Расчет методической толкательной печи

Содержание 

1.Введение.Краткое  техническое 

 описание  печи………………………..………………………………………………...2 

2.Расчет горения  топлива………………………………………………………………3 

3.Расчет нагрева  металла в печи……………………………………………………....6 

4.Определение  основных размеров 

печи…………………………………………………………………………………….11 

5.Тепловой баланс…………………………………………………………………….12 

6.Расчет рекуператора…………………………………………………………….…..15 

7.Выбор горелок………………………………………………………………………18 

8.Расчет аэродинамического 

сопротивления…………………………………………………………………..……..19 

9.Литература…………………………………………………………………………...22 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение.

Краткое техническое описание печи. 

Толкательная печь, проходная печь, через которую нагреваемые изделия транспортируют, проталкивая их по поду или подовым брусьям с помощью электрического или гидравлического толкателя, установленного перед торцом загрузки. Толкательные печи применяются в металлургии и машиностроении для нагрева металлических изделий перед горячей обработкой давлением или для термической обработки. Печи такого типа обеспечивают широкий интервал температур нагрева изделий — от 400 до 1400 °С. Толкательные печи классифицируют по конструктивным особенностям. Наиболее крупные из них применяют в прокатном производстве. В колёсопрокатном или кузнечном производстве при нагреве изделий малой длины их проталкивают по направляющим, имеющим корытообразное поперечное сечение. В случае термической обработки мелких изделий, рулонов стальной полосы, стоп листов или мотков проволоки их перед загрузкой в печь укладывают на поддоны, а иногда и накрывают муфелем. Проталкивание изделий через печь — наиболее простой метод транспортирования, требующий сравнительно несложного оборудования. Однако при этом трудно гибко управлять режимом нагрева, изделия повреждаются в результате трения о под (во избежание этого приходится применять поддоны или прокладки); освобождение печи от заготовок — трудоёмкая операция. С повышением требований к качеству нагрева,  а особенно при термической обработке, Толкательные печи вытесняются проходными печами более совершенных типов: печами с шагающим подом, с роликовым подом, кольцевыми печами, карусельными печами.

     К числу основных требований, предъявляемых  к печам, относят:

     1.Полное  удовлетворение требований технологии;

     2.Высокую  производительность печи при  минимальном расходе тепла и  минимальных потерях металла  (материала) при нагреве;

     3.Минимальный  расход материалов и времени  для постройки и ремонта при  минимальных капитальных затратах;

     4.Возможность автоматизации работы печей;

     5.Благоприятные  условия труда.

     Теплотехнические  расчеты выполняются с целью  конструирования новой печи или  выяснения изменений, которые произойдут в тепловой работе существующей печи при переходе к другим условиям эксплуатации. Все теплотехнические расчеты основаны на теории теплопроводности и закономерностях внешнего теплообмена, учитывающих процессы тепловыделения и движения печной среды. На внешний теплообмен в основном влияет конструкция печи, поскольку ею полностью или частично определяются: источник и способ передачи тепла; интенсивность тепловыделения и распределение тепла; соответствующие изменения во времени и пространстве температуры печной среды и обрабатываемых материалов; характер движения печной среды, включая распределение давления. 
 

Расчет  горения топлива.

Коэффициент расхода  воздуха n=1,5

Теплота сгорания генераторного газа:

Теоретический расход кислорода необходимого для  сжигания единицы топлива:

=0,01( )=0,01(2*2,7)=0,054

Действительный  объем сухого воздуха необходимый  для сжигания единицы топлива:

 

k-доля кислорода в воздухе:

Массовое количество воздуха: 
  

Качественный  состав продуктов сгорания согласно справочнику 1¹:  

 

 

 

 

 

Состав влажных  продуктов сгорания: 

При  сложении получим 100% 

1-стр.85 формула  96

 

Состав сухих  продуктов сгорания

При сложении получим 100%

Плотность продуктов  сгорания.

 

Определить теплоемкость продуктов сгорания  t=1200ºC

 

Физическое тепло, вносимое подогретым топливом и воздухом из расчета на единицу топлива:

 

 

При подогретом воздухе и топливе калометрическую  температуру определяют по выражению:

ºC

Энтальпия продуктов  сгорания равна согласно справочнику 1¹:

 

Задаются приблизительно t продуктов сгорания и определяют соответствующую ей энтальпию:

Примем t =2573 К (2300ºC)

Примем t =2773 К (2500ºC)

 Определяем  калометрическую температуру согласно  справочнику 1²:

ºC

Действительную  температуру в печи определяют с  учетом потерь на диссоциацию и теплопередачу  в окружающую среду:

ºC ; где

ŋ -опытный пирометрический коэффициент зависящий от потери топливосжигающих устройств или печи.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

_______________________________

1-стр.86 формулы  99 и 99а

2-стр.85 формула  98

Расчет  нагрева металла  в печи.

