Расчет дымового тракта

 

  

                                            АННОТАЦИЯ

С. 43, рис. 7, табл. 6, прил. 1, библ. 8 назв.

    В данной работе представлен расчет  методической печи с двусторонним обогревом.

    Графическая часть, продольный разрез методической печи выполнена на одном листе формата А4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

1. Расчёт горения топлива…………………………………………………………5
2. Расчёт нагрева металла……………………………………………………..…..10
1. Расчёт основных размеров рабочей камеры и

параметров  внешнего теплообмена…………………………………….…….10

2. 1-я ступень нагрева – методическая зона ……………………………..…10

     2.3. 2-я ступень нагрева – сварочная зона …………………………….……..13

2.4. 3-я ступень нагрева – томильная зона..……………………………….…16

3. Тепловой баланс методической печи….……………………………………..18
4. Выбор горелочных устройств …….……………………….…………………29
5. Расчёт керамического рекуператора …………………………………………32
6. Расчет  газового, воздушного и дымового

трактов нагревательных печей………………...………………………………...38

_{7. Расчет дымовой трубы…………………………………………………40}

Библиографический список….………….…….………………………………….42

Приложения………………………..………….…….…………………………….43

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Расчёт горения топлива

Производим расчет горения смеси коксо-доменного газа с теплотой сгорания Q^p_н=8350 кДж/м³  в нагревательном колодце для нагрева слитков до 1225^оС.

Из справочной литературы берем состав сухих газов.

Таблица 1

Состав  сухих газов,%

Газ	Н2	СО	СО2	С2Н4	N2	О2	СН4	Всего
доменный	3,3	27,4	10,0	-	58,4	-	0,9	100
коксовый	50,8	5,4	2,3	1,7	12,3	1,0	26,5	100

 

Принимаем влажность газов:

• доменного W=30 г/м³,
•    коксового W=30 г/м³.

Определяем  содержание влаги во влажном газе:

доменном 

Н₂О=100×30/(803,6+ 30)=3,6 %,

коксовом 

Н₂О=100×30/(803,6+ 30)=3,6 %,

       Пересчитаем состав сухих газов на влажные:

-доменный газ

Содержание  H₂ во влажном газе:

=3,18 %.

Аналогично  находим содержание других компонентов  во влажном доменном газе.

                                                                                                                 Таблица 2

Химический  состав влажного доменного газа, %:

Состав	СО2	СО	СH4	C2H4	H2	N2	О2	H2O	Всего
Доменный	9,64	26,41	0,87	-	3,18	56,3	-	3,6	100
Коксовый	2,21	5,21	25,55	1,64	48,97	11,86	0,96	3,6	100

 

Определяем  низшую теплоту сгорания газов:

• доменного

Q_н^Р=126,45×СО+107,6×Н₂+358×СН₄=3993,17 кДж/м³

• коксового

Q_н^Р=358×СН₄+590,37× С₂Н₄+126,45×СО+107,6×Н₂=16043,08 кДж/м³

Находим долю доменного газа в смеси:

=0,639

Доля природного газа (1- )=0,361.

Определяем  состав смеси влажного газа:

Х= ×Х₁+(1- )×Х₂,

где Х₁-содержание данного компонента (например СО₂,% ) в доменном газе;

       Х₂-то же, в коксовом газе.

Находим содержание СО₂ в смешанном газе:

=0,639×9,64+2,21×0,361=6,96 %

Аналогично определяем содержание других компонентов смешанного газа и получаем его состав, %:

                                                                                                                 Таблица 3

СО2	СО	СH4	C2H4	H2	N2	О2	H2O	Всего
6,96	18,75	9,78	0,59	19,71	40,26	0,35	3,6	100

 

       Для проверки точности расчета определяем теплоту сгорания смешанного газа:

Q_н^Р=126,45×СО+107,6×Н₂+358×СН₄+590,37×С₂Н₄=8341,3кДж/м³

Определяем ошибку теплоты сгорания:

dQ= ×100=8,7/8350 =0,1 %<0,5%.

Разность между расчетной  и заданной теплотой сгорания смешанного газа не превышает ± 0,5 %.

Табличным способом рассчитываем удельное теоретическое количество воздуха и продуктов горения (табл. 2)

Таблица 4

Расчет  горения топлива

Участвуют в горении							Образуются при горении газообразных продуктов
Топливо				Воздух
Сос- тав	Содер жание %	Кол- во, м3	Реакции горения	О2, м3	N2, м3	Все го м3	СО2, м3	Н2О, м3	N2, м3	Всего м3
Н2	19,71	19,71	Н2+0,5О2=Н2О	9,86	40,21*3,76=151,19	40,21+151,19=191,4	-	19,71		19,71
СО	18,75	18,75	СО+0,5О2= СО2	9,37			18,75	-		18,75
СН4	9,78	9,78	СН4+2О2=СО2+2Н2О	19,56			9,78	19,56		29,34
СО2	6,96	6,96	-				6,96	-		6,96
N2	40,26	40,26	-				-	-	40,26	40,26
С2Н4	0,59	0,59	С2Н4+3О2=2СО2+2Н2О	1,77			1,18	1,18		2,36
О2	0,35	0,35	-	-0,35			-	-	151,19	151,19
Н2О	3,6	3,6	-				-	3,6		3,6
Всего	100	100		40,21	151,19	191,4	36,67	44,05	191,45	272,17
На 1 м3 газа				0,40	1,51	1,91	0,37	0,44	1,91	2,72

 

      Используя данные табл.2, определяем удельное действительное количество воздуха, количество и состав продуктов горения для принятого коэффициента расхода воздуха a=1,15.

Удельное количество воздуха:

V_В=V_В⁰+(a-1)× V_В⁰=1,91+0,2865=2,20 м³/м³

        Удельное количество продуктов горения:

V_п= V_п⁰+(a-1)×V_В⁰=2,72+0,15×1,91=3,01 м³/м³.

Удельное  количество азота:

V_N= V_N⁰+(a-1)×V_NВ⁰=1,91+0,227=2,14 м³/м³.

Удельное  количество кислорода:

V_О= (a-1)×V_ОВ⁰=0,06 м³/м³.

Удельное  количество других компонентов продуктов  горения (табл. 2):

=0,37 м³/м³ , =0,44 м³/м³.

Состав  продуктов горения:

СО₂= /V_п×100%=12,29%,

N₂=V_N2/V_п×100%=71,1%,

Н₂О= /V_п×100%=14,62%,

О₂=V_О2/ V_п×100%=1,99%.

Плотность смешанного газа:

+    +M_H2O×Н₂О/(100×22,4)=1,003 кг/м³.

Плотность продуктов горения:     

=1,276 кг/м³.

r_во=1,293 кг/м³  -  плотность воздуха.

Точность  расчета проверяем составлением материального баланса горения  на 1 м³ газа.

Поступило:

- газа              r_ГО×V_Г = 1,003×1=1,003 кг;

- воздуха        r_во×V_В = 2,20×1,293=2,845 кг.

Итого:    М_у =3,848 кг.

Получено  продуктов сгорания:

               М_п =r_по×V_п = 3,01×1,276=3,841 кг.

Баланс  выполнен, если невязка меньше 0,5%:

.

Расчет  калориметрической температуры  горения.

Энтальпия продуктов горения:

i_п=Q^p_н/V_п=8341,3/3,01=2771,2 кДж/м³.

Предварительно  принимаем температуру t_к^’=1600°C и находим энтальпию продуктов горения:

 

        i’_п =(3815,86×12,29+2979,13×14,62

+2328,65×71,10+2463,97×1,99)×10^-2=2609,22 кДж/м³.

Так как i’_п < i_п, то действительная калориметрическая температура горения больше 1600°C.

        Повторно принимаем  t_к^”=1700°C.

Энтальпия продуктов горения при t_к^”=1700°C:

        i”_п=(4087,10×12,29+3203,05×14,62+2486,28×71,10+2632,09×1,99)×10^-2=2790,7 кДж/м³.

Имеем     i’_п<i_n<i”_п, следовательно, t_к^’ < t_к < t_к^”.

        Интерполяцией находим:

Требуемая калориметрическая температура:

=(1230+120)/0,70=1929°С,

где t_М=1230 – температура нагрева сляба,

       Dt=120 – т.к. методическая печь с трех ступенчатым режимом нагрева,

       h=0,70 – т.к. методическая печь.

Т.к. t_k < t_k^min , то необходим подогрев воздуха.

Энтальпию продуктов горения при  t_k^min=1929°С находим экстраполяцией:

       

Определяем  минимальную необходимую температуру  подогрева воздуха:

       

        

Следовательно, для получения температуры печи равной 1350°С температура подогрева воздуха должна быть не ниже  447 °С.

 

                                  

                                      2. Расчёт нагрева металла

 

2.1 Расчёт основных размеров рабочей  камеры и параметров

теплообмена. 

Размеры нагреваемого сляба: d×B×l=230´1000´9500 (мм).

Посад холодный, температура нагрева Ме – 1230 °С.

Производительность  печи: 115 т/ч.

Состав  стали: С=0,12%; Si=0,1%; Mn=0,3 %.

Теплопроводность  углеродистой стали при 0°С:

     l=70-10,1×С-16,8×Mn-33,8×Si=70-10,1×0,12-16,8×0,3-33,8×0,1=60,37 Вт/(м²×К).

Метод нагрева  в печи принимается двусторонний. Коэффициент несимметричности нагрева m=0,55 при двустороннем нагреве на поду из водо-охлаждаемых труб. Подогреваемая толщина изделия:

S=m×d=0,55×0,23= 0,1265 м.

Максимальная  рабочая температура газов (печи) - t_п=1350°С.     

 

2. 1-я ступень нагрева – методическая зона.

 

Начальные температуры металла: поверхности  t_пм=0°С

                                                           середины      t_см=0°С .

Конечная  температура середины заготовки  – t_ск=600°С .

 Разность температур между поверхностью и серединой заготовки (700-800)×S принимаем равной 101,2°С. Тогда конечная температура поверхности заготовки – t_мк=701,2°С. Средняя теплопроводность металла в процессе нагрева данной ступени: l=0,88735×60.37=53,57 Вт/(м²×К).

Конечная  средняя по массе температура  металла: 

`t_к=( t_ск+ t_мк)/2=(600+701,2)/2=650,6°С.

Конечное теплосодержание металла при 650°С принимаю:

Средняя теплоемкость металла от начальной  температуры 0°С до конечной 650°С:

.

Средний коэффициент температуропроводности металла:

а_ср=l/(С×r)=53,57/(0,582×10³×7800)=11,8×10^-6 м²/с.

На основе анализа рекомендуемых чертежей принимаем высоту свободного пространства над металлом H₀=1 м.

     Эффективная длина луча:

Произведение  эффективной длины на парциальное  давление излучающих газов:

                 

              

При температуре  печи (газов) 1150°С степень черноты а поправка для

Степень черноты газов:

          

а степень  черноты металла принимается e_м=0,8.

Степень развития кладки:

Приведённый коэффициент излучения:

 

где С₀=5,7–коэффициент излучения абсолютно чёрного тела.

Начальное значение коэффициента теплоотдачи  излучением (при t₀=1000°C, t_п=0°C) и конечное значение - (при t₀=1350°C, t_п=701,2°C) рассчитываем соответственно по формулам:

Среднее значение коэффициента теплоотдачи  излучением вычисляем по формуле:

.

Коэффициента  теплоотдачи конвекцией принимается a_КОН =12 Вт/(м²×К).

Суммарное значение коэффициента теплоотдачи:

.

Определяем  критерий БИО по формуле:

.

Температурный критерий для середины заготовки:

.

По графикам Д.В. Будрина [2,прил.5] для Bi=0,3 и q=0,49; критерий Фурье равен Fo=2,7.

Время нагрева  металла в методической зоне печи определяется как:

  .

При значениях  Bi=0,3 и Fo=2,7 по графику Д.В. Будрина для поверхности пластины [2,прил.5] температурный критерий q_п=0,44. Откуда:

=1175-1175×0,44=658°С.

Ранее была принята  =701,2°С. Расхождения между принятой и полученной температурами составляет 43,2°С, и оно не может отразиться на результатах расчета.

 

2.3  2-я ступень нагрева  – сварочная зона.

Температура металла начальная:

     t_cн=600°С  и  t_пн=658°С, t_м=1230°С .

     Конечная температура середины металла - t_cк=1180°С.

Средняя температура металла по массе  и времени:

Средняя теплопроводность металла:

l₉₁₇=0,68×l₀=0,68×60,37=41,05 Вт/(м²×К).

Начальная средняя по массе температура  металла:

t_cр=(600+658)/2=629°С.

Начальное теплосодержание металла при 629°С [2, прил.3]:

.

 

Конечная  средняя по массе температура  металла:

t_cр=(1230+1180)/2=1205°С.

Конечное  теплосодержание металла при 1205°С [2, прил.3]:

.

Средняя теплоемкость металла от начальной температуры 629°С до конечной 1205°С:

.

Средний коэффициент температуропроводности металла:

а_ср=l/(С×r)=41,05/(0,85×10³×7800)=6,19×10^-6 м²/с.

     Эффективная длина луча:

Произведение  эффективной длины на парциальное  давление излучающих газов:

                 

              

При температуре печи (газов) 1350°С степень черноты а поправка для - [2,прил. 4].

Степень черноты газов:

          

а степень  черноты металла принимается e_м=0,8.

Степень развития кладки:

Приведённый коэффициент излучения:

где С₀=5,7–коэффициент излучения абсолютно чёрного тела.

Начальное значение коэффициента теплоотдачи  излучением (при t₀=1350°C, t_п=658°C) и конечное значение - (при t₀=1350°C, t_п=1230°C) рассчитываем соответственно по формулам:

Среднее значение коэффициента теплоотдачи  излучением вычисляем по формуле:

.

Коэффициента  теплоотдачи конвекцией принимается a_КОН =12 Вт/(м²×К).

Суммарное значение коэффициента теплоотдачи:

.

Определяем  критерий БИО по формуле:

.

Температурный критерий для поверхности заготовки:

По графикам Д.В. Будрина [2,прил.7] для Bi=0,93 и q=0,173; критерий Фурье равен Fo=2,1.

Время нагрева  металла в сварочной зоне печи определяется как:

  .

При значениях  Bi=1,03 и Fo=2,1 по графику Д.В. Будрина для поверхности пластины [2,прил.6] температурный критерий для середины заготовки q_с=0,16. Откуда:

=1350-1350×0,16=1135°С.

Ранее была принята  =1180°С. Расхождения между принятой и полученной температурами составляет 45°С, и оно не может отразиться на результатах расчета.

При нагреве  заготовок перепад температур по толщине заготовки принимаем Dt_м=(250¸300)×S=(31,625¸37,95)°C, выбираем Dt_мк=35°C.

2.4  3-я ступень нагрева  – томильная зона.

 

Температуры металла:

- начальные   t_мн=1230°С  , t_cн=1135°С;

- конечные    t_мк=1230°С  , t_cк=1170°С. 

Средняя температура металла по массе  и времени:

Средняя теплопроводность металла:

l₁₁₉₁=0,73×l₀=0,73×60,37=43,94 Вт/(м²×К).

Начальная средняя по массе температура  металла:

t_cр=(1230+1135)/2=1182,5 °С.

Конечная  средняя по массе температура  металла:

t_cр=(1230+1170)/2=1200 °С.

Полученные температуры мало отличаются между собой, так что теплоемкость от 1182,5°С до 1200°С можно принимать равной теплоемкости от 0 до 1182,5°С.

Теплосодержание стали при 1182,5°С [2,прил.3]:

  .

Средняя теплоемкость металла от 0 до 1191,5°С:

.

Средний коэффициент температуропроводности металла:

 а_ср=l₁₁₉₉/(С×r)=43,94 /(0,707×10³×7800)= 7,9×10^-6 м²/с.

Степень выравнивания температур:

,

где = t_МН – t_СН=1230 –1135= 95°С.

По графику [2,прил.6] для коэффициента несимметричности нагрева m = 0,55 находим критерий Fo по формуле:

.

Продолжительность выдержки металла в томильной  зоне:

.

Общее время нагрева металла  в печи:

St=t₁+t₂+t₃=1,02+1,51+0,51=3,04 ч

Определяем  расчетную активную длину пода:

 

Принимаем возможное  искривление заготовок:

Тогда активная длина пода:

 

Площадь активного  пода:

S_акт=L_акт∙l=21,4∙9,5=203,3 м². 

Напряжение  активного пода:

 

Скорость  нагрева слябов: ν=  

Толщина торцевой стороны со стороны загрузки принимается  0,6 м.

Проталкиваемая  длина пода при торцевой загрузке:

L_акт+0,6=L_стр=21,4+0,6=22 м.

 < 200 - следовательно, под может быть горизонтальным.

Определение активной длины пода по зонам:

методическая  – L_м= L×t₁/St=21,4×1,02/3,04=7,18 м;

сварочная – L_св=10,63 м;

томильная – L_т=3,59 м.

Общая длина  пода – ΣL=7,18+10,63+3,59=21,4 м.

 

 

 

Рис.1. Изменение температуры по зонам в печи

 

3. Тепловой баланс методической печи

 

Приход тепла.

1)Определим химическое тепло  топлива:

_{где В (м³/с) – расход газа подаваемого па печь.}

     2)Физическое тепло воздуха:

где i_В – энтальпия воздуха при t_В=450 ^оС [3. стр.37].

     3)Тепло экзотермических реакций:

где а=0,012 – доля окисленного металла [4. стр.8];

       5650 – тепловой эффект окисления  1 кг железа, [3. стр.8];

       G=115 т/ч – производительность печи.

     Общий приход тепла:

    Расход тепла.

     1) Расход тепла на нагрев металла:

где i_к=836,1(кДж/кг) и i_н=0(кДж/кг)  - энтальпия металла в конце и начале нагрева.

2) Потери тепла на нагрев окалины:

где m – количество окалины от окисления 1 кг железа, m=1,38

      С₀ – теплоёмкость окалины, С₀=1    

       t_м=1230 (К) и t_н - температура окалины, принимается равной температуре поверхности металла соответственно в начале и конце нагрева.

     3) Потери тепла с уходящими  газами:

Энтальпия уходящих газов при 1000 ^оС :

4)Потери тепла через кладку теплопроводностью.

Стены печи двухслойные выполненные:

• внутренний слой – ША h=348 мм;
• внешний – диатомитовый кирпич h=116 мм.

            Под печи трехслойный:

• первый (внутренний) слой – хромомагнезитовый кирпич h=180 мм;
• второй (рабочий) слой – ШБ (шамотный кирпич класса Б) h=210 мм;
• третий слой – Д-500 теплоизоляционный диатомитовый кирпич h=140 мм.

Свод печи однослойный выполнен из каолинового кирпича: ША= 300 мм.

     Формулы для расчёта теплопроводности  материалов кладки:

     Шамотный кирпич ША:

     Хромомагнезитовый кирпич:

     Шамотный кирпич ШБ :

     Диатомовый кирпич Д-500:

Каолиновый кирпич:

где - средняя по толщине температура слоя.

     а)Расчет стены печи:

 

                                     Рис.2. Потери через кладку стен.

   

     Расчёт ведётся методом последовательных  приближений.

     Первое приближение.

     Предварительно находим тепловое  сопротивление кладки при температуре  ,где - на границе слоев (ШБ) и - наружных слоев.

     Тепловое сопротивление слоя:

     Принимаем коэффициент теплоотдачи  равным a₀=15, .

     Внешнее тепловое сопротивление:

     Общее тепловое сопротивление:

     Плотность теплового потока при  t_п=1350^оС и t_в=30^оС:

Так как разница между предыдущим и полученным значениями

q> 5%,расчет необходимо повторить.

     Второе приближение.

Находим температуру на границах слоев кладки:

      Средняя температура слоя:

 

      Теплопроводность слоя:

     Тепловое сопротивления слоя:

     Коэффициент теплоотдачи:

     Внешнее тепловое сопротивление:

     Общее тепловое сопротивление:

     Плотность теплового потока при  t_к=1350^оС и t_в=30^оС:

Так как  разница между предыдущим и полученным значениями q > 5%, расчет

необходимо повторить: dq=|q¢-q₀|/ q¢×100%=(1356,6-909,7)/1356,6×100%=32,89%.

     Третье приближение.

     Этот расчёт выполняется по  аналогии с предыдущим, поэтому  приведём только его результаты:

t¢=938,94 ^оС; t_н=135,82 ^оС; `t<sub>1</sub>= 1144,47 <sup>о</sup>C; `t₂=537,38 ^оC;

R₁=0,304 (м²×К)/Вт;                      R₂=0,592 (м²×К)/Вт;

a=15,98 Вт/(м²×К);                       R_в =0,0626 (м²×К)/Вт;

R₀=0,959 (м²×К)/Вт;                      q²=1376,4

     Так как разность q¢ и q² меньше ±5%, пересчёта не требуется.

Так как сварочная  зона имеет верхнее и нижнее отопление, то высота стен этой зоны принимается  в 2 раза больше принятой для расчёта  внешнего теплообмена.

     Расчётная поверхность кладки  стен сварочной зоны:

где S_п – толщина кладки пода, м;

      S_ст – толщина стенки, м;

     H^т_ст – высота торцевых стенок,м.

     Расчётная поверхность кладки  стен томильной зоны:

где S_п – толщина пода томильной зоны, м;

       S_с – толщина свода, м.

    Расчётная  поверхность кладки стен методической зоны:

                

     Потери тепла через кладку  стен сварочной и томильной  зон:

            

     Расчёт проводим методом последовательного  приближения аналогично расчёту  потерь через кладку стен, поэтому приведём только результаты расчёта: t_н=247,4 ^оС, q=3243 .

Расчётная поверхность свода:

      Потери тепла через  свод: