Расчет горения топлива. 2
Введение
При ОМД желательно, чтобы обрабатываемый металл обладал наибольшей пластичностью и наименьшим сопротивлением деформированию. Такое состояние материала позволяют обеспечить максимальные разовые деформации, Значительно уменьшающие расход механической энергии на обработку или выполнение данной операции. Такое состояние материала можно обеспечить нагревом. Нагрев – это самостоятельная часть общего технологического процесса КШП. От правильности проведения технологического процесса нагрева зависит качество получаемых изделий в соответствии требуемым свойствам и заданным характеристикам, а также производительность КШО и себестоимость отштампованных деталей.
Нагрев – это технологический процесс или часть технологического процесса, при котором происходит повышение температуры всего объема тела за счет подведения тепловой энергии к нему либо за счет превращения других видов энергии в тепловую внутри нагреваемого тела.
В процессе нагрева металлов и сплавов происходит ряд нежелательных явлений, незнание которых приводит к получению некачественных поковок, штамповок:
- перегрев;
- пережег;
- окисление;
- обезуглераживание;
- образование трещин.
Перегрев является устранимым браком нагрева и устраняется за счет проковки металла (нанесение ряда сильных ударов) либо одним из видов термической обработки. Пережег неустранимый брак.
При нагреве металла на поверхности образуется тонкая пленка окалины, т.е.
окислов железа. Окисление – это химический процесс взаимодействия окисляющихся газов находящихся в продуктах сгорания с поверхностью металла.
В процессе нагрева происходит и обезуглероживание, т.е. выгорание углерода. Окисление и обезуглероживание протекает одновременно и определенной скоростью.
Трещины образуются из-за того, что по сечению возможен большой перепад температур. Различное удлинение приводит к появлению термических напряжений. Если напряжения превысят предел прочности, появляются трещины.
Существуют три основных вида нагрева:
- косвенный;
- прямой;
- комбинированный.
Сущность косвенного нагрева состоит в том, что нагреваемая заготовка помещается в среду, имеющая температуру среды больше чем температура заготовки. В последующем под температурой среды будем понимать температуру печного пространства. Температура печного пространства больше температуры металла. Недостатком этого вида нагрева является сильное химическое взаимодействие среды с металлом.
Сущность прямого нагрева заключается в том, что тепловая энергия выделяется внутри нагреваемой заготовки, в каждом ее элементарном объеме. Видом такого нагрева является электроконтактный нагрев. Этот нагрев очень быстрый, следовательно, окисление меньше.
Примером комбинированного нагрева является индукционный нагрев заготовок.
Сущность индукционного нагрева заключается
в том, что металлическая заготовка, помещенная
в переменное магнитное поле, нагревается
за счет джоулева тепла, возникающего
в ней вследствие индуктированных вихревых
токов. В качестве источников переменного
магнитного поля при индукционном нагреве
применяются устройства, называемые индукторами.
Индуктор является по существу соленоидом, по которому пропускается переменный ток. Внутрь индуктора помещается нагреваемая заготовка, выполняющая роль сердечника. При пропускании по обмотке индуктора переменного тока возникает магнитное поле индукции, под влиянием которого в заготовке индуктируются вихревые токи (токи Фуко), которые, замыкаясь в плоскостях, перпендикулярных вектору магнитной индукции, вызывают нагрев заготовки.
Сущность заключается в том, что все необходимое для нагрева заготовки тепло возникает в самой заготовке. Это обстоятельство выгодно отличает метод индукционного нагрева от других методов, позволяя увеличить скорость шифона и том самым резко сократить потери за счет лучеиспускания.
Другими положительными факторами, выгодно отличающими метод индукционного нагрева, являются:
- почти полное отсутствие окалины, обеспечивающее экономию металла и внедрение в практику прогрессивных технологических процессов обработки металла давлением;
- стабильность режима нагрева, позволяющая автоматизировать процессы нагрева заготовок и последующую их обработку;
- отсутствие обезуглероживания поверхностей нагреваемых заготовок и сохранение механических свойств металла;
- уменьшение необходимой производственной площади и значительное облегчение труда рабочих-кузнецов;
- высокая скорость нагрева, позволяющая в значительной степени повышать производительность нагревательных устройств и связывать их работу непрерывным циклом с ковочными, прокатными и другими механизмами.
К недостатку индукционного нагрева следует отнести необходимость преобразования электрического тока, что приводит к значительным потерям энергии (до 30%).
Методические толкательные печи до самого последнего времени удовлетворяли требованиям по производительности и удельному расходу тепла. Тепловой и температурный режим методических печей неизменны во времени. Вместе с тем температура в печах значительно меняется по длине печи. Характер изменения температуры по длине определяется числом и назначением ее зон. Металл поступает в зону наиболее низких температур и, продвигаясь навстречу дымовым газам, температура которых все время повышается, постепенно (методически) нагревается. Методические печи по числу зон нагрева металла могут быть двух-, трехзонными с односторонним и двусторонним нагревом металла. Рассмотрим назначение зон на примере трехзонной печи.
Методическая зона – первая (по ходу металла), с изменяющейся по длине температурой. В этой зоне металл постепенно подогревается до поступления в зону высоких температур (сварочную). Находящиеся в состоянии теплообмена дымовые газы и металл движутся навстречу друг другу. Металл нагревается дымовыми газами, т.е. утилизирует тепло дымовых газов, отходящих из зоны высоких температур. Общее падение температуры дымовых газов в методической зоне весь значительно. Обычно в зоне высоких температур методических печей температура газов держится на уровне 800-900 0С, в конце же методической зоны она находится в пределах 900-1100 0С. Методическая зона значительно увеличивает коэффициент использования топлива.
Зона высоких температур или сварочная – вторая по ходу металла. В этой зоне осуществляется быстрый нагрев поверхности заготовок до конечной температуры. Температура нагрева в методических печах составляет 1100-1200 0С. Для интенсивного нагрева поверхности металла до этих температур в сварочной зоне необходимо обеспечить температуру на 150-250 0С выше, т.е. температура газов в сварочной зоне должна быть 1200-1300 0С.
Томильная зона (зона выдержки) – третья по ходу металла. Она служит для выравнивания температуры по сечению металла.
Подобный трехступенчатый режим нагрева необходим в тех случаях, когда
нагревают заготовки, в которых может возникнуть значительный перепад температур по толщине (более 200 0С на 1 м толщины металла).
В ряде случаев при нагреве тонких заготовок нет необходимости делать выдержку для выравнивания температур по сечению, т.к. возникший перепад температур небольшой. Томильную зону при этом не предусматривают и применяют двухзонные полуметодические печи – с методической и сварочной зонами.
Общий вид методической печи приведен
на рис. 1. Нагреваемый
металл 1 толкателем 2 перемеща
Рисунок-1 Общий вид и разрез методической печи
Таблица 1.1 – Состав газообразного топлива Елшанского месторождения
Объемный состав, % | ||||||
CH4 |
C2H6 |
C3H8 |
C4H10 |
CmHn |
CO2 |
N2 |
93,2 |
0,7 |
0,6 |
0,6 |
0,5 |
0 |
4,4 |
Расчет горения топлива
По заданию данной курсовой работы требуется произвести расчет камерной печи со стационарным подом.
Для расчета горения топлива пересчитаем составляющие газообразного топлива на рабочую массу
По таблице 3.4[1] влагосодержание воздуха, при температуре 20˚С, давлении 101,325 кН/м2 соответственно равно Wc=18,9 г/м3. Отсюда содержание влаги по объему определяется по формуле[1]
Зная влагосодержание воздуха, найдем коэффициент пересчета по формуле[1]
Отсюда
H2Op
Определяем расход кислорода на горение природного газа по формуле[1]
=0.01[0,5*3(m+ )* ]=0.01*[(1+ )*91.05+(2+ )*0,683+(3+
+
)*0.6+(4+
)*0.586+(2+
)*0]=1.943
Определяем теоретический
=(1+k)* = (1+3.762)*1.943=9.248 (2.4)
Для определения действительно необходимого количества воздуха для полного сжигания топлива необходимо учесть коэффициент избытка воздуха αв =1.2 [1]
= αв*
=1,25*9,24=11,56
Определяем объем продуктов горения по формулам [1]
0,01*(1*91,05+4*0,683+3*0,586+
=0,01*[2*91,05+5*0,683+4*0,
0,01*4,4+3.76*1,943=7,35 (2.8)
Определяем теоретический объем продуктов горения, при αв =1,2 [1]
0,988+1,94+7,35=10,278 (2.9)
Определяем действительный объем продуктов горения [1]
10,278+(1,25-1)*1,943+0,977=
11,74
Определяем состав продуктов горения [1]
(1,94/11,74)*100%=16,5%
3,762*(1,25-1)*1,943=1,82 (2.12)
[(7,35+1,82)/11,74]*100%=78.1%
0.48 (2.14)
4% (2.15)
Плотность продуктов полного горения определяется по формуле [1]
=1.33
Расчет горения топлива основан на вычислении
объема воздуха, необходимого для горения
того или иного элемента, и вычисления
объема продуктов горения, с последующим
составлением материального баланса.[1]
Горение это есть процесс окисления, ниже
представлены формулы для процесса окисления
различных составляющих газообразного
топлива[1]
CH4+2O2=CO2+2H20+Q;
C2H4+3O2=2CO2+5H20+Q;
C2H6+3.5O2=2CO2+4H20+Q;
C3H8+5O2=3CO2+5H20+Q;
C4H10+6.5O2=4CO2+5H20+Q;
Исходя из этих формул произведем расчет
полного горения топлива.
Таблица 2.2 – Расход воздуха, состав и
количество продуктов сгорания газообразного
топлива Усть-Вилюйского месторождения
Участвуют в горении |
Продукты горения, м3 | |||||||
Смешанный газ |
Воздух, м3 | |||||||
Состав |
Содержание, % (м3) |
O2 |
N2 |
Всего |
CO2 |
H2O |
N2 |
Всего |
CH4 |
91,05 |
182,1 |
193,3*3,762=726,8 |
726,8+193,3=920,1 |
91.05 |
182.1 |
726.8 (из воздуха) |
- |
C4H10 |
0.683 |
4,44 |
2,73 |
3,42 |
- |
- | ||
C2H4 |
0,488 |
1,46 |
0,977 |
0,977 |
- |
- | ||
C3H8 |
0.586 |
2,9 |
1,75 |
2,34 |
- |
- | ||
C2H6 |
0,6839 |
2,4 |
1,952 |
2,44 |
- |
- | ||
N2 |
4,298 |
- |
- |
- |
4,298 |
- | ||
CO2 |
0 |
- |
0 |
- |
- |
- | ||
H2O |
2.3 |
- |
- |
2,3 |
- |
- | ||
Суммарное содержание, м3(%) |
193,3 |
726,8 |
920,1 |
96,5 |
191,1 |
731,1 |
1018,7 | |
αв=1 | ||||||||
αв=1,25 |
241,62 |
1077 |
1150,1 |
120,6 |
238,87 |
913,87 |
1273,37 | |
Примечание: суммарное содержание кислорода в продуктах сгорания при αв=1,25 составляет 241,62 .
Правильность расчета проверяем составлением материального баланса при αв=1,25[1]
Поcтупило
Газ 100 м3;
В том числе:
CH4=91,05*0,716=65,19 кг;
C2H6=0,68*1,339=0,91 кг;
C3H8=0,586*1,967=1,15 кг;
C4H10=0,683*2,59=1,76 кг;
C2H4=0,488*1,25=0,61 кг;
N2=4,29*1,25=5,36 кг;
Воздух :
O2=241,62*1,428=345 кг;
N2=1077*1,25=1346,25 кг;
Всего: 1691,25 кг.
Получено:
H2O=238,87*0,804=192 кг;
O2=241,62*1,428=345 кг;
N2=913.87*1,25=1142.33 кг;
Всего: 1679,36 кг.
Расхождение, определяемое погрешностью расчета[1]
, что допустимо.
Определим низшую теплоту сгорания по формуле[1]
,(2.18)
где CO, H2 и т.д. – процентное содержание соответствующих компонентов в топливе, %;
– сумма произведений теплот сгорания непредельных углеводородов (Q) ( табл. 3.5 [1]) на их процентное содержание в газе (CmHn).
Отсюда низшая теплота сгорания
После расчета полного горения топлива, вычисляем калориметрическую и действительную температуру в камере дожигания, которая, также будет и в рабочей камере печи.[1]
Рассчитаем начальную энтальпию продуктов полного горения[1]
(2.19)
где – низшая теплота сгорания, кДж/м3;
– объем продуктов полного горения, м3/м3(таблица 2.2);
(2.20)
Задаемся и вычисляем энтальпии продуктов горения, при заданной температуре[1].
(2.21)
где – энтальпия газов при заданной , кДж/м3;
– количество продуктов горения(таблица2.2)[1], %/100;
Т.к. энтальпия продуктов горения меньше, чем начальная энтальпия продуктов горения, делаем вывод, что искомая калориметрическая температура выше чем. Задаемся и проводим расчет, аналогичный предыдущему[1]
Т.к. энтальпия продуктов горения больше, чем начальная энтальпия продуктов горения, делаем вывод, что искомая калориметрическая температура находится в пределах (1900-2000)˚С и соответственно равна[1]
Пирометрический коэффициент ηпир для камерной печи находится в пределах 0,75-0,85. Отсюда вычислим действительную температуру печи, которая обеспечивается данныи газообразным топливом[1]
(2.22)
Как уже рассматривалось ранее, температура начала ковки для Стали 30 равна 1300˚С, отсюда найдем требуемую температуру печного пространства[1]
(2.23)
где – температура начала ковки заданной стали[1];
– перепад температур, характеризующий скорость нагрева металла, при обычном режиме нагрева металла
Сравнивая действительную температуру с требуемой делаем вывод, что газообразное топливо годно (tтреб.=tп).
3 Выбор параметров нагрева и их расчет
Расчет параметров нагрева сводится к определению температуры металла в конце нагрева, времени основного нагрева, построению температурного графика нагрева, расчету интенсивности внешнего теплообмена в зонах рабочего пространства печи.
3.1 Расчет продолжительности нагрева заготовок
Для проведения расчетов нагрева необходимо знать теплофизические свойства нагреваемого тела:[1]
λ - коэффициент теплопроводности, Вт/м*˚С;
c – теплоемкость, кДж/кг*˚С;
ρ – плотность, кг/м3;
a – коэффициент
температуропроводности, м2/с.
Значения этих коэффициентов приведены
в таблице 4.1 пособия[1].
Предварительно определяем суммарный коэффициент теплоотдачи[1]
где – температура печного пространства, К ;
Тп = tтреб + 273 = 1400 + 273 = 1673К;
С помощью критерия Bi(Био) определим категорию массивности заготовки[1]
где S – расчетная толщина заготовки и равна[1]
где - коэффициент несимметричности
нагрева. В методической печи симметричный нагрев,
соотвественно =0,8;
d – действительный размер заготовки(диаметр),
м;
Тогда S=0,8*0,110=0,088м;
Примем: односторонний нагрев, монолитный под.
a/d=1;
Найдем среднюю температуру металла, и
по таблице 4.1[1] определим среднюю теплопроводность
для стали 45
где и – начальная и конечная температура металла, ˚С;
Тогда λ=34,15 Вт/(м*К);
И критерий Био соотвественно
Т.к. критерий Bi=1,07 делаем вывод, что тело находится в термически переходной области от тонких к массивным телам.[1]
Приближенное время нагрева заготовок вычисляем по формуле[1]
где S – расчетная толщина нагреваемого тела, м;
с – средняяя теплоемкость тела, для стали 30 по таблице 4.1[1] c=0,618 кДж/кг.°С(tM=1200˚C);
ρ – плотность тела, кг/м3;
m – коэффициент формы нагреваемого тела;
αл+к – суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/м2.°С;
Kм – коэффициент массивности тела;
tп – температура печного пространства, °С;
и – температура металла соответственно в начале и в конце нагрева, °С.
Коэффициент формы тела определяют по справочной литератре[1]:
m=1 для пластинки;
m = 2 для цилиндрических изделий;
m = 3 для шара.
Коэффициент массивности определяют по следующему выражению[1]
Тогда время нагрева будет соответственно равно[1]
3.2 Расчет интенсивности внешнего теплообмена в зонах рабочего пространства печи
Для расчета интенсивности внешнего теплообмена необходимо сначала предварительно определить размеры рабочего пространства печи в зависимости от заданной удельной производительности печи (напряженности печи), заданных размеров заготовок и способа их расположения на поду.
Схема
расположения заготовок на
Рисунок 3.2.1 – Схема расположения заготовок на поду печи
Размер 1 на рисунке 3.2.1 выбирается в пределах (250-300) мм, обозначим его δ1=300 мм. Размер 2 выбирается произвольно, но кратно диаметру заготовки, обозначим его δ2=65мм.
Вычислим площадь пода[1]
где G – производительность печи, кг/ч;
K – напряженность пода, принимается в пределах (300-500) кг/м2*ч;
По рисунку 4.2.1 видно, что длина пода будет равняться:
(3.9)
где – длина заготовки, мм;
Ширину пода вычислим по формуле
Площадь свода из конструктивных соображений найдем по формуле[1]
(3.11)
Найдем количество
заготовок, составив уравнение, где неизвестное
n – количество заготовок
(3.12)
где d – диаметр детали, м.
Подставив в выражение выше значения всех известных составляющих, получим:
Принимаем n = 11 и вычислим площадь поверхности металла находящегося на поду печи[1]
(3.13)
где φ – коэффициент облученности, φ=0,4;
Для определения высоты рабочего пространства печи, сначала требуется определить величину внутренней поверхности кладки и если учесть[1]
Тогда величина внутренней поверхности кладки будет равна
(3.14)
Вычислим высоту рабочего пространства печи по формуле[1]
(3.15)
Принимая во внимание все вычисленные размеры, определим площадь поверхности кладки печи[1]
где – площади поверхностей свода, боковых и торцевых стенок , м2.
Найдем степень развития кладки[1]
где – площадь лучевоспринимающей поверхности металла, м2.
(3.18)
где n – количество заготовок, штук;
d – действительный размер(диаметр), м2;
φ – коэффициент облученности ( выбирают по таблице в зависимости от формы заготовки и способа расположения ее на поду печи);
Тогда степень развития кладки будет равна
Определяем эффективную длину луча в зонах рабочего пространства
(3.19)
где V – объем, заполненный излучающим газом, или объем рабочего пространства, м3;
На основании данных расчета неполного горения топлива(таблица 3.1) находим парциальное давление излучающих газов(трехатомные газы)[1]
Найдем произведения[1]
После чего по рисунку 4,7 пособия[1] находим степень черноты углекислого газа:
И степень черноты водяных паров по рисунку 4,8[1]
Также по рисунку 4,9[1] найдем поправочный коэффициент и вычислим степень черноты печных газов[1]
Тогда степень черноты печных газов будет равна[1]
(3.20)
Определяем значение приведенного коэффициента излучения в системе газ-кладка-металл по приближенной формуле[1]
где – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, равный 5,67 Вт/м2*К4;
– приведенная степень черноты системы, принимаем равной 0,8;
Рассчитаем коэффициент теплоотдачи излучением в зонах рабочего пространства по формулам[1]
(3.22)
(3.23)
(3.24)
где – температура печных газов, K;
– начальная и конечная температура металла, К;
Определяем суммарный коэффициент теплоотдачи[1]
Пересчитаем критерий Био[1]
Км = 1 + = 1 + = 1,29
Пересчитаем время нагрева заготовок[1]
3.3 Уточнение размеров рабочего пространства
На основание уточненного времени нагрева, производительности печи вычислим уточненные размеры печного пространства[1]
Вычислим штучную производительность[1]
(3.26)
где G – производительность печи, кг/ч;
g – масса одной заготовки, кг.
(3.27)
где – объем одной заготовки;
ρ – плотность стали;
По рисунку 4.12[1] выберем коэффициент расположения заготовок, и вычислим количество штук n находящихся в печи за один период нагрева[1]
Рисунок 3.3.1 – Схема расположения заготовок на поду печи.
Исходя из рисунка 3.3.1 коэффициент расположения [1]
Тогда количество штук n вычислим по формуле[1]
(3.28)
где τ – уточненное время нагрева заготовок, ч;
Для удобства расчетов размера рабочего пространства примем n=18 штук.
Выберем расположение заготовок на поду печи, и уточним размеры рабочего пространства[1]
Рисунок 3.3.2 – Схема расположения заготовок на поду печи;
Размер 1 на рисунке 3.3.2 выбирается в пределах (250-300) мм, обозначим его δ1=250 мм. Размер 2 выбирается произвольно, но кратно диаметру заготовки, обозначим его δ2=95мм.
Приняв n = 28 штук, и исходя из схемы, представленной на рисунке 3.3.2 делаем вывод, что расположение заготовок имеет вид 4x7. Тогда ширина и длина пода соответственно равны[1]
(3.29)
(3.30)
Площадь свода из конструктивных соображений найдем по формуле[1]
Принимаем n = 18 и вычислим площадь поверхности металла находящегося на поду печи[1]
(3.32)
Для определения высоты рабочего пространства печи, сначала требуется определить величину внутренней поверхности кладки и если учесть[1]
Тогда величина внутренней поверхности кладки будет равна:
Вычислим высоту рабочего пространства печи по формуле[1]
