Расчет методической толкательной печи. 2

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

«Уральский  государственный технический университет  – УПИ»

Нижнетагильский технологический институт (филиал) УГТУ-УПИ 
 

Кафедра «Металлургическая технология» 
 
 
 
 

                                                                           Оценка проекта_______________ 

Расчет  методической толкательной печи 

Курсовой  проект

Пояснительная записка

15 01 06 000 000 021 ПЗ 
 
 
 
 
 

Руководитель

доц., канд. тех. наук                                                                         Ю.И. Алексеев 

Студент

361 – ОМД                                                                                         М.В.Земляной 
 
 
 

2009 

Задание на курсовой проект 

Рассчитать  и вычертить методическую печь для  нагрева заготовок при следующих  условиях:

Таблица 1

Задание на курсовой проект 

Таблица 2

Процентный  состав сухих природного и доменного  газов 

Содержание 

Задание на курсовой проект...................................................................................2

Введение...................................................................................................................4

1. Расчет горения  топлива......................................................................................5

2. Расчет нагрева  металла и теплообмена в печи................................................8

    2.1. Время нагрева металла.............................................................................8

    2.2. Определение времени нагрева  металла в методической зоне.............9

    2.3. Определение времени нагрева  металла в сварочной зоне..................10

    2.4. Определение времени томления  металла.............................................12

3. Определение  основных размеров печи..........................................................13     

4. Тепловой баланс...............................................................................................14  

    4.1. Приход тепла...........................................................................................14

         4.1.1. Тепло от горения топлива...........................................................14

         4.1.2. Тепло, вносимое подогретым воздухом....................................14

         4.1.3. Тепло экзотермических  реакций...............................................14

    4.2. Расход тепла............................................................................................14

         4.2.1. Тепло, затраченное на нагрев металла......................................14

         4.2.2. Тепло, уносимое уходящими дымовыми  газами......................14

         4.2.3. Потери теплопроводностью через  кладку................................15

              4.2.3.1. Потери тепла  через свод..................................................15

              4.2.3.2. Потери тепла  через стены................................................15

         4.2.4. Потери тепла  с  охлаждающей   водой......................................16

         4.2.5. Неучтенные потери.....................................................................16

         4.2.6. Определение расхода топлива...................................................17

5. Расчет рекуператора  для подогрева воздуха.................................................18

 6. Выбор горелок..................................................................................................22

7. Заключение........................................................................................................24

   Библиографический список..............................................................................25 
 
 

Введение 
 

    В металлургии и машиностроении, при производстве строительных материалов и во многих других отраслях промышленности одним из основных видов оборудования являются печи – агрегаты, в которых осуществляется тепловая обработка материалов (нагрев, плавление, обжиг). От работы печей в значительной мере зависят количественные и качественные показатели производства в различных отраслях промышленности. Этим объясняется то, что печная теплотехника в настоящее время представляет собой важный и самостоятельный раздел науки.

      На  многих металлургических заводах созданы  специальные теплотехнические лаборатории  и отделы, коллективы которых успешно  решают весьма сложные производственные задачи. Большую работу по созданию и совершенствованию конструкций печей осуществляют проектные организации - Стальпроект, Гипромез, Гипросталь и др.

      В настоящее время каждый инженер  должен знать основы теплотехники и  уметь их применять на практике, поэтому приведенная ниже работа является неоспоримым плюсом для моей будущей трудовой деятельности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Расчет  горения топлива

     По  условию принимаем состав сухих  газов:

Таблица 1.1 

Процентный  состав сухих природного и доменного газов

          По формулам (1.1) и (1.2) рассчитываем состав влажных газов. Результаты сведены в           

     табл.1.2           

                                                                                                                            (1.1)  

                                                                                                           (1.2)

       Где W – влажность, г/м³

                                                                                                                   Таблица 1.2  

Процентный  состав влажных коксового и доменного  газов

        Низшую теплоту сгорания газов Q находим по формуле (1.3):

             Q

=358·96,15+1185·3,08 =  38071,5кДж/м³ = 38,071 мДж/м³

         =127,7·29,69+108·2,66+358·0,2338 = 4163,2 кДж/м³ =4,163

     мДж/м³

Находим состав смешанного газа по формулам (1.4) и (1.5) (см.табл. 1.3).

                                                        x_см = х_пр·α + x_дом·(1-α) ,                                                  (1.4)

     где                                                                                          (1.5)

- низшая теплота сгорания  доменного газа;

  - низшая теплота сгорания  природного газа;

         - низшая теплота сгорания смешанного газа.

            Рассчитаем коэффициент α по формуле (1.5): 

                                                                                                            Таблица 1.3

Процентный  состав смешанного газа

     Расход кислорода для сжигания смешанного газа рассматриваемого газа при n = 1 равен:

                    V_O2=0,01·[0,5·(CO+H₂)+S(m+n/4)·C_mH_n]                                (1.6) 

        V_O2= 0,01∙[0,5∙(17,99+1,61)+(1+1)∙38,2+(4+10/4)∙1,22]=0,941 м³/м³.

         Расход сухого воздуха при α =1,08 равен:

                                          V_В= α ·(1+k)·V_О2 ,                                                        (1.7)

       где k – отношение объемных содержаний N₂ и O₂ в дутье (для воздуха k=79/21=3,762).

       V_В= 1,12·(1+3,762)·0,941=4,839 м³/м³. 

        По формулам находим состав продуктов сгорания:

                                  V_CO2=0,01·[CO₂^см+CO^см +CH₄^см+4×C₄H₁₀^см)]                           (1.8)

                     V_H2O=0,01·[H₂O^см+H₂^см+0,5·(4·CH₄^см+10C₄H₁₀^см)]                        (1.9)

                                      V_N2=0,01·N₂^см+α·k·VO₂                                                 (1.10)

                                                   V'_O2=(α-1)·V_O2                                                           (1.11) 

      V_CO2 = 0,671 м³(/м³).

      V_H2O = 0,854 м³(/м³).

      V_N2 = 4,156 м³(/м³).

      V'_О2 = 0,075 м³(/м³). 

      Суммарный объем сгорания продуктов равен:

                                        V_п.с=V_CO2+V_H2O+V_N2+V`_O2                                                 (1.12) 

        V_п.с= 0,671+0,854+4,156+0,075=5,757м³(/м³). 

Процентный состав продуктов сгорания:

Правильность  расчета проверяем составлением материального баланса:

                                                                                Таблица 1.4

                                          Материальный баланс

              Определяем энтальпию продуктов сгорания:

                                                   ,                                                     (1.14)

         Где i_в= 464,11кДж/м³ – энтальпия воздуха при температуре 350 °С  

         По формуле (1.14) получили: i₀= 3663,156 кДж/м³.

             Зададим температуру t_к'=2200° C и при этой температуре находим энтальпию продуктов сгорания, по формуле (1.15):

                                      (1.15)

        i₂₂₀₀= 3708,913 кДж/м³.

        Поскольку i₂₂₀₀>i₀ , то принимаем температуру t_к''=2100 ° C и снова находим энтальпию продуктов сгорания:

         i₂₁₀₀ = 3520,827 кДж/м³.

         Теперь определим калориметрическую температуру горения смешанного газа рассматриваемого состава в заданных условиях:

                                                                                     (1.16)

      Получили   t_к = 2175,672 °C. 

       Приняв пирометрический коэффициент равным η=0,75 , по формуле (1.17) находим действительную температуру горения топлива: 

                                                             t_дейст =η · t_к                                                 (1.17)

   t_дейст=0,75·2175,672= 1631,75° C.

2. Расчет нагрева  металла и теплообмена  в печи

2.1. Время нагрева  металла

     Температуру уходящих из печи дымовых газов принимаем равной t_ух=1050 ° C; температуру печи в томильной зоне на 50 ° C выше температуры нагрева металла, т.е. 1330°C. Разность температур печи, поверхности и центра показаны на графике ( Рис. 1.)

                                                  Рис. 1.

     Поскольку основным назначением методической зоны является медленный нагрев металла до состояния пластичности, то температура  в  центре металла при  переходе из методической в сварочную зону должна быть порядка 400-500° C.

     Разность температур между поверхностью и серединой заготовки для методической зоны печей прокатного производства можно принять равной:

  Dt =(700-800)·m·δ                                        (2.1.1)

       Здесь m·δ - прогреваемая (расчетная)  толщина  (для  нашего случая m=0,55 );

δ - высота заготовки.

                        Dt=700·0,55·0,4=154°C

       Т.е. следует  принять температуру поверхности металла в конце методической зоны равной 500 °C.

       Определим ориентировочные размеры печи. При однорядном расположении заготовок ширина печи будет равна:

                                                      B=l+2·a                                                  (2.1.2) 

       Здесь a=0,2 м -зазоры между заготовками и стенками печи, l-длина заготовки.

                         B=12+2·0,2=12.4 м.   

       В соответствии с рекомендациями [1] высоту печи принимаем равной:

в томильной  зоне - 1,65 м, 

в сварочной - 2,8 м,

в методической зоне -1,6 м.

       Находим степени развития кладки (на 12 м длины печи) по формуле

       Здесь H-высота печи для различных зон, .

Для методической зоны w_м.=1,3

Для сварочной  зоны w_св.=1,5

Для томильной зоны w_т.=1,3083

       Определим эффективную длину луча по формуле

Методическая  зона  S_эф.= 2,551 м;

Сварочная зона  S_эф.= 4,112 м;

Томильная зона  S_эф.= 2,621м. 

2.2. Определение времени  нагрева металла  в методической  зоне.

       Находим степень черноты дымовых газов e_г^м при средней температуре

      t_г=0,5·(1631,75+1050)=1340,88 °С.

       Парциальные давления CO₂ и H₂O равны:

      p_CO2=98,1·0,117=11,477 кПа;

      p_H2O=98,1·0,148=14,518 кПа;

      p_CO2·S_эф.=11,477·2,551=29,278 кПа·м;

      p_H2O·S_эф. =14,518·2,551=37,035 кПа·м.

       По номограммам [1, рис.13-15]  находим

      e_CO2=0,12 e'_H2O=0,19; b=1,08. 

  Тогда e_г^м=e_CO2+b·e'_H2O                                                          (2.2.1)

        Степень черноты дымовых газов     e_г^м =0,12+1,08∙0,19=0,3252

        Приведенная степень черноты рассматриваемой системы равна

        Степень черноты металла принята равной  e_м=0,8.

        Отсюда e_пр =0,510

        Примем температуры металла :

Температура начала поверхности - t_пов^нач =0°C;

Температура начала центра - t_ц^нач =0°C;

Температура конца  поверхности - t_пов^кон =500°C;

Температура конца  центра - t_ц^кон =400°C.

        Средний по длине метод. зоны коэффициент теплоотдачи определяем по формуле:

         где C₀=5,7 Вт/(м²·°K²) -константа излучения черного тела.

        Отсюда a_изл=185,81 Вт/(м²·°K)