорания топлива, существенно зависят от температуры , то в балансовое уравнение топочного объема входят две взаимосвязанные искомые величины: и . Поэтому поиск необходимо проводить методом последовательных приближений.

В современных методических печах минимально необходимая калориметрическая температура составляет 1800^оС. Принимаем

Тогда средняя изобарная теплоемкость продуктов сгорания составит:

Средняя изобарная теплоёмкость топливной смеси при =220 °С определяется:

,(1.14)

где - средняя изобарная теплоёмкость компонентов смеси, [3, табл. 2.13, стр.40]:

- объёмные доли компонентов.

Расчетная калориметрическая температура равна:

Проверка

Т.к. следовательно, можно в дальнейших расчётах использовать

Для определения действительной температуры в сварочной зоне печи необходимо воспользоваться пирометрическим коэффициентом

.

Тогда , где [4,стр.6];

.



2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ НАГРЕВА МЕТАЛЛА И ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ПЕЧИ

Общее время, пребывания металла в печи складывается из отрезков времени, которые определяются для отдельных участков печи. Расчет времени нагрева на каждом участке печи выполняется с учетом специфических особенностей этого участка. Большинство распространенных методов расчета времени нагрева металла выполняется при граничных условиях третьего рода, т. е. когда температура по длине печи неизменна. Поэтому в тех случаях, когда температура в пределах печи переменна, приходится ее усреднять и по средней температуре, считая ее постоянной, вести расчет.

Зададимся температурным графиком процесса нагрева (рис.1), изображающим изменение действительных температур печного пространства и поверхности нагреваемого материала по длине печи.

Методическую зону разделим условно на три участка (I, II, III) и усредним температуру печи в пределах данной зоны. При этом температуру отходящих газов принимаем равной (по условию), температура в сварочной зоне равна , температура в томильной зоне - на величину выше температуры нагрева материала, т.е. равна:

2.1 Предварительное определение основных размеров печи

Площадь пода печи определяется по формуле:

(2.1)

где - производительность печи, т/ч;

- удельная производительность печи, кг/(м²·ч).

Для однорядного варианта расположения заготовок ширина печи равна:

(2. ( (2.2)

где - длина заготовки;

- зазор между заготовками и стенами печи [4,стр.9]: м.

м

Длина печи определяется по формуле:

(2.3)

.

По конструктивным соображениям высота печи принимается:

- в томильной зоне - [4,стр.9];

- в сварочной зоне - [4,стр.9];

- в конце методической - [4,стр.9].

Средняя высота методической зоны будет равна:

2.2 Определение степени развития кладки

Для однорядного варианта расположения заготовок:

,(2.5)

где - высота зоны, м.

Степень развития кладки определяется для каждой из рассматриваемых зон:

1) в методической зоне: ;

2) в сварочной зоне: ;

3) в томильной зоне: .

2.3 Определение эффективности толщины газового слоя

Для расчета пользуются формулой Невского-Порта:

(2.6)

где Н - высота зоны (для методической - );

В - ширина зоны.

Расчет ведется для каждой из рассматриваемых зон: ,,:



2.4 Определение времени нагрева металла в методической зоне

Степень черноты газов:

(2.7)

где - степени черноты углекислого газа и водяных паров, соответственно: определяем по номограммам [6] в зависимости от температуры газа и произведения ,

- парциальное давление компонента газовой смеси (и );

- поправочный коэффициент на отклонение от закона аддитивности, определяется по графику [6].

Средняя температура газов в методической зоне:

Парциальное давление компонентов газовой смеси можно рассчитать через их объёмные доли:

, (2.8)

где - барометрическое давление.

По номограммам [6] определяем для методической зоны.

Поправочный коэффициент от закона аддитивности:

=1.23

Откуда найдем степень черноты газов:

Приведённый коэффициент излучения в системе газ - кладка - материал определяется для методической зоны по формуле:

, (2.9)

где - степень черноты металла;

- коэффициент лучеиспускания абсолютно чёрного тела.

