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

КУРСОВАЯ РАБОТА

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

по дисциплине: Энергообеспечение промышленных технологических комплексов

на тему: Расчёт камерной печи с выкатным подом для термообработки слябов

Магнитогорск, 2017



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

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Тема: Расчёт камерной печи с выкатным подом для термообработки слябов

Студенту Калмыковой Н.С.

Исходные данные:

Марка стали	Размер заготовки, дxbxl,мм		Р, т/ч	dв, г/м3	dг, г/м3	tме, 0С	?t, 0С	Тип печи
180КП	500х1000х1500	1220	200	-	-	120	40	Камерная печь



Оглавление

теплообмен печь нагрев энергосбережение

• Введение
• 1 Расчет теплообмена в рабочем пространстве печи в период нагрева
• 2 Расчет нагрева металла
• 3 Расчет теплообмена в рабочем пространстве печи в период охлаждения
• 4 Расчет охлаждения металла
• 5 Статьи теплого баланса периода нагрева
• 6 Тепловой баланс периода нагрева
• 7 Статьи теплового баланса периода выдержки
• 8 Статьи теплового баланса периода выдержки
• 9 Расчет числа и характеристик печей
• 10 Выбор и обоснование путей энергосбережения
• Список использованных источников


Введение

Камерная печь с выкатным подом - печь, в которой загрузка и выгрузка металла производятся цеховым краном на подину, выкатываемую относительно стен и свода печи. Эту печь используют в тех случаях, когда масса садки велика и имеет сложную "архитектуру", например, садка располагается в несколько слоёв.

В разогретой пустой печи поднимается заслонка и подина, опираясь на катки, выкатывается на площадку перед печью. Часто вместо катков используют колеса, прикрепляемые к раме подины и движущиеся по специально уложенным рельсам. С помощью подъёмного крана на выкатанную подину укладывается садка металла в определённом порядке. В это время горелки не работают, а стены и свод интенсивно отдают теплоту излучением на то место, где только что стояла подина. Поэтому место под подиной должно быть теплоизолировано. После загрузки всей садки подина вкатывается обратно, заслонка закрывается и включаются горелки. Горелки располагаются в нижней части боковых стен (на рис. 1 - 14 горелок; по 7 штук на каждой стене). Часто горелки располагаются в два ряда и сжигание топлива практикуется в форкамерах. В данном примере горелочные камни подобраны таким образом, что они создают факел под некоторым углом к стене для обеспечения интенсивной циркуляции дыма и максимальной равномерности нагрева садки. Продукты горения удаляются из рабочего пространства через дымовые окна в боковых стенках. В данном примере 16 каналов, по 8 в каждой стенке. Дым проходит по подъемным дымовым каналам и поступает в сборные каналы, располагаемые вдоль стен печи над сводом. Из сборных каналов дым поступает в общий канал, в котором находится рекуператор для подогрева воздуха. Охлажденный в рекуператоре дым направляется в дымовую трубу и выбрасывается без очистки в атмосферу. После завершения процесса термообработки подина выкатывается и металл заменяется на холодный. Далее процесс повторяется.

Технологический процесс контролируется термопарами, вставляемыми через специально предусмотренные отверстия в стенах. Число смотровых и рабочих окон ограничено одним, закрытым в нормальном состоянии заслонкой.

Газоплотность печи обеспечивается системой песочных затворов, которые установлены между подиной и всеми стенами, а также между подиной и заслонкой.

Рисунок 1 - Камерная печь с выкатным подом

1 _ заслонка; 2 _ механизм подъёма заслонки; 3 _ дымовой канал для соединения сборных каналов; 4 _ рекуператор; 5 _ металлический каркас; 6 _ подъемный дымовой канал; 7 _ сборные каналы, располагаемые вдоль стен над сводом; 8 _ рабочее пространство печи;

9 _ горелки; 10 _ горелочный камень; 11 _ песочный затвор; 12 _ дымовые окна; 13 _ отверстие для термопары; 14 _ подина; 15 _ ролики (катки, колёса);

16 _ механизм перемещения подины.



Рисунок 2 - схема камерной печи с выкатным подом

1 - выкатной под; 2 - горелки; 3 - люк для присоса воздуха в период охлаждения; 4 - свод печи; 5 - стопа слябов с прокладками между ними; 6 - кладка печи; 7 - дымовые каналы



1. Расчет теплообмена в рабочем пространстве печи в период нагрева

Рисунок 3 - изменение температур в камерной печи с выкатным подом

1 - продуктов сгорания; 2 - кладки, 3 - металла

1. Температура металла в печи, ⁰С (по заданию):

2. Температура металла по участкам, ⁰С (принимаем):

Обозначение	I	II	III	IV
	120	410	700	955
	410	700	955	1220
	265	555	827	1087



3. Температура продуктов сгорания по участкам, ⁰С (принимаем):

Обозначение	I	II	III	IV
	250	500	785	1500
	500	785	1000	1250
	475	642	892	1100

4. Температура кладки, ⁰С (принимаем):

Обозначение	I	II	III	IV
	170	460	750	995
	460	750	995	1250
	315	605	872	1122

5. Эффективная длина пути луча, м:

где а=0,1 - толщина прокладки между слябами.

6. Коэффициент расхода воздуха в продуктах сгорания (принимаем):

7. Поправочный коэффициент для природного газа (7) (рис. I.8, (1)):

8. Приведенная толщина продуктов сгорания:



9. Степень черноты продуктов сгорания (рис. I.7, (1)):

Обозначение	I	II	III	IV
	0,31	0,28	0,26	0,21
	0,33	0,3	0,25	0,22
	0,33	0,31	0,26	0,22

10. Отношение высоты прокладки к ширине сляба:

где а - высота прокладки (0,1 м),

где b - ширина сляба (0,9 м).

11. Отношение длины сляба к его ширине:

где l - длина сляба (1,6 м).

12. Коэффициент взаимного облучения кладки (табл. 1.2, (1)):

13. Угловой коэффициент излучения кладки на металл:



14. Коэффициенты:

Где степени черноты соответственно продуктов сгорания, кладки и металла.

принимаем.

Обозначение	I	II	III	IV
М	0,7	0,795	0,78	0,795
А	0,178	0,163	0,151	0,151
В	0,41	0,42	0,43	0,43

15. Удельный тепловой поток излучением на металл, Вт/м²:



Где коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Обозначение	I	II	III	IV
	1213	3420	6790	9350

16. Коэффициент теплоотдачи излучением к металлу, Вт/(м²К):

Обозначение	I	II	III		IV
	5,8	39,3	87,1		145

Конвекцией, Вт/(м²К):

Принимаем 14 Вт/(м²К).

17. Вид теплообмена:

Обозначение	I	II	III	IV
Вид	Теплообмен излучением и конвекцией соизмерим	Преобладает теплообмен излучением



18. Условный коэффициент теплоотдачи конвекцией в единицах коэффициента излучения, Вт/(м²К⁴):

где- отношение температур, определяем по рис. 13.23 (1).

Обозначение	I	II	III	IV
	-	-	0,532	0,362

19. Приведенный коэффициент излучения, Вт/(м²К⁴):

Обозначение	I	II	III	IV
	2,5	1,7	1,6	1,6

20. Приведенный коэффициент излучения с учетом конвекции, Вт/(м²К⁴):



Обозначение	I	II	III	IV
	-	-	2,132	1,962

2. Расчет нагрева металла

1. Расчетная схема нагрева металла: двухсторонний нагрев в среде с постоянной температурой.

2. Расчетная толщина сляба, м:

где p - толщина сляба.

3. Коэффициент теплопроводности металла при средней температуре на участке, Вт/(мЧК) (табл. V.47 (1)):

Обозначение	I	II	III	IV
	41,0	37,6	34,8	31,6

4. Число Старка:

где - температура окружающей среды (20 ⁰С).

Обозначение	I	II	III	IV
	0,005	0,0182	0,0264	0,451



5. Число Био:

Обозначение	I	II	III	IV
	0,042	0,044	0,046	0,04

6. Числовое соотношение для определения области «тонких» тел (на всех участках слябы являются тонкими):

Обозначение	I	II	III	IV
-	0,097	0,154	0,235	0,347

7. Методика расчета нагрева металла:

Обозначение	I	II	III	IV
Методика	С раздельным учетом излучения и конвекции	По закону излучения

8. Расчет продолжительности нагрева:

Для первого и второго участков используем формулу:



где плотность стали,

- начальное и конечное значение температурного фактора (рис. I.19, I.20, I.21 в зависимости от ).

Для второго и третьего участков рассчитываем по формуле:

где - конечный и начальный температурные факторы (рис. I.16, I.17 в зависимости от температуры металла при температуре окружающей среды 20 или 100⁰С по рис I.17 (1)).

Обозначение	I	II	III	IV
	9,52	9,84	5,2	6,1

9. Средняя теплоемкость металла на участке, кДж/(кгЧК) (табл. V.47 (1)):

Обозначение	I	II	III	IV
	0,51	0,552	0,639	0,903

10. Плотность металла, кг/м³:



11. Относительная температура металла, ⁰С:

Обозначение	I	II	III	IV
В начале участка	0,45	0,651	-	-
В конце участка	0,72	0,974	-	-

12. Отношение Bi/Sk:

Обозначение	I	II	III	IV
В начале участка	7,6	2,34	-	-
В конце участка	2,06	1,21	-	-

13. Температурный фактор :

Обозначение	I	II	III	IV
Ф В начале участка	0,12	0,3	-	-
Ф В конце участка	0,42	0,87	-	-

14. Температурный фактор, К^-3;

Обозначение	I	II	III	IV
о В начале участка	-	-	0,14	0,12
о В конце участка	-	-	0,18	0,19

15. Продолжительность нагрева, ч:

Обозначение	I	II	III	IV
В начале участка	9,52	9,84	5,2	6,1
Общая по печи	30,7

16. Средняя скорость нагрева, ⁰С/ч;

По заданию 34-40 ⁰С/ч; режим нагрева выбран правильно.

3. Расчет теплообмена в рабочем пространстве печи в период охлаждения

1. Температура металла в печи, ⁰С:

2. Начальная температура кладки, ⁰С:

3. Способ охлаждения: холодным воздухом, подсасываемым через люки в боковых стенах.

4. Температура металла по участкам, ⁰С:

Обозначение	I	II	III
	1220	700	350
	700	350	150
	960	525	250

5. Средняя температура кладки, ⁰С:

Обозначение	I	II	III
	910	475	200

6. Приведенный коэффициент излучения металла к кладке, Вт/(м²ЧК⁴):

Обозначение	I	II	III
	3,7

7. Коэффициент теплоотдачи излучением к металлу, Вт/(м²К):

Обозначение	I	II	III
	140	72	21
	72	21	9,6
	106	46,5	15,3

8. Скорость потока воздуха:

Принимаем 4-6 м/с.

9. Определяющий размер сляба (в направлении движении потока):

10. Коэффициент теплоотдачи конвекцией от продольно обдуваемой пластины к воздуху, Вт/(м²К):

11. Коэффициент, учитывающий среднюю температуру подогрева воздуха:

12. Коэффициент теплоотдачи конвекцией с учетом подогрева воздуха:

13. Вид теплообмена:

Обозначение	I	II	III
Вид	Преобладает теплообмен излучением	Теплообмен излучением и конвекцией соизмерим

14. Условный коэффициент теплоотдачи конвекцией в единицах коэффициента излучения, Вт/(м²К⁴):

Обозначение	I	II	III
	0,61	1,5	-

15. Приведенный коэффициент излучения с учетом конвекции, Вт/(м²К⁴):

Обозначение	I	II	III
	4,3	4,92	-

4. Расчет охлаждения металла

1. Расчетная схема нагрева металла: двухстороннее охлаждение в среде с постоянной температурой.

2. Расчетная толщина сляба, м:

3. Коэффициент теплопроводности металла при средней температуре на участке, Вт/(мЧК):

Обозначение	I	II	III
	31,3	35,9	38,2

4. Число Старка:

Обозначение	I	II	III
	0,0154	0,008	0,0031

5. Число Био:

Обозначение	I	II	III
	1,01	0,099	0,097

6. Методика расчета охлаждения металла:

Обозначение	I	II	III
Методика	По закону излучения	С раздельным учетом излучения и конвекции

7. Расчет продолжительность охлаждения:

Обозначение	I	II	III
	2,1	3,8	5,6

Для первого и второго участков используем формулу:

Для второго и третьего участков рассчитываем по формуле:



8. Средняя теплоемкость металла на участке, кДж/(кгЧК):

Обозначение	I	II	III
	0,95	0,61	0,52

9. Плотность металла, кг/м³:

10. Относительная температура металла, ⁰С:

Обозначение	I	II	III
В начале участка	-	-	1,42
В конце участка	-	-	0,96

11. Отношение Bi/Sk:

Обозначение	I	II	III
Bi/Sk	-	-	5,7

12. Температурный фактор:

Обозначение	I	II	III
Ф В начале участка	0,048	0,067	-
Ф В конце участка	0,081	0,24	-

13. Температурный фактор, К^-3;

Обозначение	I	II	III
о В начале участка	-	-	0,1
о В конце участка	-	-	0,24

14. Продолжительность охлаждения, ч:

Обозначение	I	II	III
В начале участка	2,1	3,8	5,6
Общая по печи	11,5

5. Статьи теплого баланса периода нагрева

Приход тепла:

1. Химическое тепло топлива, кВт:

2. Угар металла, %:

Принимаем а=0,35.

