Расчет методической трехзонной печи

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

“Южно-Уральский Государственный Университет”

Факультет “Энергетический”

Кафедра “Промышленная теплоэнергетика” 
 
 
 
 
 
 
 

Расчет  методической трехзонной печи 
 
 
 

Курсовая  работа по дисциплине

“Теплотехника” 
 

Руководитель: 

Автор работы:

студент группы

                     

 ФМ-357

«__»________2011г 

Работа защищена

с оценкой

__________2011г 
 
 
 

Челябинск

2011г

Содержание.

Введение……………………………………………………………………………………………………….2

Расчет горения  топлива……………………………………………………………………………………..4

Расчет теплообмена и нагрева металла по зонам……………………………………………….……..7

Определение основных размеров печи………………………………………………………………….14

 

Введение

    Конечную  продукцию прокатного производства получают путем многократного обжатия  заготовок. Заготовки, перед прокаткой, должны быть нагреты, в зависимости  от сорта прокатываемого материала. Нагревают заготовки в нагревательных печах, которые располагаются в непосредственной близости от прокатных станов. Конструкции таких печей весьма разнообразны. Топливом для них могут служить: доменный, коксовый, природный газы или мазут. