Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Расчет методической толкательной печи. 3

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Московский Государственный институт стали и сплавов

(технологический университет)

Новотроицкий филиал

Кафедра металлургических технологий

Курсовая работа

по дисциплине: Теплотехника

Тема: «Расчет методической толкательной печи»

№ зачетной книжки:

Выполнил:

Группа:

Проверил:

Новотроицк, 2012

Содержание

Введение. …………………………………………………………………..................3

1. Расчет нагрева металла в трехзонной методической печи………………………...5

1.1. Расчет горения топлива…………………………………………………………….5

1.2. Определение времени нагрева металла…………………………………………..10

1.3. Определение основных размеров печи…………………………………………..15

1.4. Составление теплового баланса печи…………………………………………….16

Список литературы……………………………………………………………………..20

Приложение А. Номограмма Д. В. Будрина для расчета нагрева пластины………..21

Приложение Б. Номограмма для определения степени черноты СО₂………………22

Приложение В. Номограмма для определения степени черноты Н₂О………………23

Приложение Г. Номограмма для определения поправочного коэффициента ……24

Приложение Д. Средняя теплоемкость углеродистых и низколегированных сталей.25

Приложение Е. Теплопроводность углеродистых и низколегированных сталей. . . . 25

Приложение Ж. Средние теплоемкости для воздуха и газов…………………………26

Приложение З. Энтальпия 1 м³ воздуха и газов………………………………………..27

Введение

Методические печи широко применяют в прокатных и кузнечных цехах для нагрева квадратных, прямоугольных, а иногда и круглых заготовок. Широкое применение методических печей обусловлено их достаточно высокой производительностью при невысоком удельном расходе топлива.

Тепловой и температурный режимы методических печей неизменны во времени. Характер изменения температуры по длине печи определяет количество и назначение зон печи. Металл поступает в зону наиболее низких температур и, подвигаясь навстречу дымовым газам, температура которых наиболее низка в месте их выхода из печи, постепенно нагревается.

Первую (по ходу металла) зону, называют методической. В ней металл постепенно подогревается до поступления в зону высоких температур. Во избежание возникновения термических напряжений в металле бывает необходим медленный нагрев его в интервале температур от 0 до 500 °С. Постепенный нагрев металла в методической зоне обеспечивает безопасный режим нагрева. Движущиеся навстречу перемещению металла дымовые газы отдают ему тепло, значительно охлаждаясь в пределах методической зоны.

Вторую по ходу металла зону называют сварочной или зоной высоких температур. Назначение этой зоны состоит в быстром нагреве поверхности металла до конечной температуры. Для интенсивного нагрева поверхности металла до температур 1150-1250 °С необходимо в сварочной зоне обеспечивать температуру на 150-250 °С выше температуры нагрева металла.

Третья по ходу металла зона называется томильной или зоной выдержки. Она служит для выравнивания температуры по сечению металла. В сварочной зоне до высокой температуры нагревается только поверхность металла, температура же середины металла значительно отстает от температур поверхности, в результате чего создается большой перепад температур по сечению металла. С таким перепадом температур по толщине металл поступает в томильную зону, где поддерживают температуру на 50-70 °С выше необходимой температуры нагрева металла. Поэтому в томильной зоне температура поверхности металла не изменяется и поддерживается на достигнутом в сварочной зоне уровне.

Подобный трехступенчатый режим нагрева необходим, когда нагревают заготовки, в которых может возникнуть значительный перепад температур по толщине. Такие печи называют трехзонными методическими печами (рисунок 1).

При нагреве тонких заготовок пользуются двухзонными печами

(с методической и сварочной зонами).

При нагреве металла перед прокаткой на листовых и сортовых станах пользуются четырех - и пятизонными методическими печами для повышения общего температурного уровня печи и обеспечения большей ее производительности.

В методических печах возможно осуществлять односторонний и двухсторонний нагрев металла. Односторонний нагрев происходит в том случае, когда металл нагревается только с одной стороны – сверху. Для ускорения нагрева металла предусматривают нижний обогрев заготовки, для чего под заготовки на всю длину сварочной и методической зон сооружают специальную камеру, оборудованную горелочными устройствами в пределах сварочной зоны. Все топливо, подаваемое в трехзонную методическую печь с нижним обогревом, распределяют по зонам следующим образом, %:

Нижняя часть сварочной зоны. . . . . . . . . . . . . . . . . 55 – 60

Верхняя часть сварочной зоны . . . . . . . . . . . . . . . . 30 – 40

Томильная зона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 – 15

1. Расчет нагрева металла в трехзонной методической печи

Задание. Рассчитать трёхзонную методическую печь с нижним обогревом производительностью Р = 67 т/ч. Нагреваемая заготовка выполнена из марганцевой стали (ρ = 7300 кг/м³) и имеет размеры 64*270*3700 мм. Конечная температура нагрева металла 1270^оС. Температура уходящих газов 870^оС. Дана смесь двух топлив А и Б с теплотой сгорания Q^р_{н
см} = 27 МДж/м³. Состав топлива А: СО₂ = 12%, СО = 27%, Н₂ = 8%, СН₄ = 1,8%, N₂ = 51,2%. Влажность топлива W_А =28 г/м³.

Состав топлива Б: СО₂ = 0,2%, СН₄ = 97,8%, С₂Н₆ = 0,4%, С₄Н₁₀ = 0,3%, N₂ = 1,3%,. Влажность топлива W_Б = 8 г/м³. Температура подогрева воздуха t_в = 370^оС. Топливо не подогревается. Коэффициент расхода воздуха n = 1,07.

1.1. Расчет горения топлива

Расчёт для топлива А:

СО₂=12*100/100+0,1242*28=11,60

СО=27*100/100+0,1242*28=26,19

Н₂=8*100/100+0,1242*28=7,76

N₂=51,2*100/100+0,1242*28=49,66

СН₄=1,8*100/100+0,1242*28=1,75

Н₂О=0,1242*28*100/100+0,1242*28=3,37

11,6+26,19+7,76+1,75+49,66+3,37=100%

Расчёт для топлива Б:

СО₂=0,2*100/100+0,1242*8=0,21

СН₄=97,8*100/100+0,1242*8=96,82

С₂Н₆=0,4*100/100+0,1242*8=0,4

С₄Н₁₀=0,3*100/100+0,1242*8=0,3

N₂=1,3*100/100+0,1242*8=1,29

Н₂О=0,1242*8*100/100+0,1242*8=0,98

0,21+96,82+0,4+0,3+1,29+0,98=100%

Определим теплоту сгорания каждого газа.

Q^р_н = 127 СО + 108 Н₂ + 358 СН₄ + 590 С₂Н₄ + 555 С₂Н₂ + 635 С₂Н₆ + 913 С₃Н₈

+ 1185 С₄Н₁₀ + 1465 С₅Н₁₂ + 234 Н₂S

Q^р_{н (А)} = 127· 26,19 + 108· 7,76 + 358·1,75 = 4790,71 кДж/м³

Q^р_{н (Б)} = 358· 96,82+635∙0,4+1185· 0,3 = 35271,06 кДж/м³

Найдём состав смешенного газа, для чего прежде всего определим долю А газа в смеси, которую обозначим через Х_А:

Х_Б =1- Х_А=1-0,27=0,73

Посчитаем состав смеси:

СО₂^см = СО₂^А ⃰ Х_А + СО₂^Б ⃰ Х_Б = 11,6*0,27+0,21*0,73=3,29%

СО^см = 26,19*0,27=7,07 %

Н₂^см = 7,76*0,27=2,1 %

СН₄^см 1,75*0,27+96,82*0,73=71,15 %

N₂^cм = 49,66*0,27+1,29*0,73=14,35 %

С₄Н₁₀^см = 0,3*0,73=0,22 %

С₂Н₆ =0,4*0,73=0,29%

Н₂О^см = 3,37*0,27+0,98*0,73=1,63 %

3,29+7,07+2,1+71,15+14,35+0,29+0,22+1,63=100

Используя таблицу 1,определим расход воздуха, состав и количество продуктов сгорания. Расчет ведём на 100 м³ газа.

Правильность расчета проверим составлением материального баланса.

Расчет является верным, если погрешность не превышает 5 %.

Поступило, кг: Получено, кг:

Топливо

СО₂ =3,29·1,96 = 6,45 СО₂ = 82,97· 1,96 = 163,12

СО = 7,07· 1,25 = 8,84 Н₂О = 146,37· 0,8 = 117,1

Н₂ = 2,1· 0,09 = 0,19 О₂= 16,06 ∙ 1,43 = 22,97

СН₄ = 71,15· 0,71 = 50,52 N₂ = 611,24· 1,25 = 764,05

N₂ = 14,35 · 1, 25 = 17,94 __________________________

C₄Н₁₀ = 0,22· 2, 59 = 0,57 Итого 1067,24

С₂Н₆ =0,29·1,34=0,39

Н₂О = 1,63· 0,8 = 1,30

Воздух

О₂ = 159,8· 1,43 = 228,5

N₂ = 595,9· 1, 25 = 744,9

__________________________

Итого 1059,6

Погрешность

Таблица 1- Расход воздуха, состав и количество продуктов сгорания

Участвуют в горении						Образуется продуктов сгорания, м³
Топливо, м³		Воздух, м³				Образуется продуктов сгорания, м³
составляющая	содержание, м³	О₂	N₂	всего	СО₂	Н₂О	О₂	N₂	всего
СО₂ СО Н₂ СН₄ N₂ C₂Н₆ C₄Н₁₀ Н₂О	3,29 7,07 2,1 71,15 14,35 0,29 0,22 1,63	-- 3,54 1,05 142,3 -- 1,02 1,43 --	149,3· 3,76 = 556,9	149,3+556,9=706,2	3,29 7,07 -- 71,15 -- 0,58 0,88 --	-- -- 2,1 142,3 -- 0,87 1,1 1,63	-- -- -- -- -- -- -- --	14,35+556,9= 571,25
n = 1	100	149,3 (21,0)	556,9 (79,0)	706,2 (100)	82,97 (10,36)	146,37 (18,28)		571,25 (71,36)	800,6 (100)
n = 1,09	100	159,8 (21,0)	595,9 (79,0)	755,7 (100)	82,97 (9,58)	146,37 (17,09)	16,06 (1,87)	611,24 (71,36)	856,6 (100)

Из таблицы 1 следует, что при данной величине коэффициента расхода воздуха, равной 1,2, количество продуктов сгорания, образовавшихся при сжигании 100 м³ топлива, составит

856,6 м³ или 8,57 м³ на 1 м³ топлива. Воздуха при этом будет затрачено 755,7 м³ на 100 м³, или 7,56 м³ на 1 м³ топлива.

Для определения калориметрической температуры горения необходимо найти начальную энтальпию (теплосодержание) 1 м³ продуктов сгорания:

I = I_o + I_в + I_г

Где I_o, I_в, I_г – соответственно количества тепла, получаемые от сжигания топлива и вносимые подогретым воздухом и газом.

Таким образом, количества тепла, получаемое от сжигания топлива в расчёте на единицу объёма продуктов сгорания, будет равно

Количества тепла, вносимое подогретым воздухом, может быть определено следующим образом:

где с_в – теплоемкость воздуха при 310^оС (приложение Ж).

Таким образом, энтальпия продуктов сгорания составит

Определим калориметрическую температуру.

Энтальпия продуктов сгорания равна, кДж/м³ ( приложение З):

При 1800^оС

I_СО2 =( 0,131+0,004)· 4360,67 = 588,69

I_Н2О = 0,184· 3429,90 = 631,11

I_О2 = 0,015·2800,48 = 42,01

I_N2 = 0,67· 2646,74 = 1773,31

I₁₈₀₀^о_С = 3035,12 кДж/м³

При 1900^оС

I_СО2 = (0,131+0,004)· 4634,76 = 625,69

I_Н2О =0,184 · 3657,85 = 673,04

I_О2 = 0,015·2971,30 = 44,57

I_N2 =0,67 · 2808,22 = 1881,51

I₁₉₀₀^о_С = 3224,81 кДж/м³

Следовательно, искомая калориметрическая температура горения равна

Как следует из вышеизложенного, при таком значении t_к методическая печь работает нормально. Для ориентировочного определения действительной температуры в сварочной зоне можно воспользоваться пирометрическим коэффициентом η, величину которого примем равной 0,7.

Следовательно, t_действ = t_к η = 1913 · 0,7 = =1339 ^оС. На основании этого и учитывая рекомендации, приведенные выше, примем t_действ = 1300^оС.

1.2. Определение времени нагрева металла.

Прежде всего, выберем температурный график процесса нагрева. Температура уходящих из печи газов равна 890^оС. Температуру в томильной зоне примем – на 50^оС выше, чем температура нагрева металла, т.е. 1250 ^оС. Полный принятый график нагрева приведён на рис.5. Методическую зону разделим условно на три участка (рисунок 1) и усредним температуру печи в пределах каждого из них.

Рисунок 1 - Расчетный график нагрева металла

Для предварительного определения основных размеров печи зададимся величиной напряжённости габаритного пода. Равной 300 кгс/(м² ч). При этом площадь пода

Выполняем печь с однорядным расположением заготовок; определим её ширину В и длину L:

;

По конструктивным соображениям примем высоту томильной, сварочной и конца методической зон соответственно равными 1,3; 2,2 и 0,8 м.

Определение степени развития кладки ω. Средняя высота методической зоны равна 1,5м, следовательно:

;

аналогично:

Эффективная толщина газового слоя для определённой зоны печи может быть найдена из выражения :

где V – объём зоны, м³;

F – суммарная площадь стен, свода и пода данной зоны, м²;

η – поправочный коэффициент, равный 0,9.

Следовательно, для методической зоны с длиной L_м эффективная толщина газового слоя

аналогично:

Определим временя нагрева для I участка методической зоны.

Найдём степень черноты газов ε_г.

По номограммам (см. приложение Б,В,Г) находим

ε_СО2 = 0,13; ε_Н2О = 0,25; β = 1,09;

ε_г = ε_СО2 + ε_Н2О β = 0,13 + 0,25· 1,09 = 0,4

Принимая степень черноты металла ε_м =0,8, определим коэффициент С_г.к.м.:

Коэффициент теплоотдачи на первом участке методической зоны будет равен (при t^ср_пов.ме =):

Для определения критерия Вi находим из приложений Д и Е коэффициенты теплопроводности (по средней температуре металла на участке 135 ^оС) и теплоёмкости (по конечной температуре металла на участке 250 ^оС)

λ= 38,25 Вт/(м· К)

с = 0,512 кДж/(кг· К)

Отсюда для одностороннего нагрева критерий будет равен :

Из величины критерия Вi следует, что на первом участке методической зоны заготовки греются как тонкое тело и время их нагрева следует определять по формуле:

Поскольку тонкое тело греется без перепада температуры по сечению, средняя температура по сечению металла к концу первого участка нагрева составит 250 ^оС.

Определим время нагрева для II участка методической зоны

t_г = 1025^оС; t^ср_пов.ме =

с помощью номограммы (см. приложение Б,В,Г) получим

ε_г = 0,12 + 0,15· 1,09 = 0,28

Из приложений Д и Е теплоемкость и теплопроводность металла будут равны:

= 36,8 Вт/(м · К)

с = 0,5675 кДж/(кг· К)

Следовательно, на этом участке заготовка греется как массивное тело. Определим величину температурного критерия для поверхности металла:

По номограмме для поверхности пластины (см. рисунок 2) по значениям В_i и Ө_пов находим величину критерия Фурье

Коэффициент температуропроводности будет равен:

Определим температуру центра металла к концу нагрева на втором участке методической зоны, для чего по значениям Fo = 1.2 и Вi = 0,35, пользуясь номограммой для центра пластины (см. рисунок 3) , найдём

Өц = 0,7. Следовательно:

Определим время нагрева для III участка методической зоны

при и

Аналогично предыдущей зоне получим:

= 29,2 Вт/(м· К)

с = 0,695 кДж/(кг· К)

Определим величину критерия для массивного тела

и величину температурного критерия

По номограмме (см. рисунок 2) найдём, что Fo =0,9

Отсюда время нагрева

Найдём по номограмме (см. рисунок 3) по Fo=0,9, Bi=0,41.

Таким образом, полное время нагрева металла в методической зоне печи составит

Определим время нагрева металла в сварочной зоне. Степень черноты газов:

Найдём коэффициенты теплопроводности и теплоемкости из приложений Д и Е.

= 27,7 Вт/(м · К)

с = 0,695 кДж/(кг · К)

По номограмме (см. рисунок 2) Fo=2,5

Температурный критерий для центра пластины (см. рисунок 3) при Fo=2,5, Bi=0,86 будет равен

Определим время выдержки (томления) , пользуясь таблицей 2.

Разность температур по сечению металла в начале выдержки составит

∆

Примем допустимую разность температур в конце выдержки равной ∆

Тогда величина , а Fo=0,8

Средняя температура металла в зоне выдержки

По этой температуре из приложений Д и Е найдём

= 30,1 Вт/(м· К)

с = 0,68 кДж/(кг · К)

Время выдержки будет равно

Таким образом, полное время пребывания металла в печи составит

Таблица 2 - Расчет выдержки металла при постоянной температуре

поверхности

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

3,2

2,4

1,7

1,2

0,8

0,5

0,45

0,4

1.3. Определение основных размеров печи.

Для обеспечения заданной производительности в печи должно постоянно находиться следующее количество металла:

Масса одной заготовки равна ;

найдём число заготовок в печи:

При однорядном расположении заготовок

-длина печи

-ширина печи

-площадь активного пода

-площадь габаритного пода

Всю длину печи делим на зоны пропорционально времени нагрева:

-длина методической зоны

-длина сварочной зоны

-длина томильной зоны

Напряжённость габаритного пода печи :

т. е. значение Н_г близко к тому, которым задавались при предварительном расчете.

Для расчёта теплового баланса необходимо знать не только размер печи, но и толщину стен, и материал, из которого они выполнены.

Выберем для печи следующую футеровку: свод подвесного типа из шамота класса А и толщиной 300 мм, стены двухслойные (шамот класса А 345 мм и тепловая изоляция из диатомита 115 мм);под томильной зоны трёхслойный(тальк 230 мм, шамот класса Б 230 мм, диатомит 115 мм).

1.4. Составление теплового баланса печи

При проектировании печи после определения её основных размеров выполняют конструктивную разработку. В данном примере расчёта это сделать невозможно, поэтому при составлении теплового баланса приходится опускать некоторые статьи расхода тепла, не превышающие 5% всего расхода.

Приход тепла

1. Тепло от сжигания топлива:

,где -- искомый расход топлива,

2. Тепло, вносимое подогретым воздухом:

3. Тепло, вносимое подогретым газом:

В данном примере топливо не подогревается.

4. Тепло экзотермических реакций (при угаре 1%, теплота сгорания железа порядка 5650)

Расход тепла

В силу отмеченных причин при составлении теплового баланса опущены следующие статьи расхода:

а) потери тепла излучением через открытые окна;

б) потери от химической неполноты сгорания;

в) потери от механической неполноты сгорания

1. Тепло, затраченное на нагрев металла:

2. Тепло, уносимое уходящими газами.

Прежде всего следует определить теплоёмкость дымовых газов при

3. Потери тепла через кладку теплопроводностью.

Потери через свод. Площадь свода 381,02 м², толщина свода 0,3 м, материал – шамот. Потерями через под пренебрегаем. Принимаем, что температура внутренней поверхности свода равна температуре газов.

Средняя температура газов в печи

Если считать, что температура наружной поверхности кладки около 50^оС, то средняя температура огнеупорного материала свода (1140+50)/2 = 592 ^оС. По этой температуре выбираем коэффициент теплопроводности шамотного материала:

Таким образом потери через свод составят

где -- коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стен к

окружающему воздуху, равный .

Потери через стены. Кладка стен выполнена двухслойной (шамот

345 мм, диатомит 115 мм)

Площадь стен, м²:

методической зоны

сварочной зоны

томильной зоны

торцевых зон

__________________________

Полная мощность стен 184,7

Для вычисления коэффициентов теплопроводности, зависящих от температуры, необходимо найти среднее значение температуры слоев.

Средняя температура слоя шамота равна , а слоя диатомита ,

где - температура на границе раздела слоев, °С; - температура внутренней поверхности кладки, °С; - температура наружной поверхности кладки, ° С.

Коэффициент теплопроводности шамота

, Вт/(м К).

Коэффициент теплопроводности диатомита

, Вт/(м К).

В стационарном режиме

Подставляя значения коэффициентов теплопроводности

или

Решение этого квадратичного уравнения дает значение

=706 °С

При прямолинейном распределении температуры по толщине стены средняя температура шамота будет равна 913 ^оС, а диатомитового кирпича 373 ^оС

Следовательно:

Вт/(м °С)=3,18 кДж/(м ч °С)

Вт/(м °С)=0,61 кДж/(м ч °С)

Полные потери через кладку

4. Потери тепла с охлаждающей водой по практическим данным принимаем равными 10% прихода (т.е. от ):

5. Неучтённые потери. В связи с тем, что нами не учтены некоторые статьи расхода части баланса, неучтённые потери принимаем в размере 15% прихода тепла

Составим уравнение теплового баланса печи

Результаты расчетов сведем в таблицу (таблица 3).

Таблица 3 - Тепловой баланс методической печи

Статья прихода, кДж/ч

Статья расхода, кДж/ч

1. Тепло от горения топлива

(27000·4496) 121,4·10⁶

2. Физическое тепло воздуха

(3720,3·4496) 16,73·10⁶

3. Тепло экзотермических

реакций 3,79·10⁶

Итого 141,92·10⁶

1.Тепло на нагрев металла 54,67·10⁶

2. Тепло, уносимое уходящими газами

(11183,9·4496) 50,28·10⁶

3. Потери через кладку 2,43·10⁶

4. Потери тепла с охлаждающей водой

(3072,03·4496) 13,82·10⁶

5. Неучтенные потери

(4608,05·4496) 20,72·10⁶

Итого 141,92·10⁶

Расчет методической толкательной печи. 3