Размещено на http://www.allbest.ru/

Тепловой конструкторский расчет нагревательной печи

1. Описание теплотехнологии нагрева

Современные промышленные технологии основываются на применении органического и ядерного топлива. Широкое внедрение в теплотехнологии высокотемпературных процессов в настоящее время ставит ряд энергетических и экологических задач. Поэтому такое большое внимание уделяется высокотемпературным теплотехнологическим процессам и установкам.

Высокотемпературные процессы часто являются основой промышленных технологий получения целого продукта из исходного сырьевого материала (известь, нефть, сланцы, угли, газ и др.) в процессе тепловой обработки. К ним относятся физические, химические и массообменные процессы, обеспечивающие заданное превращение исходного сырья.

Одним из способов получения целевого конечного продукта или полупродукта для смежных технологий являются физические теплотехнологические процессы (подогрев, испарение, термообработка, тепловая активация, рафинирование др.), протекающие в высокотемпературных установках и обеспечивающие изменение только физических свойств исходного сырьевого материала.

Методические печи - непрерывные, у которых при неизменном характере нагреваемых заготовок и темпе работы, тепловой и температурный режимы являются переменными по длине печи и постоянными во времени.

При трёхзонном режиме, температура в сварочной зоне может быть значительно выше, а нагрев - интенсивнее, чем при двухзонном режиме.

Возникающий при этом больший перепад температур по сечению, выравнивается в томильной зоне, куда заготовки поступают из сварочной по достижении заданной конечной температуры поверхности.

При выборе температурного режима следует стремиться не только к высокой интенсивности нагрева, но и к минимальному окислению и обезуглероживанию металла при нагреве. Эти явления тем сильнее, чем выше температура поверхности заготовки и чем больше время пребывания поверхности при этой температуре.

Интенсификация нагрева приводит к быстрому повышению температуры поверхности заготовок, однако, общее время нагрева сокращается. Следовательно, существует оптимальная интенсивность нагрева, обеспечивающая минимальное окисление и обезуглероживание металла.

При высокой интенсивности нагрева необходимо организовать трёхзонный режим с развитой сварочной зоной, то есть с высокими температурами на большой длине печи. При существенном снижении интенсивности, целесообразно переходить на двухзонный режим, чтобы уменьшить окисление и обезуглероживание металла.

С точки зрения оптимальной конструкцией является печь с боковым или сводовым отоплением, однако наибольшее распространение, благодаря своей простоте, получили печи с традиционным торцевым отоплением.

2. Разработка температурного графика

Температурный график является базой для выполнения расчёта печи: с его помощью выбирают необходимую температуру продуктов сгорания и нагреваемой садки. Для построения температурного графика (вначале приближенного) используют ориентировочные значения теплофизических характеристик, коэффициентов теплоотдачи и др.

Температура садки металла всегда задается. Металл перед посадом в печь не подогревается, и его температура составляет =15 ^ОС, причем температуры в центре и на поверхности изделия одинаковы.

Для методических нагревательных печей первая зона температурного графика соответствует основному времени нагрева металла. Рабочее пространство печи, где происходит основной нагрев, можно представить одной или несколькими регулируемыми зонами. Все это определяется размерами печи, и в частности отношением ее длины к среднему размеру поперечного сечения. Если зона основного нагрева очень длинна и регулирование температуры в ней затруднено, то она разбивается на несколько регулируемых зон, в которых поддерживается одинаковая температура. Как видно, одной зоне температурного графика может соответствовать несколько регулируемых зон печи.

Ликвидация неравномерности нагрева заготовки или изделия по сечению при термообработке достигается загрузкой металла в зону выдержки, причем температура центра металла на выходе из зоны выдержки принимает значение температуры операции нагрева, т.е. = =1200 ^ОС.

Устанавливаем число температурных зон. Полагая для всех зон рабочего пространства коэффициент теплоотдачи к садкам равен б = 250 Вт/(м²К), находим критерий Bi.

Нагрев считаем несимметричным для всех зон печи (см. исходные данные): x₁ = х₂ = х₃ = s/2 = 0,1 м. Принимаем = 30 Вт/(мК). Записываем:

В первом приближении температурный график должен иметь зону выдержки (см. зад). Для построения графика использована температура операции , которая для Ст10 и нагрева перед ковкой равна 1200 ^ОС.

Температура металла на поверхности рассчитывается исходя из допустимого перепада температур в расчетном сечении:

Вычисляем время возникновения максимальных температурных напряжений (для пластины):

В первом приближении температуру дыма в сечении 3 - 3 принимаем равной 1350 ^ОС. В сечении 1 (2) - 1 (2) = 1400 ^ОС. Температура дыма на выходе из печи == 860 ^ОС (см. исходные данные). Приблизительный график состоит из зон основного нагрева и зоны выдержки.

Сопоставив и (), получим, что зону основного нагрева между сечениями 0 - 0 и 1 (2) - 1 (2) необходимо разделить на две зоны щадящего и форсированного нагрева (между сечениями 1 - 1 и 2 - 2).

Для приближенного температурного графика _max не оцениваем, полагая, что основной нагрев производится в двух зонах (1 и 2).

После уточнения температурного графика можно с определенной достоверностью записать значения температур металла и дымовых газов, что позволяет рассчитать теплообмен во всех температурных зонах рабочего пространства.

Принимаем температуру садки: = 15⁰С (см. исходные данные); = 860^ОС - выбираем условно (см. исходные данные); - для расчета теплообмена не нужна и определена расчетным путем; = 1200^ОС; - для расчета теплообмена не нужна и определена расчетным путем; = 1230^ОС; =1200 ^ОС.

Температура газов = 860^ОС; = 1400^ОС принята в первом приближении, может изменяться в процессе расчетов; = 1400^ОС; = 1350^ОС.

3. Расчет топлива и определение действительной температуры в зонах рабочего пространства печи

Таблица 1 - Технические характеристики заданного топлива

Вид топлива	с, кг/м3	Объемный состав топлива, %
		СО	Н2	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12	СmНn	СО2	О2	N2	Н2О
Природный газ	0,77	-	-	92,3	0,7	0,5	0,5	0,2	-	-	-	5,3	-

Для расчета продуктов сгорания топлива необходимо выбрать коэффициент избытка воздуха, который в значительной степени зависит от процесса нагрева и находится в широких пределах. При нагреве металла в естественной атмосфере с окислительными свойствами (б?1) на выбор величины б в основном влияют сорт сжигаемого топлива и тип горелочных устройств. Если в печи устанавливается горелочное устройство определенного типа, то значение коэффициент избытка воздуха выбирается в соответствии с нормалями.

Для горелок типа ДВБ коэффициент расхода воздуха для каждой из трех зон принимаем равным 1,1.

Для природного газа (Q_н^р = 35 МДж/м³ и ) выбираем по номограмме (рис. 1.6 [4] стр. 11) СО₂ = 8,7%, Н₂О = 17,5%, О₂ = 1,1%.

Определяем содержание азота в продуктах сгорания:

N₂ = 100 - (СО₂ + Н₂О + О₂) = 100 - (8,7 + 17,5 + 1,1) = 72,7%.

Суммарный объём продуктов сгорания:

м³/кг.

Необходимый объём воздуха: = 10,18 м³/кг.

Имеем (в м³/кг):

Согласно температурному графику (рис. 1): == 860^ОС; = 1400^ОС; = 1400^ОС; = 1350^ОС.

Наиболее высокая температура газов должна установиться между сечениями 1 - 1 и 2 - 2 (зона 2). Поэтому температуру определяем только для зоны 2.

По номограмме (рис. 1.6 [4] стр. 11) для природного газа (Q_н^р = 35 МДж/м³; = 1,1; t_в.о= 210⁰С) определяем значение теоретической температуры:

t_теор.= 2060⁰С.

Действительная расчетная температура в зоне 2:

= 0,7 2060 = 1442 ⁰С,

где 0,7 - пирометрическая характеристика зоны 2.

Сравнивая значения и , видим, что > , (1442>1400). На основании этого можно сделать вывод, что в рабочих условиях график t_гi = f() во всех зонах будет поддерживаться за счет подвода рабочей горючей смеси с температурой воздуха 210⁰С.

Для дальнейшего расчета принимаем значения температур дыма по температурному графику (см. зад.). Коррекция температурного графика по t_гi = f() не требуется.

4. Расчет интенсивности внешнего теплообмена в зонах рабочего пространства печи

Записываем значения температур:

== 860 ^ОС; = 1400 ^ОС; = 1400 ^ОС; = 1350 ^ОС;

= 15 ⁰С; = 860 ^ОС; = 1200 ^ОС; = 1230 ^ОС.

Определяем средний температурный напор между продуктами сгорания топлива и поверхностью садки:

Зона 1:

Зона 2:

Зона 3:

Проводим классификацию теплообмена. Теплообмен происходит одновременно тепловым излучением и конвекцией. Лучистый теплообмен преобладает над конвективным. Конвекция составляет 5…15% лучистого теплообмена.

Теплообмен происходит в системе серых тел (садка, газы, футеровка). При этом наблюдается два результирующих потоков каждой зоне q_г-с и q_ф-с (лучистый поток от продуктов сгорания к садке и от футеровки к садке). Общий поток к поверхности садки q = q_г-с + q_ф-с. Садка уложена плотно и рассматривается как пластина.

Рассчитываем лучистый теплообмен для плотного посада формуле (13.21 [1] стр. 168):

- приведенный коэффициент лучеиспускания в i-той зоне, Вт/(м²К⁴):

- коэффициент лучистой теплоотдачи в i-той зоне, Вт/(м²·К):

Определяем степень развития кладки _i зон рабочего пространства:

где F_клi, F_мi - площадь поверхностей соответственно излучающей кладки и лучевоспринимающей поверхности металла i-той зоны на 1 погонный метр.

В данном случае, для печи: b ₁ = b ₂ = b ₃, F_м1 = F_м2 = F_м3.

Для зоны 1:



Здесь - высота зоны 1; h₁ = 0,85 м ([2] рис. 1.12, стр. 40-43);

- ширина зоны 1; b = 2,15 м ([2] рис. 1.12, стр. 40-43);

- длина зоны 1, принимаем L = 1 м ([3] стр. 133).

Тогда:

Площадь лучевоспринимающей поверхности металла i-той зоны на 1 погонный метр:

Степень развития кладки зоны 1:

Для зоны 2:

Здесь - высота зоны 2; h₂ = 1,25 м ([2] рис. 1.12, стр. 40-43);

- ширина зоны 2; = 2,15 м ([2] рис. 1.12, стр. 40-43);

- длина зоны 2, принимаем L = 1 м ([3] стр. 133).

Тогда:

Степень развития кладки зоны 2:

Учитывая, что ширина и высота зоны 3 равна ширине и высоте зоны 2, то:

Степень развития кладки:

Определяем излучающий объём зон рабочего пространства, также на 1 погонный метр длины:

Определяем площади поверхностей, ограничивающих излучающий объём:

Определяем эффективную длину луча:

Определяем парциальные давления излучающих газов СО₂ и Н₂О, Па:

Определяем значения и :

Рассчитываем средние значения температур продуктов сгорания в зонах:

При этих температурах, используя рис. 4.6 … 4.9 ([4] стр. 138 … 140), определяем значения , , :

Определяем степень черноты газов в i-тых зонах:

Определяем приведенный коэффициент лучеиспускания в i-той зоне, Вт/(м²К⁴):

Окончательно имеем:

Выполняем расчет конвективного теплообмена. Определяем значение конвективной составляющей теплоотдачи пологая, что _к1 = 0,15·_л1, _к2 = 0,10·_л2, _к3 = 0,05·_л3. Записываем:

Определяем суммарный коэффициент теплоотдачи в зонах 1..3 рабочего пространства:

5. Расчет времени пребывания садки в рабочем пространстве печи

Садка толщиной 200 мм, длиной 1650 мм нагревается в рабочем пространстве зон 1..3. Расчет выполняем для каждой зоны отдельно.

Для зоны 1:

Определяем безразмерные температуры и :

Подставляем числовые значения безразмерных температур:

Определяем число Bi₁:



где x₁ - характерный размер садки в зоне 1, м;

₁ - коэффициент теплопроводности садки в зоне 1 (табл. 4.1 [3] стр. 112-113), определяем при средней температуре поверхности металла в зоне печи, Вт/(м·К).

Расчет времени выполняем как для цилиндра эквивалентным диаметром:

Для симметричного нагрева x₁ = x₂ = x₃ = d_экв/2 = 0,1 м.

В соответствии с рис. 6.8 ([4] стр. 310), используя значения и для поверхности цилиндра находим: Fo₁ = 2,8.

Из табл. 4.12 ([3] стр. 146-147) выбираем коэффициент температуропроводности при средней температуре метала в зоне: а₁ = 0,852 · 10⁵ м²/с. Имеем:

Для Bi₁ = 0,235 и Fo₁ = 2,8 находим по рис. 6.9 ([4] стр. 311) . Имеем

Тогда:



Для зоны 2:

Определяем безразмерные температуры и :

Подставляем числовые значения безразмерных температур:

Определяем число Bi₂:

В соответствии с рис. 6.8 ([4] стр. 310), используя значения и для поверхности цилиндра находим: Fo₂ = 0,72.

Из табл. 4.12 ([3] стр. 146-147) выбираем коэффициент температуропроводности при средней температуре метала в зоне: а₂ = 0,515 · 10⁵ м²/с. Имеем:

Для Bi₂ = 0,82 и Fo₂ = 0,72 находим по рис. 6.9 ([4] стр. 311) . Имеем

Тогда:

температура печь теплообмен нагревательный

Для зоны 3:

Определяем безразмерные температуры и :

Подставляем числовые значения безразмерных температур:

Определяем число Bi₂:

В соответствии с рис. 6.8 ([4] стр. 310), используя значения и для поверхности цилиндра находим: Fo₃ = 0,085.

Из табл. 4.12 ([3] стр. 146-147) выбираем коэффициент температуропроводности при средней температуре метала в зоне: а₃ = 0,565 · 10⁵ м²/с. Имеем:

Определяем время основного нагрева:

Общее время пребывания садки в рабочем пространстве печи:

6. Расчет основных размеров рабочего пространства печи

В качестве исходных данных используем: Р - производительность печи (10 т/ч); размеры садки (200 х 200 х 1650 мм); время пребывания металла в технологических зонах: ф₁ = 0,91 ч, ф₂ = 0,39 ч, ф₃ = 0,041 ч.

Записываем уравнение материального баланса по садке:

где Р - производительность печи;

с_i - плотность садки в зоне (зависит от марки стали и температуры металла) (табл. 4.10 … 4.11 [3] стр. 136 - 137 … 145):

с₁ = 7720 кг/м³;

с₂ = 7540 кг/м³;

с₃ = 7440 кг/м³;

v_i - объем одной заготовки: v_i = 0,2 · 0,2 · 1,65 = 0,066 м³.

Определяем длины зон:

Зона 1:

Зона 2:

Зона 3:

Полная длина печи:

Определяем площадь пода:

Определяем площадь активного пода:

Определяем напряженность активного пода:

7. Тепловой баланс зон рабочего пространства печи

Тепловой баланс служит для определения расхода топлива (теплопритоков с органическим топливом) в каждой зоне и разработки способов снижения расходных статей. Тепловой баланс составляют для каждой зоны рабочего пространства.

Для зон 1..3 запишем тепловые балансы:

При тепловом балансе зоны 1 отсутствует составляющая Q_экз, так как в этой зоне нет угара и образования окалины. Для зон 2 и 3 эта приходная статья теплового баланса учитывается, причем 40% теплопритока от угара выделяется в зоне 2 и 60% - в зоне 3. Согласно исходным данным величину угара распределяем следующим образом: 1% - угар в зоне 2, 1,5% - угар в зоне 3.

Выполняем тепловой баланс для зоны 1. Вначале рассчитываем приходные статьи. Определяем _и.т:

Находим:



Рассчитываем расходные статьи уравнения теплового баланса для зоны 1.

Определяем :

где - теплопотери через боковые стенки;

- теплопотери через свод зоны 1;

- теплопотери через под зоны 1;

- теплопотери через торец загрузки печи.

