Расчет камерной печи с неподвижным подом. 3
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(ДГТУ)
Кафедра «Гидравлика, гидропневмоавтоматика и тепловые процессы».
УТВЕРЖДАЮ
Зав. Кафедрой Сидоренко В.А.
« » 2012 г
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К курсовому проекту (работе) по «Перенос энергии и массы, основы теплотехники
и аэрогидродинамики
на тему: «Расчет камерной пламенной печи с неподвижным подом» .
Автор проекта (работы) Лукьянец Д. С.
Специальность Материаловедение в машиностроении
Обозначение курсового проекта (работы)
Руководитель
проекта
Фридрих Р.А.
.
(подпись)
Проект (работа) защищён (а)
(дата) (
Члены комиссии
(подпись)
(подпись)
(подпись)
Ростов – на – Дону
2012
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
(ДГТУ)
Кафедра «Гидравлика, гидропневмоавтоматика и тепловые процессы».
УТВЕРЖДАЮ
Зав. Кафедрой Сидоренко В. А .
« » 2012 г
ЗАДАНИЕ
на курсовой проект (работу)
Студент Лукьянец Д. С.Код 104250
(фамилия, инициалы) (последние цифры зачётки)
Тема «Расчет камерной пламенной
печи с неподвижным подом» .______________________
Срок предоставления проекта к защите « » 2012 г.
Исходные данные для проектирования (научного исследования):
Топливо-Краснодарское месторождение ; состав газа-СН4 =97,8%, С2Н6=0,4%, С4Н10%,СО2=0,2%,N2=1,3%; низшая теплота сграния Qnp=35,7 МДж/м3; Коэффицент избытка воздуха=1,05: Площадь поверхности пода Fпод= 6,0; Площадь поверхности кладки Fкл=36,0 м2; Напряженность пода P=0,025 кг/(м2с); Материал изделия- сталь 30: Температура верхней критической точки, tкр=8130С
1. Содержание пояснительной записки курсовой работы:
Общие сведения о видах и способах обработки металлов, информация о некоторых видах термопечей, их классификации, произведен расчет: процесса горения топлива, расхода топлива на основе теплового баланса печи .
2.Перечень графического материала: Диаграммы, обьемного соотношения _
компонентов, продуктов сгорания топлива
и их энтальпий, приход и расход тепла.
(1 лист формата А1)
Руководитель проекта
подпись, дата (фамилия, инициалы)
Задание принял к исполнению
подпись, дата (фамилия, инициалы)
Введение…………………………………………………………
1 Обзорная часть
1.1 Влияние термообработки на материал…………………………...2
1.2 Теоретические основы нестационарных
процессов нагрева и охлаждения……………………………………………………
1.3 Камерные печи……………………………………………
2 Расчет процесса горения
3 Тепловой баланс печи…………………………
Вывод…………………………………………………………………
Список используемой литературы……………………………….......
Термическую обработку металлов применяют для изменения структуры материала, а следовательно и их свойств. Так стали с разным содержанием углерода, могут иметь одинаковые свойства, например, сталь с содержанием 0,5% углерода может иметь одинаковую твердость со сталью с содержанием 1% углерода. Это связано с тем, что при термообработке стали с содержанием углерода 0,5% начнет падать дисперсность структуры, твердость будет уменьшаться за счёт укрупнения зерен цементита. Таким образом, при термической обработке метала можно существенно менять структуру и свойства материала в заданных направлениях. Термообработка достаточно широко применяется в разных отраслях промышленности, таких как приборостроение, электротехника, радиотехника, так как с помощью таких технологических операций, как: отжиг, закалка, старение, изменяют целый ряд свойств таких как: механические, электрические, магнитные и многие другие свойства металлов и сплавов.
На производственных предприятиях термообработку производят в промышленных камерных печах. Камерные печи –есть печи с неподвижным подом, относительно самой печи в период нагрева данного материала. Конструкции данных печей весьма разнообразны и какую именно печь будут использовать, будет зависеть непосредственно от заготовок и слитков. Специализированная на термической обработке печь должна обеспечивать заданный технологией температурно-временной режим обработки изделия и высокую равномерность нагрева изделия. Термообработка является самым распространенным в промышленности способом обработки материала, благодаря своей простоте и дешевизне оборудования, на котором можно проводить сложнейшие технологические операции. Однако, для проведение данных операций необходим также высококвалифицированный персонал который способен проводить расчет, проектирование и моделирование данных процессов, а также быть осведомленными в вопросах энергетики теплотехнологий. В данной работе будет представлен теоретический расчет процесса горения топлива для камерной печи с неподвижным подом, теория термической обработки материала.
1. Обзорная часть
1.1 Влияние термообработки на материал.
Термической обработкой называют технологические, процессы теплового воздействия, состоящие из нагрева, выдержки и охлаждения металлических изделий по определенным режимам с целью изменения структуры и свойств сплава. Любой процесс термической обработки может быть описан графиком в координатах температура - время (рис. 1).
Рис. 1. График термической обработки
Термическая обработка изменяет в нужном направлении прочностные, пластические и другие свойства материала изделий. При медленном нагреве от комнатной температуры до 727°С в сплаве I фазовых изменений не происходит (рис. 2). При температуре 727°С перлит превращается в аустенит (точка а). Точку а на диаграмме называют нижней критической точкой и обозначают Ac1 (при охлаждении – Аг1). Буквы с и г указывают на то, что превращение происходит соответственно при нагреве или охлаждении стали, а индекс единица внизу этих букв - на точки, образующие линию PSK. При дальнейшем нагреве сплава I зерна феррита растворяются в аустените.Растворение аустенита заканчивается в точке а, (линия GS), которую называют верхней критической точкой и обозначают при нагреве Ас3 , охлаждении Аг3. В точке b1, лежащей на линии SE, процесс растворения заканчивается. Эту точку обозначают Аcm. Таким образом, на диаграмме железо-цементит критические точки, образующие линию PSK, обозначают Ас1 (при нагреве) и Аг1 (при охлаждении), точки по линии GS - Ac3 и Аг3 , по линии SE - Аcm. Знание критических точек облегчает изучение процессов термической обработки сталей.
Рис. 2. «Стальной» участок диаграммы состояния железо-цементит:
I - доэвтектоидная сталь.
Превращения в стали при нагреве. Нагрев стали при термической обработке используют для получения аустенита. Структура доэвтектоидной стали при нагреве ее до критической точки Ас1 состоит из зерен перлита и феррита. В точке Ac1 происходит превращение перлита в мелкозернистый аустенит. При дальнейшем нагреве от точки Ac1 до Ас3 избыточный феррит растворяется в аустените и в точке Ас3 (линия GS) превращения заканчиваются. Выше точки Ас3 структура стали состоит из аустенита.
Для выравнивания химического состава
и получения однородного
Рис. 3. Шкала для определения размера зерен:
1-10 – номера зерен при 100х увеличении
Превращения в стали при охлаждении. Аустенит является устойчивым только при температуре выше 727°С (точка Ar1). При охлаждении стали, предварительно нагретой до аустенитного состояния (ниже точки Ar1), аустенит становится неустойчивым - начинается его превращение. Такое превращение может начаться только лишь при некотором переохлаждении аустенита.
1.2.Теоретические основы нестационарных процессов нагрева и охлаждения.
Процесс передачи теплоты в которых температурное поле и поле тепловых потоков изменяется во времени называется нестационарным. При прогреве заготовки в печи или её закалке и охлаждения достижения заданной температуры за определенный период времени имеет решающее значение, от этого зависит структура получившегося изделия, то есть свойства отслеживания стадии термообработки в режиме реального времени практически невозможен, поэтому искомые температуры и время получены путем решения нестационарного дифиринциального уравнения теплопроводности Фурье.
Для решения этого уравнения, его интегрирования необходимо задавать начальные условия, определяющие температурное поле в начальный период и граничные условия определяющие температуру или законы теплообмена, на границе тела.
I Задана температура на поверхности тела.
II Задана плотность теплового потока на поверхности тела.
III Поверхность обменивается теплотой со средой известной температуры по закону Ньютона-Рихмана
IV Рассматриваемое тело находиться в плотном контакте с другим телом.
Рассмотрим пример
Q-безразмерная температура
Т-текущая температура
Т0-начальная температура
Mn-корень характеристики уравнения
Х- безразмерная координата
Рис.4. Охлаждение бесконечной пластины.
1.3 Камерные печи
Для нагрева мелких и средних деталей в термических цехах при индивидуальном и серийном производстве применяют камерные печи, работающие на жидком и газообразном топливе а также с применением электроэнергии. Для печей жидкое топливо используют ограниченно, так как оно имеет большую вязкость. В настоящее время на заводах печи работают на газообразном топливе. Жидкое топливо используется только при отсутствии газообразного топлива.
Конструкция термической камерной печи, работающей на мазуте, приведена на рис. 5. Печь имеет рабочую камеру небольшого объема, в которую печные газы поступают с законченным процессом горения. Мазут сжигают ё специальной топочной камере.
Печь имеет площадь 0,4 X 0,5 = 0,2 ж2. Производительность ее при нагреве для закалки и нормализации 30 кг/ч. Расход мазута, 5—6 кг!ч. Такие печи применяют для нагрева и подогрева деталей небольших размеров. Максимальная рабочая температура печи достигает 900° С. Эта печь может работать и на газообразном топливе. Иногда для удобства работы две такие печи монтируют
Рис. 5 Камерная печь работаюшая на мазуте.
в одном каркасе.Таким образом образуется двухкамерная печь с горизонтальным расположением камер: в одной камере осуществляется подогрев, а в другой — окончательный нагрев деталей. Каждая камера имеет свою форсунку или горелку и работает независимо от другой.
На заводах встречаются разные печи, работающие на жидком и газообразном топливе, как по конструкции, так и по размерам рабочего пространства и по производительности. ВНИПИ «Тепло-проект» систематизировал конструкции и типаж топливных печей [20]. На основе данных заводов разработаны размерные ряды пламенных термических печей и введены буквенно-цифровые обозначения для печей разного назначения и с разными размерами рабочего пространства. Эти размерные ряды обеспечивают максимальное унифицирование основных узлов и деталей печей. Для обозначения печей принята следующая индексация: первая буква обозначает назначение печи (Т — термическая пламенная, Н — нагревательная пламенная), вторая — конструктивную характеристику печи (А — с вращающимся подом, Б — барабанные, Д — с выдвижным подом, Е — с подвес-12кым конвейером, И — с пульсирующим подом, К — конвейерные, Н — камерные периодического действия, Р — рольганговые, Т — толкательные, Ш — круглого сечения шахтные, Э — элеваторные, Ю — с шагающими балками), третья —среду рабочего пространства (О — окислительная, 3 — искусственная защитная, безокислительная и др.), четвертая — особенность печи (А— печь входит в агрегат, если печь обозначена четырьмя буквами, то буква А ставится на пятом месте, В — вертикальное перемещение деталей, К — под кольцевой — в печах с вращающимся подом, М — механизированная — в печах периодического действия, Н — непрерывного действия — в печах барабанных, Т — под тарельчатый — в печах с вращающимся подом).
Цифры ставятся после буквенных обозначений через дефис и означают: первая группа — ширину пода в дм для печей с вращающимся подом — внешний диаметр рабочей поверхности пода; вторая группа — длину (глубину) пода печи в дм, для печей с вращающимся подом — ширину рабочего пода (кольца); третья группа — высоту рабочего пространства или максимальную высоту окна загрузки в дм. Эти цифры разделяются точками и находятся в числителе, а в знаменателе указывается предельная рабочая температура в сотнях градусов. Далее через черточку ставится буква, обозначающая топливо: Г — природный газ, М — мазут. Пример обозначения печей: ТНО-6.12,5.5/11-М — термическая камерная печь периодического действия, атмосфера рабочего пространства — окислительная, размеры рабочего пространства 600 X 1250 X 500 мм, печь работает до температуры 1100", топливо — мазут. Эта же печь на газообразном топливе обозначается ТНО-6.12.5.5/11-Г.
Камерная печь, показанная на рис. 2, предназначена для различных видов термической обработки деталей и инструментов при единичном и мелкосерийном производстве. Для загрузки и выгрузки деталей в этих печах используют подвесные клещи на монорельсе и загрузочные машины. Воздух для горения в этих печах подогревается в рекуператоре. Если для печей используют газ среднего давления и сжигание газа производится в инжек-ционных горелках, то воздух для горения не подогревают и рекуператор не устанавливают. Продукты горения отводятся под зонт и затем в вытяжную трубу. При работе с обычной печной атмосферой (окислительной) печи имеют максимальную температуру 1150° С и обозначаются ТНО. Иногда изготовляют печи с контролируемой атмосферой (защитной) и обозначают ТНЗ. Предельная температура нагрева в печах ТНЗ достигает 950° С.
Габаритные размеры камерных печей, работающих только на газообразном топливе, меньше мазутных, так как в них отсутствует топочное пространство или камера сжигания, обычно располагающаяся под подом печи.
Для нагрева крупных ковочных штампов и для цементации применяют камерную печь с шаровым подом 940x1510 мм.
Рис.6 Камерная печь типа ТНО ВНИПИ Теплопроекта
Рис.7.Камерная печь с шаровым подом
2. Расчёт процесса горения топлива
2.1 Определение количества воздуха υо, теоретически необходимого для сжигания 1 м3 сухого газообразного топлива:
υо=0,0476[0,5(0+0)+1,5·0+2·97,
=9,47 м3/м3
2.2 Определение действительного количества воздуха:
где α-коэффициент избытка воздуха, α=1,05
υд= 1,05·9,47=9,9435 м3/м3
2.3 Определение объемов компонентов сухого дымового газа:
-углекислый газ:
υСО2=0,01[0+0,2+97,8+[2·0,4+3·
- азот:
υN2=0,01(1,3+79·9,9435)=7,8684 м3/м3
-кислород:
υО2=0,21·(1,05-1)·9,47=0,0994 м3/м3
-оксид серы: отсутствует.
2.4 Определение суммарного объема сухих дымовых газов
υсг=1+7,8684+0,0994=8,9678 м3/м3
2.5 Определение теоретического объема водяного пара в продуктах сгорания:
где dг- влагосодержание газообразного топлива, отнесённого к 1 м3 сухого газа, кг/м3. Приняв относительную влажность φ=60%, а температура до подогрева t=20oC, получим dг=0,01 кг/м3.
Тогда:
υоН2О=0,01[0+0+[(4/2·97,8)+(6/
2.6 Определение действительного объема водяных паров
2.7 Определение действительного объема продуктов сгорания υг:
υг=8,9678+2,1431=11,1109 м3/м3
2.8 Определение объемных долей компонентов в общем объеме продуктов горения:
СО2yx= υСО2/ υг =1/11,1109=0,09
SO2= υSO2 / υг =0/11,1109=0
H2O= υH2O / υг =2,1355/11.1109=0,1929
N2yx= υN2 / υг =7.8684/11,1109=0,7082
O2yx= υO2 / υг =0,0994/11,1109=0,089
3.1 Определяется производительность печи G, кг/с:
где Р- напряженность пода, Р=0,025кг(м2с);
Fпод- площадь поверхности пода, Fпод=6 м2;
G=0,025·6=0,15 кг/с
3.2 Определяется экзотермическое тепло, выделяющееся при окислении металла:
где q- теплота, выделяющаяся при окислении 1 кг металла, (для стали q=5652 кДж/кг)
ɑ- угар (окисление металла,% (для камерных кузнечных печей – 2…3%, для методических – 1…2%, для термических – 0,5…1%).
Qэкз=0,01·0,15·5652·2=16,956 кВт
3.3 Определение температуры операции:
t м = t кр +(20…30)=813+24=8370С или Тм= t м +273=1110 К
где t м – температура середины осадки при выдаче из печи, 0С;
t кр – температура верхней критической точки, для данной марки (сталь 30)
t кр =813 0С.
3.4 Определение расхода тепла на нагрев металла:
где -средняя теплоемкость металла в интервале температур t1…t2,для интервала до 9000С, =0,695 кДж/(кг К);
t1 – начальная температура металла, t1 =200С;
t2 – температура в конце выдержки, t2 = tм =8370С;
Qм=0,15·0,695·(837-20)=85,
3.5 Определение коэффициента теплопроводности стали λ при данной температуре, Вт/(м К):
λ=13,85+0,0155 tг,
где tг – температура газа в конце выдержки, предварительно принимаем tг=8600С
λ=13,85+0,0155·860=27,18 Вт/(м К)
3.6 Определение теплового потока в конце выдержки
где ∆tк – конечный перепад температур по сечению заготовки, принять .tк=50С;
S – характерный размер сечения заготовки, м, полагая заготовки квадратного сечения 70х70мм, при одностороннем нагреве принимаем S=70 мм,
q=(2·27,18·5)/0,07=3882,9 Вт/м2
3.7 Уточнение температуры газа в конце выдержки
где Сгк.м – приведённый коэффициент излучения системы газ-кладка-металл, Вт/(м2 К4), Сгк.м=3,22 Вт/(м2 К4)
Погрешность составила 1,4%
3.8 Определение температуры печи в конце выдержки:
где Спеч.м – приведённый коэффициент излучения систем кладка-металл, Спеч.м=4,24 Вт/(м2 К4);
3.9 Определение температуры кладки:
tкл=2 tпеч – tг =2·853,372-858,415=848,33330С
3.10 Определение температуры в плоскости соприкосновения кладки и изоляции tсоn и температуры наружной поверхности tн:
tкоn≈6700C и tн≈1080С
3.11 Определение средних температур tср1 по сечениям шамота:
tср1= (tкл + tсоп)/2=(848,3333+670)/2=7590С
tср2 – средняя температура по сечению изоляции
tср2=( tсоп + tкл )/2=(670+108)/2=3890С
3.12 Определение коэффициентов теплопроводности материалов изоляции и кладки:
λшам= 0,698+0,00064·tср1= 0,698+0,00064·753,836=1,18 Вт/(м·К)
λизол=0,1164+0,0001164· tср1= λизол=0,1164+0,0001164· 389=0,162 Вт/(м·К)
3.13 Определение потерь тепла теплопроводностью через кладку:
где tв – температура окружающего воздуха, tв =400С;
δί – толщина соответствующего слоя, м;
λί – коэффициент теплопроводности слоя, Вт/(м К);
∑δί/λί – сумма тепловых сопротивлений n слоев кладки, (м К/Вт);
αί – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности кладки в окружающую среду, в расчете принимаем α=18,6 Вт/(м2 К);
Fкл площадь наружной поверхности кладки, Fкл=36 м2.
Qкл=[(837,673-40)/(0,35/1,18+
С учетом рекомендаций, потери тепла теплопроводностью через кладку принимаем на 15 % больше:
Qкл=16222,686·1,15=18905,42 Вт
3.14. Определение потерь тепла излучением через открытые окна и щели:
где σо – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела, σо =5,67 Вт/(м2 К4);
Тпеч – температура печи, К,
ψ – доля времени, в течении которого окно открыто, ψ=0,12
F – площадь сечения открытого окна или щели,м2;
F=ɑ b=0,5 1,2=0,6 м2
ɑ - высота окна, ɑ=500 мм;
b – ширина окна, b=1200 мм;
Ф – коэффициент диафрагмирования, определяемый в зависимости от толщины кладки и размеров окна, в расчете принимаем Ф=0,7.
Qщл=5,67(853,3742/100)4·0,6·0,
3.15 Определение теплосодержания (энтальпии) газов, входящих в состав продуктов горения,
i=a+b·T+j·T2
где a,b,j – коэффициенты, постоянные для соответствующего газа;
T – температура газа,К.
Для кислорода при температуре газа tг=8580С:
iO2=-364,494+1,269·(858,415+
iN2=-329,359+1,183·1131+0,
iН2О=-365,295+1,283·1131+0,
iСО2=-523,307+1,697·1131+0,
Результаты сведены в таблицу 1
Таблица 1
Газ |
символ |
Значение коэффициентов |
i, кДж/кг при | ||
ɑ |
B |
j |
Т=1121К | ||
Кислород |
О2 |
-364,494 |
1,269 |
0,00014 |
1250,481 |
Азот |
N2 |
-329,359 |
1,183 |
0,00014 |
1118,314 |
Водяной пар |
H2O |
-365,295 |
1,283 |
0,00028 |
1444,729 |
диоксид углерода |
СО2 |
-523,307 |
1,697 |
0,00035 |
1844,727 |