 

Двусторонний  нагрев δ=115 мм

ºC т.е. следует принять температуру поверхности заготовки в конце методической зоны 300ºC

При однорядном расположении заготовок ширина печи будет равна:

l=0,15м

а=0,2м-зазоры между  заготовками и стенками печи

Высоту печи принимаем:

в методической зоне- 1,6 м

в сварочной  зоне- 2,8 м

в томильной  зоне- 1,65 м

Степень развития кладки на 1м длинны печи:

методическая  зона

сварочная зона

томильная зона

Определяем эффективную  длину луча:

методическая  зона

cварочная зона

томильная зона

Определение времени  нагрева металла в методической зоне:

Находим степень черноты дымовых газов при средней ºC

Парциальное давление CO и H O

 

По номограммам  на рис.13-15 согласно справочнику 1¹:

; ; B=1,05

Тогда

Приведенная степень  черноты рассматриваемой системы  равна согласно справочнику 1²:

Степень черноты  металла принята 0,8

Средней по длине методической зоны коэффициент теплоотдачи излучением определяем по формуле согласно справочнику 1³:

 

Определяем температурный  критерий θ и критерий Bi:

 

 

Для углеродистой стали при средней по массе температуре металла:

ºC

a=11,39

По θ и Bi по номограммам рис.25 для поверхности цилиндра находим критерий Фурье согласно справочнику 1⁴:

Fo=12

Время нагрева  металла:

(1,2ч)

Находим температуру  центра заготовки в конце методической зоны рис.27 согласно справочнику 1:

θ =0,8

ºC

 
 
 
 
 
 

________________________________

1-стр.50-51

2-стр.46 формула 60

3-стр.49 формула 67б

4-стр.67-69

 

Определение времени  нагрева металла в первой сварочной  зоне:

Найдем степень  черноты дымовых газов при  t =1300ºС

По номограммам  как и в случае методической зоны находим:

;  ;   β=1,05

Принимаем температуру  поверхности металла в конце  первой варочной зоны 1000ºC

 
 

Находим среднюю  по сечению температуру металла  в начале сварочной зоны (в конце  методической):

ºC

Находим температурный  критерий для поверхности заготовки: 

Т.к.при средней  температуре металла  ºC (согласно приложению IX)  λ=35,7Вт/(мК); a=5,52 ; то

 

При определении  средней температуры в первой сварочной зоне было принято что  температура в центре заготовки  в конце зоны равна 850ºC.Теперь по номограмме рис.25 находим критерий Фурье: Fo=0,8

Определяем температуру  в центре заготовки в конце  первой сварочной зоны по номорграмме  θ =0,4:

t ºC

 
 
 
 
 
 
 

Определяем время  нагрева металла во второй сварочной  зоне:

Находим степень  черноты при t =1350ºC

По номограммам  определяем:

;  ;  β=1,05

Средняя температура  металла в начале второй сварочной  зоны:

ºC

ºC

λ=28,6 Вт/(м*К)

a=5,9

По номоргаммам: Fo=0,5

θ =0,45

t ºC

Определение времени  томления металла:

Перепад температур по толщине металла в начале томильной зоны составляет: 
ºC

Допустимый перепад  температур в конце нагрева составляет ºC

Степень выравнивания температур равна:

При коэффициентах  несимметричности нагрева равном μ=0,55 критерий Фурье для томильной зоны согласно номограмме Fo=0,58.

 
 

При средней  температуре в томильной зоне: 
ºC

По приложению IX (согласно справочнику 1 ) находим:

λ=29,6 Вт/(м*К)

Время томления:

Полное время  пребывания металла в печи:

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

________________________

1-стр.363-364

 
 

Определение основных размеров печи.

 

Для обеспечения  производительности 0,12 кг/с в печи должно одновременно находиться следующее количество металла: 

Масса одной  заготовки равна

Количество заготовок, одновременно находящихся в печи: 

При однорядном расположении заготовок общая длинна печи: 

При ширине печи B=0,55 площадь пода равна: 

Высоты отдельных  зон печи оставляем теми же, что  были приняты при ориентировочном  расчете. Длину печи разбиваем на зоны пропорционально времени нагрева металла в каждой зоне:

 

Длина первой сварочной  зоны: 

Длина второй сварочной  зоны:

Длина томильной  зоны:

Свод печи выполняем  подвесного типа из каолинового кирпича толщиной 300мм.Стены имеют толщину 460мм, причем слой шамота составляет 345мм, а слой изоляции (диатомитовый кирпич), 115мм.Под томильной зоной выполняем трехслойным: тальковый кирпич 230мм, шамот 23мм, и тепловая изоляция (диатомитовый кирпич) 115мм.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Тепловой  баланс

 

При проектировании печи за определением основных размеров следует конструктивная проработка деталей, согласно справочнику 1

Приход  тепла.

1.Тепло от  горения топлива 

 кВт

В-расход тепла  при нормальных условиях.

 

2.Тепло вносимое  подогретым воздухом 

 кВт

 

3.Тепло экзотермических  реакций (принимая, что угар металла составляет 1%)

 кВт

 

Расход  тепла.

1.Тепло затраченное на нагрев металла

 кВт

И приложения IX согласно справочнику 1

ºC

ºC

2.Тепло уносимое  уходящими дымовыми газами

кВт

ºC

 

3.Потери тепла теплопроводностью через кладку.

Потери тепла  через свод.