3. Тепло экзотермических реакций окисления железа, кВт:

Расход тепла:

4. Расход тепла на нагрев металла:

Температура металла, ⁰С:

- начальная 120 ⁰С,

- конечная 1220 ⁰С,

- средняя теплоемкость металла с_м=0,665 кДж/(кгЧК),

- продолжительность нагрева 30,7 ч,

- садка печи G=6Ч4M=6Ч4Ч6=144 т (6 слябов).

- затраченное тепло, кВт:

5. .Тепло, уносимое уходящими продуктами сгорания:

- температура продуктов сгорания 1250 ⁰С,

- энтальпия продуктов сгорания 12,5 мДж/м³,

- потери тепла, кВт:

6. Потери тепла теплопроводностью через кладку:

- температура внутренней поверхности кладки, ⁰С:

- стен 1050 ⁰С,

- свода 1050 ⁰С,

- пода 1050 ⁰С, (принимаем усредненное значение).

- материал (толщина, мм) кладки:

- стен: шамот кл. Б (232) и диатомит Д-500 (116),

- свода: шамотный легковес ШЛ-1,3 (300),

- пода: шамот кл. А (348) и диатомит Д-500 (232).

- удельный тепловой поток через кладку, кВт/м³:

- стен - 0,86 кВт/м³,

- свода - 1,2 кВт/м³,

- пода - 0,61 кВт/м³.

- поверхность кладки, м²:

- стен -

- свода -

- пода -

- потери тепла, кВт:

- стен -

- свода -

- пода -

- общие -

7. Потери тепла на нагрев опорных устройств, кВт:

Где 9,4 т - масса опорных устройств (прокладок).

8. Тепло аккумулированное кладкой:

- конечная температура внутренней поверхности кладки, ⁰С:

- стен

- свода

- пода

- конечная температура наружной поверхности кладки, ⁰С:

- стен

- свода

- пода

- средняя температура кладки в конце нагрева, ⁰С:

- стен

- свода

- пода

- коэффициент теплоотдачи конвекцией от внутренней поверхности кладки к воздуху, Вт/(м²ЧК):

- стен

- свода

- пода (принимаем из условия скорости прососа воздуха 4-6 м/с и температуры воздуха от 20 ⁰С до 400 ⁰С).

- полная продолжительность периода охлаждения кладки, ч:

- полная толщина кладки, м:

- стен

- свода

- пода

- средний коэффициент теплопроводности кладки, Вт/(мЧК):

- стен 1,153 - шамот кл. Б,

0,189 - диатомит,

- свода 0,643 - ШЛ-1,3,

- пода 1,165 - шамот кл. А,

0,191 - диатомит.

- эквивалентная теплопроводность кладки, Вт/(мЧК):

- стен

- пода

- число Био для внутренней поверхности кладки:

- стен

- свода

- пода

- теплоемкость материала кладки, кДж/(кгЧК):

.

Принимаем одинаковую для всей кладки.

- температуропроводность, м²/ч:

- шамот ,

- шамотный легковес ,

- диатомит ,

- эквивалентная температуропроводность кладки, м²/ч:

- стен ,

- свода ,

- пода ,

- число Фурье кладки:

- стен

- свода

- пода

- объем слоев кладки, м³:

- стен 14,5 - шамот кл. Б,

9,4 - диатомит,

- свода18,0 - ШЛ-1,3,

- пода 18,1 - шамот кл. А,

13,2 - диатомит.

- масса слоев кладки, т:

- стен

- свода

- пода

- функция:

- стен

- свода

- пода

- функция:

- стен

- свода

- пода

- температура среды печи в конце периода охлаждения ⁰С,

Принимаем

- усредненная температура среды печи за период нагрева и охлаждения, ⁰С:

- средняя температура кладки в конце периода охлаждения, ⁰С:

- стен

- свода ,

- пода ,

- тепло, аккумулированное кладкой, кВт:

- стен ,

- свода ,

- пода .

- общее 70,7+66,6+35,6=172,8 кВт.