Средний по длине участка методической зоны коэффициент теплоотдачи излучением определяется по формуле 2.10:

, (2.10)



где и - соответственно температуры поверхности металла в конце и начале методической зоны, K (определяем по температурному графику);

- средняя по методической зоне температура газов, K.

В технике для градации условий нагрева, связанных с понятием термически тонких и массивных тел, служит численное значение безразмерного коэффициента теплоотдачи - критерий Био:

,(2.11)

где - характерный линейный размер, при одностороннем нагреве металла равен толщине заготовки :

- коэффициент теплопроводности материала, определяется для средней по массе температуре материала.

Принимаю температуру нижней поверхности изделия на выходе из методической зоны .

Среднемассовая температура в методической зоне,:

(2.12)

где t_м.вых - температура поверхности металла на выходе из методической зоны,^оC;

t₀ - начальная температура материала, ^оС.

Теплофизические свойства материала при среднемассовой температуре:

- плотность ;

- коэффициент теплопроводности ;

-теплоемкость .

Критерий Био для методической зоны будет равен:

Так как , то для решения задачи нагрева заготовки целесообразно воспользоваться расчётом в условиях нестационарной теплопроводности с граничными условиями третьего рода.

Определяем температурный критерий для поверхности материала:

,(2.13)

где - средняя температура газов в методической зоне, ^оС.

Расчетное значение температуры нижней поверхности заготовки на выходе из методической печи,:

(2.14)



где - коэффициент, зависящий от Био: =0.599.

Погрешность между рассчитанным и принятым значением температур составляет, % :

(2.15)

Найдем температуры нижней поверхности изделия на различных участках методической зоны, :

- на выходе из первой части методической зоны:

где - температура поверхности материала на выходе из первой части методической зоны (определено по графику в приложении).

- на выходе из второй части методической зоны:

где - температура поверхности материала на выходе из первой части методической зоны (определено по графику в приложении).



По рассчитанным безразмерным температурам и критерию Био определяем числа Фурье (по номограммам в [4]):

при ;

при ;

при

Определяем коэффициент температуропроводности металла по формуле:

(2.16)

Рассчитываем время нагрева материала на участках методической зоны по формуле:

Рассчитаем время нагрева от до температуры поверхности :

Рассчитаем время нагрева от до температуры поверхности :

Рассчитаем время нагрева от до температуры поверхности :

Полное время нагрева изделия в методической зоне:

2.5 Определение времени нагрева металла в сварочной зоне

Парциальное давление компонентов газовой смеси:

(2.18)

(2.19)

Определение степени черноты газов:

Температура греющих газов в методической зоне, ^оС:

По номограмме [6, рис. 5.3]

По номограмме [6, рис. 5.1,5.2] определяем ,

(2.20)

Приведённый коэффициент излучения:

(2.21)

Коэффициент теплоотдачи излучением определяю по формуле:

(2.22)

Определяем критерий :

(2.23)

Определяем температурный критерий для поверхности материала:

,(2.24)

где - температура поверхности материала на выходе из сварочной зоны , ^оС.

Принимаю температуру нижней поверхности материала на выходе из сварочной зоны

Средняя по массе температура материала в сварочной зоне будет равна, ^оС:

(2.25)

Теплофизические свойства материала при среднемассовой температуре:

- плотность ;

- коэффициент теплопроводности ;

-теплоемкость .

Определение коэффициента температуропроводности:

Температура нижней поверхности заготовки на выходе из сварочной зоны определяется из выражения:

Погрешность между рассчитанным и принятым значением температур составляет, % :

(2.28)

Время пребывания металла в сварочной зоне составляет:

2.6 Определение времени томления металла

Перепад температур по толщине металла в начале томильной зоны составляет:

(2.30)

Допустимая разность температур в конце выдержки (по условию).

Степень выравнивания температур определяется по формуле:

(2.31)

При коэффициенте несимметричности (по условию) и степени выравнивания по номограмме [5, рис. 28, стр. 139] определяется критерий Фурье для томильной зоны: . Тогда время томления металла равно:

(2.32)

где - коэффициент температуропроводности:

(2.34)

Полное время пребывания металла в печи:

(2.35)

2.7 Определение действительных основных размеров печи

Для обеспечения заданной производительности P = 3.6 т/ч, в печи должно одновременно находиться следующее количество металла, т:

(2.36)

Масса одной заготовки составит, т:

, (2.37)

где - соответственно ширина, толщина и длина заготовки, м (по условию);

- плотность материала.

Тогда число заготовок, одновременно находящихся в печи:

. (2.38)

При однорядном расположении заготовок:

- общая длина печи:

- площадь активного пода:

- площадь габаритного пода:

Высота отдельных зон печи сохраняем принятыми в предварительном расчёте.

Длину печи разбиваем на зоны пропорционально времени нагрева:

- длина первой методической зоны:

- длина второй методической зоны:

- длина третьей методической зоны:

- длина методической зоны:

- длина сварочной зоны:

- длина томильной зоны:

Напряжённость габаритного пода печи:

. (2.39)



3. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПЕЧИ

3.1 Выбор футеровки печи

Для расчета теплового баланса необходимо выбрать материал, из которого выполняются стены печи и их толщину.

Для печи задается следующая футеровка:

- свод подвесного типа выполнен из шамота класса А толщиной д₁=300 мм;

- стены двухслойные: слой шамота класса А толщиной д₂=345 мм и тепловая изоляция из диатомита толщиной д₃= 115 мм;

- под томильной зоны выполнен трехслойным:

1) тальк толщиной слоя д₄=230 мм;

2) шамот класса Б толщиной д₅=230 мм;

3) тепловая изоляция из диатомита толщиной д₆=115 мм.

3.2 Общие положения

Тепловой баланс печи записывается в виде:

. (3.1)

Неизвестной величиной, входящей в это уравнение, является расход топлива - В, для определения которого и составляется такой баланс. Он может быть отнесен только к рабочему пространству печи (это далее и будет рассчитываться) или ко всей установке в целом, включая теплоутилизационные устройства (что менее целесообразно).

При проектировании печи после определения основных размеров следует конструктивная разработка деталей. В данном расчете такая разработка не проводится, поэтому некоторые статьи расхода тепла, не превышающие 5% от общего расхода, опускаются.

3.3 Статьи прихода теплоты

1. Теплота от процесса горения топлива (химическая теплота), кВт:

. (3.2)

где- искомый расход топлива, м³/c;

- низшая рабочая теплота сгорания топлива, кДж/м³: =4200 кДж/м³.

2. Физическая теплота, вносимая подогретым воздухом, кВт:

. (3.3)

3. Физическая теплота, вносимая подогретым газом, кВт:

. (3.4)

4. Теплота экзотермических реакций (в нагревательных печах учитывается теплота реакции от окисления железа, равная 5652 кДж/кг), кВт:

. (3.5)

где P=3.6 т/ч - производительность печи;

а₁=0.710^-2 кг/кг- угар металла.

3.4 Статьи расхода теплоты

1.Теплота, затраченная на нагрев металла, кВт:

, (3.6)

где - средняя по массе температура металла на выходе из печи, ^оС:

- теплоемкость материала при среднемассовой температуре на выходе из печи, Дж/(кг*^оС): =718.2 Дж/(кг*^оС);

- начальная температура материала, ^оС: =15 ^оС;

- теплоемкость материала при его начальной температуре, Дж/(кг*^оС): =455.15 Дж/(кг*^оС).

2. Теплота, уносимая уходящими газами, кВт:

. (3.7)

где - средняя изобарная теплоемкость продуктов сгорания при



3.5 Потери тепла теплопроводностью через кладку (приближённый расчёт)

пламенная методическая печь труба

Потерями теплоты через под пренебрегаем. Рассчитываем потери через свод и стены печи. Площадь свода равна площади габаритного пода печи, т.е. .

Толщина свода материал - шамот класса А.

Принимаем, что температура внутренней поверхности свода равна средней по длине печи температуре газов.

. (3.8)

Температуру окружающей среды принимаем равной (по заданию).

Температура поверхности кладки свода (по заданию).

Тогда средняя по толщине температура шамотного свода равна:

. (3.9)

Данным температурным условиям отвечает коэффициент теплопроводности шамотного материала определяемый по формуле:

. (3.10)

Тогда потери через свод составят:

, (3.11)

где - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности свода в окружающую среду, получаемый статическими методами.

, (3.12)

Потери через свод:

Определяем потери теплоты через стены.

Кладка стен выполнена двухслойной (шамот толщиной ) и диатомит толщиной

Площадь стен следующая:

Методической зоны -

Сварочной зоны -

Томильной зоны -

Торцевых стен -

Общая площадь стен:



При прямолинейном распределении температуры по толщине стены средняя температура шамота равна:

. (3.13)

В случае диатомитового кирпича:

, (3.14)

где

- температура на границе слоев.

Тогда теплопроводность шамота и диатомитового кирпича:

. (3.15)

, (3.16)

Количество теплоты, теряемое теплопроводностью через стены:

, (3.17)



Полные потери теплоты через кладку составят:

, (3.18)

Потери теплоты с охлаждающей водой по практическим данным принимаются равными 10% от статьи прихода теплоты, т.е.:

, (3.19)

Неучтенные потери принимаем равными 15% прихода теплоты, т.е.:

, (3.20)

Уравнение теплового баланса печи примет вид:

, (3.21)

Откуда можно получить искомое значение расхода топлива , м³/c:

Искомый расход топлива, м³/с:

Результаты расчета статей теплового баланса методической печи заносим в таблицу 3.1.

Таблица 3.1

Статьи прихода	кВт	%	Статьи расхода	кВт	%
1.Теплота от реакции горения топлива	1876.252	76.017	1.Теплота, затраченная на нагрев металла	578.506	23.437
2.Теплота вносимая подогретым воздухом	457.567	18.539	2.Теплота, теряемая с уходящими газами	1119.458	45.353
3.Теплота вносимая подогретым газом	134.368	5.444	3.Потери теплоты теплопроводностью через кладку	153.29	6.21
4.Теплота экзотермических реакций	0.113	0.005	4.Потери теплоты с охлаждающей водой	246.819	10
		5.Неучтенные потери теплоты	370.228	14.999
Итого:	2468.188	100	Итого:	2468.301	100

Погрешность

Удельный расход теплоты на нагрев 1кг металла составит:

, (3.22)



4. РАСЧЕТ И ВЫБОР ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

4.1 Блочный керамический рекуператор

Собираются из шамотных блоков с каналами для прохода воздуха. Для основной установки выбираем блоки марки Б-1, как наиболее распространенные. Каждый блок имеет четыре отверстия прямоугольного сечения и опорные буртики.

Блоки устанавливаются так, что их отверстия образуют сплошные вертикальные каналы, по которым снизу вверх проходит воздух. Продукты сгорания движутся между блоками в горизонтальном направлении.

1. Расход газа (топлива) на отопление печи:

[см. п.3]

2. Расход воздуха на 1 м³ топлива:

3. Расход газа (воздуха), подаваемого в рекуператор без учёта потерь:

, (4.1)

4. Расход воздуха, подаваемого в рекуператор: величину утечек газа в дымовые каналы принимаю 10%.

, (4.2)

5. Потери воздуха в рекуператоре:

, (4.3)

6. Количество продуктов сгорания, покидающих установку (с учетом утечек воздуха):

, (4.4)

где - количество дымовых газов на входе в рекуператор, м³/м³: =1.778 м³/м³.