Площадь свода  принимаем равной площади пода 34 м ; толщина свода 0,3м, материал каолин.

Принимаем что  температура внутренней поверхности  свода равна средней по длине температуре газов, которая равна:

ºC

Температура окружающей среды 30ºC, то температуру поверхности однослойного свода можно принять равной 340ºC.

 
 

_________________________________

1-таблица №38 стр.181

2-приложение  IX стр.363

При средней  по толщине температуре свода:

ºC

 Вт/(м*К)

Тогда потери тепла  через свод печи будут равны: 

Потери тепла  через стенки печи.

Стены печи состоят  из слоя шамота толщиной м и слоя диатомита, толщиной м.

Наружная поверхность  стен равна:

методическая  зона

первая сварочная  зона

вторая сварочная  зона

томильная зона

 
торцы печи

Полная площадь  стен: 

Средняя температура  слоя шамота:

 где t’-температура на границе раздела слоев

Слой диатомита: 
где t -температура наружной поверхности стен которую можно принять равной 160ºC

 Вт/(м*К)

 Вт/(м*К)

В стационарном режиме:

Подставляя значения коэффициентов теплопроводности получим: 

или

Тогда

ºC

ºC

Окончательно  получим:

Общее количество тепла теряемое теплопроводностью  через кладку: 

4.Потери тепла с охлаждающей водой по практическим данным принимаем равными 10% от тепла, вносимого топливом и воздухом.

 кВт

5.Неучтенные  потери:

7500B+384B+6,78=284+1632B+2548+788B+382+118B

5346B=2352

B=0,6

 

Результаты расчетов сведем в таблицу

 
 

Удельный расход тепла на нагрев 1 кг металла:

кДж/кг

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Расчет  рекуператора

 

В игольчатом  рекуператоре воздух подогревается  до ºC;

Температура дыма на входе в рекуператор ºC;

Начальная температура  воздуха  ºC;

Расход воздуха  ;

Количество дымовых  газов  ;

Состав дымовых  газов: 
33,5%CO              60,65%N

0,27%O                   5,5%

Считаем, что  рекуператор собирается из труб длиной 0,88м с иглами только на воздушной  стороне.

Ориентировочно  примем скорость движения воздуха а скорость дымовых газов согласно справочнику 1 .

Находим температуру  уходящих дымовых газов. На входе в рекуператор при температуре 850ºC:

теплоемкость  дымовых газов согласно справочнику 1 .

На выходе из рекуператора теплоемкость дымовых  газов при  ºC:

Действительную  температуру дыма на выходе из рекуператора найдем из уравнения теплового баланса, учитывая, что утечка воздуха в дымовые каналы в игольчатых рекуператорах, составляет 10%

Решая это уравнение  получим: ºC

Для определения средней разности температур принимаем, что движение теплоносителей происходит по схеме перекрестного противотока.

ºC

 

___________________

1-табл.28 стр.125

2-прил.I стр.344

Для определения  поправки на перекрестный ток находим: 

Согласно справочнику 1 :

Суммарный коэффициент  теплопередачи находим согласно скорости движения воздуха 6м/с и  скорости дымовых газов 3м/с:

 

Находим количество тепла, передаваемого от дыма к воздуху согласно справочнику 1 :

Теперь можно  найти общую поверхность нагрева  рекуператора:

Выбирая трубы  длиной 880мм типа 17,5 согласно справочнику 1 находим, что условная поверхность этих труб равна 0,25м .

Общее число  труб n=3,2/,25=13

Необходимое общее  сечение для прохода воздуха: 

Необходимое сечение  для прохода дыма: 

Следовательно, по ходу движения воздуха должно быть установлено не менее 0,056/0,008=7 труб, а по ходу дыма 0,155/0,042=4 трубы, где 0,008м и 0,042м -проходные сечения для воздуха и дыма.

Принимаем, что  по ходу дыма установлено 4 трубы, а по ходу воздуха 4*2=8 труб. Тогда общее число ходов (по воздуху) рекуператора будет равно: 30/8=4 т.е. рекуператор будет четырехходовым.

Фактическое сечение  для прохода воздуха равно: 

Фактическая скорость воздуха: 

Фактическое сечение  для прохода дыма: 

Фактическая скорость дыма: 

 

_________________________

1-рис.48 стр.124

2-формула 116 стр.121

3-табл.30 стр.128

 
 

При фактических  значениях скоростей дыма и воздуха суммарный коэффициент теплопередачи равен  К=36Вт/(м²*К).

 

Общая поверхность  нагрева рекуператора: 

Т.к.полученное значение поверхности нагрева отличается от расчетного только на

 перерасчет не производим.

Потери давления на пути движения воздуха:

Коэффициент местного сопротивления  , тогда при средней температуре воздуха ºC

4-число ходов

Потери давления в трех коробах определяются так же, принимая коэффициент местного сопротивления равным

Потери давления на пути движения дыма: 
Учитывая, что на наружной поверхности трубы иглы расположены с шагом 17,5мм находим:

 

где n=8-число рядов по направлению движения дыма

      m=4- число труб в поперечном направлении

 Теперь при  средней температуре дыма  ºC находим