Записываем выражение для определения :

Находим поток теплоты через боковые стенки кладки печи зоны 1:



где t_кл1 - температура поверхности футеровочного слоя.

Выбираем значения ₁ и ₂ при температуре 500 ⁰С (первое приближение). По рис. 5.7 ([2] стр. 95) для футеровочного слоя л₁⁵⁰⁰ = 0,95 Вт/(мК) и для теплоизоляционного слоя л₂⁵⁰⁰ = 0,65 Вт/(мК).

Температуру T_кл1 на горячей стороне футеровочного слоя рассчитываем по формуле:

t_кл1= 1107 ⁰С. Температуру t_о.с принимаем равной 15 ⁰С.

В этом выражении коэффициент теплоотдачи от холодной поверхности теплоизоляционного слоя к окружающему воздуху б = 16 Вт/(м²·К).

Записываем формулы для слоев ₁ = 0,395 м и ₂ = 0,185 м (см. рис. 1):

Рассчитываем средние температуры слоев:

Используя значения и , в соответствии с рис. 5.7 ([2] стр. 95) выбираем л₁^809,5 = 1,2 Вт/(мК) и для теплоизоляционного слоя л₂^308,5 = 0,58 Вт/(мК).

Подставляем эти данные в формулу для расчета q₁^ст:

Определяем общую площадь поверхности стен:

Рассчитываем:

Находим . Обращаясь к рис. 2 записываем:

Записываем формулы для слоев ₁ = 0,180 м и ₂ = 0,145 м (см. рис. 2):

Рассчитываем средние температуры слоев:

Используя значения и , в соответствии с рис. 5.7 ([1] стр. 95) выбираем л₁^889,2= 1,25 Вт/(мК) и для теплоизоляционного слоя л₂^414,95 = 0,63 Вт/(мК).

Подставляем эти данные в формулу для расчета q₁^св:

Определяем площадь поверхности свода:

Рассчитываем:

Находим . Обращаясь к рис. 3 записываем:

Записываем формулы для слоев ₁ = 0,340 м и ₂ = 0,310 м (см. рис. 3):

Рассчитываем средние температуры слоев:

Используя значения и , в соответствии с рис. 5.7 ([2] стр. 95) выбираем л₁⁹⁶¹ = 2,12 Вт/(мК) и для теплоизоляционного слоя л₂⁴⁷⁹ = 0,9 Вт/(мК).

Подставляем эти данные в формулу для расчета q₁^под:

Определяем площадь поверхности пода:

Рассчитываем:

Находим :

Для торца загрузки использованы те же материалы, что и для стен, следовательно:

Рассчитываем :

где - время открытия окна загрузки ();

- коэффициент диафрагмирования отверстия или окна, через которое происходит излучение, он выбирается в зависимости от формы и размеров отверстия (рис. 4.2 [1] стр. 73);

- приведенный коэффициент лучеиспускания;

F₁ - площадь излучающего отверстия, м²:

Определяем потерю теплоты с дымовыми газами :

где - энтальпия дымовых газов, покидающих печь, кДж/м³;

- объем газов, проходящих через окно посада:

где - живое сечение для прохода газов;

- расстояние от уровня пода печи до оси окна, через которое происходит выбивание дымовых газов ([3] рис. 1.12, стр. 41-43);

- плотность наружного воздуха при его температуре:

- плотность уходящих дымовых газов:

Определяем количество теплоты, израсходованное на нагрев садки в зоне 1:

где - величина угара металла, для зоны 1 ;

- производительность печи;

Массовая изобарная теплоемкость при средней температуре металла в зоне

составляет 0,632 кДж/(кг·К) ([3] табл. 4.5, стр. 125).

Выполняем подстановку приходных и расходных статей в уравнение теплового баланса для зоны 1:

откуда:

Выполняем тепловой баланс для зоны 2. Вначале рассчитываем приходные статьи. Определяем _и.т:

Определяем теплоту, выделяемую в результате экзотермических реакций :

где - величина угара металла, для зоны 2 ;

- тепловыделение при окислении единицы массы стали, принимаем

Рассчитываем расходные статьи уравнения теплового баланса для зоны 2.

