Министерство  образования и науки РФ

ГОУ ВПО Череповецкий Государственный Университет

Кафедра промышленной теплоэнергетики

Курсовой  проект

по  теме:

«Расчет двухзонной методической печи»

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Череповец, 2007- 2008 учебный год.

Содержание

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

  Техническое задание.

 Выполнить проектный расчет методической печи, работающей по двухзонному   температурному режиму. 

Исходные данные:

1. Производительность печи P=177т/ч
2. Нагреваемый металл: Заготовки квадратного сечения размером               0.100м х 0.100м и длиной 10.5м.
3. Параметры нагрева металла: конечная температура поверхности металла t^кон_пл=1250^оС, переход температур по поверности сляба Δt^кон=30^оС
4. Топливо – природный газ. Состав топлива, в%:

 

 

         5. Температура подогрева воздуха  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1  Расчет горения  топлива

1. Пересчет состава топлива

Для газового топлива пересчет объемного  состава газа с сухого на влажный  проводится по формуле: 

где d_r – влагосодержание газа, г/м³, х – содержание компонента, %

 

2.  Объем воздуха и продуктов полного сгорания.

Теоретический расход сухого кислорода:

Теоретический расход сухого окислителя:

 

где O_2ок – объемное содержание O₂ в окислителе, %

   

Расход  сухого окислителя при 

 

Расход  сухих трехатомных газов:

Теоретический выход азота:

где N_2ок – объемное содержание азота в окислителе, % 

Теоретический выход водяных паров:

где d_ок – влагосодержание окислителя, г/м³ 

Выход продуктов полного сгорания при 

 

Объемный  состав продуктов полного сгорания:

 

Плотность продуктов сгорания при нормальных условиях:

  
 
 
 

3.  Низшая теплота сгорания

Для газообразного  топлива определяется по формуле:

 
 
 

1.4 Температура горения топлива

Энтальпия продуктов сгорания:

где – химическая энтальпия продуктов сгорания:

где – недожог топлива, кДж/м³ ( =0% )

       – физическое тепло, вносимое воздухом и газом 

Из приложения 4 при t=400 ⁰С изобарная теплоемкость воздуха:

Сp = 1,328 кДж/(м³*К);

Тогда энтальпия  воздуха:

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выбираем для расчета температуру продуктов сгорания 500^о  
 

По  полученным значениям строим график зависимости энтальпии 1м³ продуктов сгорания от температуры (рис. 1)

     Графически  определяем, что i_общ =3558 кДж/м³ соответствует расчетная температура tрасч.=2150 ^oC

     Действительная  температура горения:

     

     где – опытный пирометрический коэффициент ( )

     

 

       
 
 
 
 
 
 
 

 

      2. Расчет теплообмена  в рабочем пространстве печи.

     2.1 Режим нагрева  заготовок.

     Расчет  нагрева заготовок проводится в  предположении:

• симметричного температурного поля в заготовке в зонах с двухсторонним обогревом;
• постоянной температуры газов в сварочной зоне.

2.2 Расчет внешнего теплообмена в рабочем пространстве печи.

Ширина рабочего пространства:

где n – число рядов заготовок

 – расстояние между рядами заготовок  или между торцами заготовок  и боковыми стенками печи, м.

 l – длина заготовки, м.

  Средняя высота рабочего пространства печи:

в сварочной  зоне – h_св = 2 м.

В методической зоне – h_мет = 1,5 м.

Площадь пода печи:

             

где L_св , L_мет.  – соответственно длины сварочной и методической зон., м.

Внутренняя  поверхность стен и свода:

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Суммарная поверхность кладки и металла, окружающих газовый объем:

 

Объем заполняемого газом рабочего пространства

 

Средняя эффективная  длина луча:

 

Парциальное давление газов:

 

 
 
 
 
 

Степень черноты газов  и в сварочной и методической зонах определяем по приложениям 5 и 6.

                                                   

 

Температура газов в сварочной зоне:

Средняя температура  газов в методической зоне:

температура уходящих газов

Степень черноты  продуктов сгорания:

где - поправочный коэффициент, определяем по приложению 7.

 

Угловой коэффициент излучения кладки на металл

 

Общая степень  черноты системы газ-кладка-металл:

в сварочной зоне: 

в методической зоне:

Приведенный коэффициент излучения от газов  и кладки металла:

2.3 Расчет нагрева  металла

Среднемассовая  конечная температура заготовки:

 где – заданный конечный перепад температур в заготовке

Удельный тепловой поток к поверхности металла в конце нагрева

где – коэффициент теплопроводности металла при

Определяем  из рис. 6:

2S – полная толщина металла, м.

                       Рис.2 Зависимость                   Рис.3  Зависимость

                                         

Расчетная температура  газов в сварочной зоне:

 

Коэффициент использования химической энергии топлива (КИТ) в сварочной зоне:

где – количество тепла, уносимого уходящими газами из сварочной зоны.

где – энтальпия продуктов сгорания, соответствующая температуре.