Для газоплотных рекуператоров тепловой баланс с учётом 10% потерь тепла в окружающую среду имеет вид:

,(4.5)

где и - средние изобарные объёмные теплоёмкости в интервале температур от 0^oC до соответствующей температуры, стоящей в произведении, кДж/(м³*^оС);

,- начальная и конечная температуры продуктов сгорания на входе и выходе из рекуператора, ^oC;

, - начальная и конечная температуры воздуха на входе и выходе из рекуператора,^oC; - расход продуктов сгорания, м³/с;

- расход воздуха, м³/с;

- изобарная теплоемкость воздуха при конечной температуре дымовых газов, кДж/(м³*^оС).

При проектировании нового рекуператора обычно задаются тремя температурами: начальной и конечной температурами воздуха - ,, а также начальной температурой уходящих газов: .

Средние изобарные теплоемкости воздуха при его конечной и начальной температурах соответственно:

[см. раздел 1].

[3, табл. 2.13, стр. 40].

Средняя изобарная теплоемкость продуктов сгорания на входе в рекуператор:

=1.566 .

Температуру уходящих дымовых газов после рекуператора получим из уравнения:

, (4.6)

Т.к. в нашем уравнении две неизвестные величины, то мы решаем его методом последовательных приближений.

Принимаю температуру дымовых газов на выходе из рекуператора:

= 488.8 ^оС.

Теплоемкость уходящих газов при данной температуре:

= 1.481 .

Теплоемкость воздуха при конечной температуре уходящих газов:

=1.3412 .

Тогда температура дымовых газов на выходе из рекуператора будет равна:

Погрешность между принятым и рассчитанным значением составляет:

Поверхность нагрева рекуператора определяется из уравнения теплопередачи:

, (4.7)

где - коэффициент теплопередачи, Вт/м²·к;

- средняя разность температур уходящих газов и воздуха, ^оС.

Среднее значение разности температур уходящих газов и воздуха определяется как среднелогарифмическая разность:

Для противоточного движения:

, (4.8)

Для более сложных схем движения в формулу для нахождения вводится поправочный коэффициент, для нахождения которого сначала вычисляются вспомогательные величины:

, (4.9)

, (4.10)

,

По и определяется поправкана которую умножается :

[8, рис. 1-11, стр. 24]

Средняя разность температур между теплоносителями определяется по формуле:

, (4.11)

Коэффициент теплоотдачи определяется по формуле:

, (4.12)

Для блочных рекуператоров:

[4, стр. 28]

где - толщина стенки блока [4, стр. 28];

- коэффициент теплопроводности шамота, ;

- коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху,

, (4.13)

где - скорость воздуха, приведённая к нормальным условиям, : - для керамических рекуператоров. [4, табл. 3, стр. 26].

Принимаем

Средняя температура продуктов сгорания (дымовых газов):

, (4.14)

Средняя температура стенок рекуператора:

, (4.15)

Средняя температура воздуха:

, (4.16)

Гидравлический диаметр воздушных каналов:

,

Коэффициентыиопределяем по:

, (4.17)

Тогда:

, [4, табл. 5, стр. 29]

С учётом шероховатости стенки

- коэффициент теплоотдачи от дыма к стенке, (на дымовой стороне).

, (4.18)

Коэффициент теплоотдачи конвекцией:

С учётом шероховатости стенки:

Коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания топлива к стенке элемента поверхности нагрева определяется выражением:

, (4.19)

Коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания топлива к стенке элемента поверхности нагрева определяется выражением [3], Вт/(м²*К):

, (4.20)

где - коэффициент лучеиспускания (приведённое значение) [3] :

, (4.21)

где - степень черноты продуктов сгорания.

, (4.22)

Эффективная длина луча:

(4.23)

где - гидравлический диаметр каналов, по которым движутся дымовые газы, м: = =0.16 м.

Для определения степени черноты необходимо найти парциальные давления СО₂ и Н₂О и по номограммам [9, рис. 4.6-4.8, стр. 138-140]

Определяем

Поглощающая способность газов при температуре стенки определяется по формуле:

(4.24)

Степень черноты стен рекуператора принимаю:

Эффективная степень черноты стен равна:

(4.25)

Коэффициент теплоотдачи излучением равен:

Общий коэффициент теплоотдачи на дымовой стене:

Коэффициент теплопроводности стенки, состоящей из шамотного кирпича:

(4.26)

Коэффициент теплопередачи равен:

Площадь теплопередающей поверхности:

(4.27)

Расчетный расход воздуха:

(4.28)

Общая площадь отверстий для прохода воздуха:

(4.29)



Ширину рекуператора в соответствии с шириной печи принимаем равной 800 мм, ширина кирпича 233 мм.

Общее количество блоков по ширине:

Принимаем высоту рекуператора:

По длине:

4.2 Трубчатый металлический рекуператор

Трубчатые металлические рекуператоры разнообразны по конструкции, но типизированы и составляются из труб различного диаметра с разным шагом. Наибольшее распространение получили рекуператоры прямотрубные, петлевые, дымотрубные системы Шака, двойной циркуляции.

Для всех типов трубчатых рекуператоров коэффициенты теплопередачи и в зависимости от типа труб и их расположения вычисляются по различным формулам.

Для газоплотных рекуператоров тепловой баланс составляется с учётом 10% потерь тепла в окружающую среду:

(4.30)

где ,- начальная и конечная температуры топлива на входе и выходе из рекуператора,^oC:

,- начальная и конечная температуры продуктов сгорания на входе и выходе из рекуператора, ^oC;

- расход продуктов сгорания, м³/с;

- расход топлива, м³/с;

Температуре топлива на входе в рекуператор, ^оС:

Теплоемкость топлива при данной температуре, кДж/(м³*^оС):

Температура топлива на выходе из рекуператора, ^оС:

Теплоемкость топлива при данной температуре, кДж/(м³*^оС):

Температура дымовых газов на входе в рекуператор:

Теплоемкость дымовых газов при этой температуре:

Температуру уходящих дымовых газов после рекуператора получим из уравнения:

. (4.31)

Принимаю температуру дымовых газов на выходе из рекуператора 393.2 ^оС. Теплоемкость дымовых газов при этой температуре равна:

Тогда истинная температура уходящих газов будет равна:

Погрешность между принятым и рассчитанным значением составляет:

Среднее значение разности температур для противоточного движения:



. (4.32)

Для более сложных схем движения в формулу для нахождения вводится поправочный коэффициент, для нахождения которого сначала вычисляются вспомогательные величины:

, (4.33)

, (4.34)

По P и R определяется поправка , на которую умножается .

(4.35)

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле:

(4.36)

где - толщина стенки [ГОСТ 8733-80]

- теплопроводность стенки, при средней температуре.

Средняя температура стенок рекуператора:



(4.37)

Теплопроводность материала трубы равна, Вт/(м*^оС):

Коэффициент теплоотдачи от дыма к стенке:

(4.38)

При средней температуре газового потока определяем коэффициент кинематической вязкости [3, табл. 9.5, стр. 394]:

Режим движения дымовых газов:

(4.39)

где [5, табл. 3, стр. 26];

- внешний диаметр труб.

Так как число Рейнольдса больше 2300, то режим движения - турбулентный.

Коэффициент определяем графическим методом [3, рис. 9.19, стр. 402]

(4.40)

где - поправка на число труб.

- поправка на температуру при средней температуре газов .

Коэффициент теплоотдачи излучением от дыма к наружной поверхности трубки рекуператора определяем по формуле [3, стр. 400]:

(4.41)

где

,

- коэффициент лучеиспускания (приведённое значение) [3, стр. 400] ,

- степень черноты продуктов сгорания.

(4.42)

Эффективная длина луча:

Определяем

Тогда

Коэффициент теплоотдачи излучением равен:

Общий коэффициент теплоотдачи от дыма к стенке:

Рассчитываем теплоотдачу от стенки подогреваемому газу.

Определяем режим движения газа:

(4.43)

где - внутренний диаметр труб;

Принимаем [5, табл. 3, стр.26].

Для температуры определяем - коэффициент кинематической вязкости топлива. Определяется по процентному содержанию каждого газа в топливе [7, табл. 10, стр. 148]:

(4.44)

Тогда число Рейнольдса будет равно:

Так как число Рейнольдса больше 2300, то режим вынужденного движения - турбулентный.

В соответствии с [3, рис. 9.16, стр. 399] для турбулентного режима находим:

где - поправка на неизотермичность при нагреве газа при ,

- поправка на неизотермичность при остывании газа,

- поправка на начальный участок.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к подогреваемому газу:

Тогда коэффициент теплопередачи равен:

Площадь теплопередающей поверхности определяется по формуле:

(4.45)

Определяем число трубок:

(4.46)

где - площадь поверхности одной трубки.

Компоновка рекуператора:

Принимаем количество труб в ряду - 3 шт. Количество рядов - 6.

Тип пучка - гладкотрубный, с коридорным расположением.



5. РАСЧЕТ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЫМОВОГО ТРАКТА

Потери напора в вертикальных каналах складываются из потерь на трение, местных сопротивлений (поворот на 90° и изменение скорости потока) и преодоления геометрического напора.

(5.1)

Скорость движения дымовых газов в конце печи с учетом уменьшения сечения рабочего пространства за счёт нагреваемой заготовки (толщина д=0,3 м):

(5.2)

Скорость движения дымовых газов в трех вертикальных каналах принимаем . Тогда сечение каждого канала равно:

(5.3)

Размеры вертикальных каналов принимаем следующими: длина , ширина , высота . Тогда приведенный диаметр канала:

(5.4)

Потери энергии на трение [5, стр.32, ф-ла (II-10)]:



(5.5)

где - коэффициент трения, для кирпичных каналов .

Потери энергии при повороте на 90є [2, стр. 33, ф-ла (II-13)]:

(5.6)

где - коэффициент местных сопротивлений,

- [5, стр. 352, Приложение V]

Потери энергии при сужении канала (изменение скорости) [5, стр. 33, ф-ла (II-13)]:

(5.7)

где - [5, стр. 351, Приложение V] для случая

Потери энергии на преодоление геометрического напора:



(5.8)

где - плотность воздуха при ,

- температура наружного воздуха

Суммарные потери в вертикальных каналах:

Потери энергии при движении газов от вертикальных каналов до керамического рекуператора состоят из потерь при двух поворотах на 90є и потерь по длине на трение:

(5.9)

Скорость движения в борове принимаем , тогда сечение борова:

(5.10)

Принимаем, что сечение борова - квадратное, тогда высота и ширина борова равна:

, (5.11)

Эквивалентный диаметр борова:



, (5.12)

Потери энергии на трение:

, (5.13)

где ,

- средняя температура дыма в борове

,

- температура дыма перед рекуператором

Чтобы найти , принимаем падение температуры по длине борова 2 К на 1 м длины; следовательно, при длине борова от вертикальных каналов до рекуператора падение температуры дыма . Тогда

.

Потери при двух поворотах на 90є на пути от каналов до рекуператора:

, (5.14)

где - [5, стр. 351, Приложение V]

Суммарные потери энергии на пути от вертикальных каналов до керамического рекуператора:

Потери энергии в керамическом рекуператоре состоят из потерь при внезапном расширении при входе, сужении при выходе и потерь напора в самом рекуператоре:

(5.15)

Скорость движения газов в рекуператоре принимаем

Потери энергии при внезапном расширении канала (изменение скорости):

(5.16)

где - [5, стр. 351, Приложение V]

- средняя температура дымовых газов в рекуператоре.

Потери энергии при сужении канала:

(5.17)

где - [5, стр. 351, Приложение V]

Местные потери в самом керамическом рекуператоре принимаем из расчета 140 Па на 1 м длины:

Суммарные потери энергии в керамическом рекуператоре:

Потери в металлическом рекуператоре состоят из потерь на внезапное расширение при входе, внезапном сужении при выходе и при обтекании пучка труб:

(5.18)

Скорость движения газов в рекуператоре принимаем

Потери энергии при внезапном расширении канала (изменение скорости):

(5.19)

где - [5, стр. 351, Приложение V]

- средняя температура дымовых газов в рекуператоре.

Потери энергии при сужении канала:

(5.20)



где - [5, стр. 351, Приложение V]

Потери при обтекании дымовыми газами коридорного пучка:

(5.21)

где - действительная скорость движения дыма,

,

- [5, стр. 35, ф-ла II-14],

где - число рядов труб по глубине пучка, ,

- сопротивление коридорного пучка труб [5, стр. 36, рис.2]

Тогда

Суммарные потери энергии в металлическом рекуператоре:

Потери на участке от рекуператора до шиберов складываются из потерь на трение по длине и потерь при двух поворотах на 90є:

(5.22)

Потери энергии на трение:

(5.23)



где ,

- средняя температура дыма в борове

,

- снижение температуры дыма перед шиберами.

Принимаем снижение температуры на 1 м борова равным 1,5 К.

Тогда

Потери при двух поворотах на 90є на пути от рекуператора до шиберов:

(5.24)

где - [5, стр. 351, Приложение V]

Суммарные потери энергии на участке от рекуператора до шиберов:

Общие потери энергии при движении продуктов сгорания в дымовом тракте (от рабочего пространства до шибера):

(5.25)



6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫСОТЫ ДЫМОВОЙ ТРУБЫ

Определим площадь сечения устья трубы, принимая скорость дыма в устье

(6.1)

Диаметр устья:

(6.2)

Диаметр основания трубы:

(6.3)

Скорость движения дымовых газов в основании трубы:

(6.4)

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

(6.5)

Для определения температуры дымовых газов ориентировочно задаемся высотой трубы [5, стр. 43, рис. 5]. Падение температуры для кирпичной трубы принимается 1,3 K на 1 м.

Тогда .

Температура газов в устье:

Средняя температура дымовых газов в трубе:

(6.6)

Средний диаметр трубы:

(6.7)

Средняя площадь сечения трубы:

(6.8)

Средняя скорость движения дымовых газов в трубе:

(6.9)

Коэффициент трения для кирпичных труб принимаем .

Тогда высота трубы:



Т. к. высота трубы должна быть в интервале 15-20 м, то необходимо выбрать дымосос.

- принимаем требуемое давление в нагнетательном патрубке.

Тогда действительное давление:

где

- коэффициент запаса по напору

Производительность:

где - коэффициент запаса по производительности

- часовой расход

Выбираем дымосос ДН-10 [3, стр. 411], производительностью - 13,62·10³м³/ч, напор - 2,21кПа, КПД - 83 %.

Тогда высота трубы, необходимая после установки дымососа:

(6.10)



Заключение

Результатом выполнения курсовой работы стал расчет пламенной методической печи, которой включил в себя: расчёт продуктов сгорания, определение действительной температуры продуктов сгорания, расчёт времени пребывания садки в зонах рабочего пространства, расчёт основных размеров рабочего пространства (технологических зон), тепловой баланс рабочего пространства, расчёт теплообменников для регенерации использования теплоты энергетических отходов, расчет аэродинамического сопротивления дымового тракта и определение высоты дымовой трубы.

Размещено на Allbest.ru

...