- тепло, аккумулированное каркасом, кВт:

- общая аккумуляция тепла печью, кВт:

9. Неучтенные тепловые потери, кВт:

10. Уравнение теплового баланса:

11. Расход газа на печь, м³/ч:

12. Химическое тепло топлива, кВт:

13. Тепло, уносимое уходящими продуктами сгорания, кВт:

6. Тепловой баланс периода нагрева

Приход тепла	Расход тепла
Наименование	кВт	%	Наименование	кВт	%
1. Химическое тепло топлива	3980	99,6	1. Нагрев металла	953	23,4
2. Тепло окисления металла	25,8	0,4	2. Тепло, уносимое продуктами сгорания	2562,5	63,9
			3. Потери тепла теплопроизводительностью через кладку	126	3,3
			4. Потери тепла на нагрев опорных установок	62	1,6
			5. Тепло, аккумулированное кладкой и каркасом	172,8	4,4
			6. Неучтенные потери	133,1	3,4
Итого	4005,8	100	Итого	4006	100

7. Статьи теплового баланса периода выдержки

Приход тепла:

1. Химическое тепло топлива, кВт:

2. Угар металла, %:

Принимаем а=0,1.

3. Тепло экзотермических реакций окисления железа, кВт:

Расход тепла

4. Температура уходящих продуктов сгорания,

Принимаем 1250



5. Потери тепла с уходящими продуктами сгорания, кВт:

6. Потери через кладку теплопроводностью, кВт:

7. Неучтенные тепловые потери, кВт:

8. Уравнение теплового баланса:

9. Расход газа на печь, м³/ч:

10. Химическое тепло топлива, кВт:

11. Тепло, уносимое уходящими продуктами сгорания, кВт:



8. Статьи теплового баланса периода выдержки

Приход тепла	Расход тепла
Наименование	кВт	%	Наименование	кВт	%
1. Химическое тепло топлива	172,8	86,1	1. Тепло, уносимое продуктами сгорания	61,7	30,8
2. Тепло окисления металла	28,3	13,9	2. Потери тепла теплопроизводительностью через кладку	126	62,7
			3. Неучтенные потери	13	6,5
Итого	201	100	Итого	201	100

9. Расчет числа и характеристик печей

1. Часовая производительность печи, т/ч:

По заданию 200 т/ч.

2. Максимальная тепловая мощность, МВт:

Из раздела 5, пункта 12

3. Минимальная тепловая мощность, МВт:

Из раздела 7, пункта 10

4. Пределы регулирования:

5. Удельный расход тепла, кДж/кг:



10. Выбор и обоснование путей энергосбережения

Основные факторы экономии энергии в промышленных печах. Их три, а именно:

1) малотеплоемкая и низкотеплопроводная футеровка рабочего пространства печи;

2) глубокая утилизация теплоты печных газов на выходе из рабочего пространства с охлаждением их перед выбросом в атмосферу до 150 °С;

3) грамотная эксплуатация печи, включающая контроль и регулирование сжигания топлива, уровня давления газов в печи, оптимизацию тепловой мощности и температурного режима.

Использование всех указанных факторов вполне доступно и реально в условиях украинской промышленности. Суммарное использование всех трех факторов реально уменьшает расход энергии в промышленных печах циклического действия в 2-3 раза, в печах непрерывного действия в 1,5-2 раза в зависимости от типа печи, ее назначения и степени использования энергосберегающих факторов до реконструкции печи.

Первый фактор уменьшает потери энергии на разогрев футеровки рабочего пространства в печах циклического действия и потери через футеровку теплопроводностью в печах непрерывного и циклического действия.

Второй фактор обеспечивает использование химической энергии топлива на 85-90% путем возврата, в печь неиспользованной энергии уходящих из печи газов. Действие второго фактора относится только к топливным печам. В электрических печах использование энергии на нагрев материалов и на покрытие потерь теплоты в рабочем пространстве составляет 100% в связи с тем, что теплоноситель в виде печных газов практически отсутствует.

Использование третьего фактора энергоэффективной работы печей связано с разработкой и соблюдением научно обоснованных технологических карт и обеспечивается наличием на предприятиях инженерных кадров по специальностям "Промышленная теплотехника" (направление бакалаврской подготовки "Металлургия"), "Теплоэнергетика" и "Теплофизика" (направление бакалаврской подготовки "Энергетика».



Список использованных источников

1. Василькова С.Б. Расчет нагревательных и термических печей / Василькова С.Б., Генкина М.М., Гусовский В.Л., Лифшиц А.Е., Масалович В.Г., А.А. Перимов, Спивак Э.И., В.М. Тымчак. М.: Металлургия, 1983,480 с.

2. Мастрюков Г.С. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей. Т. 2. М.: Металлургия, 1978.

3. В.Н. Аптерман. Протяжные печи / Аптерман В.Н., Тымчак В.М. Ихд-во «Металлургия», 1969, 320 с.

4. Киселев Е.В. Электрически печи сопротивления / Е.В. Киселев, Кутьин В.Б., Матюхин В.И., учебное пособие. УГТУ-УПИ, 2010, 78с.

Размещено на Allbest.ru

...