Определяем :

Записываем выражение для определения :

Находим поток теплоты через боковые стенки кладки печи зоны 2:

Выбираем значения ₁ и ₂ при температуре 600 ⁰С (первое приближение). По рис. 5.7 ([1] стр. 95) для футеровочного слоя л₁⁶⁰⁰ = 1,05 Вт/(мК) и для теплоизоляционного слоя л₂⁶⁰⁰ = 0,72 Вт/(мК).

Температуру T_кл2 на горячей стороне футеровочного слоя рассчитываем по формуле:

t_кл2= 1388⁰С.

Рассчитываем q₂^ст (рис. 3):

Записываем формулы для слоев ₁ = 0,395 м и ₂ = 0,185 м (см. рис. 3):



Рассчитываем средние температуры слоев:

Используя значения и , в соответствии с рис. 5.7 ([2] стр. 95) выбираем л₁^1016,5 = 1,38 Вт/(мК) и для теплоизоляционного слоя л₂^391,5 = 0,7 Вт/(мК).

Подставляем эти данные в формулу для расчета q₂^ст:

Определяем общую площадь поверхности стен:

Рассчитываем:

Находим . Обращаясь к рис. 4 записываем:

Записываем формулы для слоев ₁ = 0,180 м и ₂ = 0,145 м (см. рис. 4):



Рассчитываем средние температуры слоев:

Используя значения и , в соответствии с рис. 5.7 ([2] стр. 95) выбираем л₁^1117,5 = 1,43 Вт/(мК) и для теплоизоляционного слоя л₂^529,5 = 0,75 Вт/(мК).

Подставляем эти данные в формулу для расчета q₂^св:

Определяем площадь поверхности свода:

Рассчитываем:

Находим . Обращаясь к рис. 5 записываем:

Записываем формулы для слоев ₁ = 0,34 м и ₂ = 0,31 м (см. рис. 5):



Рассчитываем средние температуры слоев:

Используя значения и , в соответствии с рис. 5.7 ([2] стр. 95) выбираем л₁^1187,5 = 2,48 Вт/(мК) и для теплоизоляционного слоя л₂⁵⁸⁶= 1,25 Вт/(мК).

Подставляем эти данные в формулу для расчета q₂^под:

Определяем площадь поверхности пода:

Рассчитываем:

Определяем количество теплоты, израсходованное на нагрев садки в зоне 2:

где - величина угара металла, для зоны 2 ;

- производительность печи;

Массовая изобарная теплоемкость при средней температуре металла в зоне

составляет 0,69 кДж/(кг·К) ([3] табл. 4.5, стр. 125).

Выполняем подстановку приходных и расходных статей в уравнение теплового баланса для зоны 2:

откуда:

Выполняем тепловой баланс для зоны 3. Вначале рассчитываем приходные статьи. Определяем _и.т:

Определяем теплоту, выделяемую в результате экзотермических реакций :

Рассчитываем расходные статьи уравнения теплового баланса для зоны 3.

Определяем :

где - теплопотери через торец выгрузки печи.

Определяем , полагая, что :

Определяем общую площадь поверхности стен:

Рассчитываем:

Определяем , полагая, что :

Определяем площадь поверхности свода:

Литература

1. Несенчук А.П., Тимошпольский В.И. Промышленные теплотехнологии. Машиностроительное и металлургическое производство. Мн. «Высшая школа» 1997 г. ч 2.

2. Несенчук А.П., Тимошпольский В.И. Промышленные теплотехнологии. Печи и сушила машиностроительного и металлургического производства. Мн. «Высшая школа» 1999 г.

3. Несенчук А.П., Тимошпольский В.И. Промышленные теплотехнологии. Методики и инженерные расчеты оборудования высокотемпературных теплотехнологий машиностроительного и металлургического производства. Мн. «Высшая школа» 1998 г. ч 3.

4. Несенчук А.П., Тимошпольский В.И. Промышленные теплотехнологии. Машиностроительное и металлургическое производство. Мн. «Высшая школа» 1995 г. ч 1.

Размещено на Allbest.ru

...