 – количество тепла излучаемого  из сварочной зоны в методическую.

 – удельный тепловой поток  излучения ( = 100 кВт/м²)

 – площадь поперечного  сечения рабочего пространства  на границе сварочной и методической  зон.

 

 

 

 – общая тепловая мощность  печи

 – удельный расход тепла  (b = 2500 кДж/кг)

G – производительность печи, кг/ч

  
 

КИТ в печи:

 – количество тепла уносимое  уходящими газами из печи

 – энтальпия продуктов  сгорания, соответствующая 

 

Изменение теплосодержания  металла в печи:

Изменение теплосодержания  металла вместе с образовавшейся окалиной:

  – угар металла, % ( =2%)

С_ок – теплоемкость окалины, С_ок = 1 кДж/(кг*К)

m = 1,38

 

Приращение теплосодержания металла в методической зоне:

 

Приращение  теплосодержания в сварочной  зоне:

Нагрев металла  в методической зоне

Удельный тепловой поток в начале зоны:

Удельный тепловой поток в конце зоны:

 – средняя температура  металла в конце методической  зоны, соответствующая: 

Из рис.5: Т_М1=400 К

Уравнение для  решается методом последовательных приближений: полагаем

 
 
 

Температура поверхности металла в конце  зоны:

Переход температур по сечению металла в конце  зоны:

Температура оси металла в конце зоны:

Средний тепловой поток в методической зоне:

Время нагрева  металла в методической зоне: 

Участок сварочной  зоны с монолитным подом. Время нагрева металла на этом участке:

 – длина монолитного пода ( = 5 м)

Критерий Фурье:

          Теплоемкость металла:

Коэффициент теплопроводности:

Из рис.6 источника 1

Критерий Био:

           Коэффициент теплоотдачи в конце нагрева:

Из приложения 9

 
 

Перепад температур в начале участка:

Удельный тепловой поток в начале участка:

 

          Температура поверхности металла при переходе на монолитный под:

Среднемассовая  температура металла:

 

           Температура на оси заготовки:

Участок сварочной  зоны с двухсторонним обогревом.

Средний тепловой поток на участке:

 , соответствующие t_М2 определяем по рис.5

 

Приращение  теплосодержания:

Время нагрева  на участке:

 
 

Общее время  нагрева:

 
 

Удельная продолжительность нагрева:

 
 

               2.4 Расчет основных размеров.

Емкость печи:

Длина активного  пода:

Длина методической зоны:

Длина сварочной  зоны с монолитным подом:

 

Длина сварочной  зоны с двухсторонним обогревом:

 

Площадь активного  пода:

Площадь полезного  пода:

               Напряженность активного пода:

Расстояние  между опорными трубами составляет 1000 мм. Смотровые и рабочие окна располагаются симметрично с  обеих сторон печи.

В сварочной  зоне на участке с двухсторонним обогревом располагается 28 смотровых окон;

а на участке с монолитным подом – 14 рабочих окон. Количество окон выбирается в зависимости от расстояния между осями окон, которое принимается для рабочих окон 1250 мм, для смотровых окон – 1700 мм.

      Общая площадь окон в сварочной зоне:

в методической зоне располагается 2 смотровых окна. Расстояние между осями 1,8 м.

      Общая площадь окон в методической зоне:

 

Размеры торцевых окон посада и выдачи:

 – высота окна, м

 
 

 

3. Тепловой баланс  печи:

Приход тепла:

1. Тепло горения топлива:

где В –  расход топлива, кг/с

2. Тепло, внесенное  подогретым воздухом и топливом (газом):

3. Тепло, выделившееся при окислении железа:

 

               Расход тепла.

1. Полезное тепло на нагрев металла:

 
 
 

2. Потери  тепла с уходящими газами:

3. Потери  тепла теплопроводностью:

где – средняя температура внутренней поверхности кладки, ^оС

       – температура окружающего воздуха, ^оС

      и – соответственно толщина огнеупорной кладки и изоляции, м.

        и – соответственно коэффициенты теплопроводности огнеупорной кладки и изоляции, Вт/м*К 

 – коэффициенты конвективной теплоотдачи  от стенок и окружающего воздуха. ( )

 – площадь поверхности  кладки, м².

Потери тепла  теплопроводностью определяются как  сумма потерь свода и стен сварочной  и методической зон:

Средняя температура  внутренней поверхности кладки t_кл определяется следующим образом:

 

                   Безразмерные температуры: 

Методическая  зона:

Средняя температура  поверхности металла6

 
 
 
 

                   Средняя температура газов в методической зоне:

Безразмерные температуры:

 

Тепловые  потери через свод в сварочной  зоне.

Температура на границе слоев огнеупора и  изоляции.

Средняя температура  слоя огнеупора:

Средняя температура  слоя изоляции:

 

Коэффициенты  теплопроводности динаса:

 

Коэффициенты  теплопроводности изоляции:

 

                     Потери тепла теплопроводностью

где

Температура на границе слоев огнеупора изоляции: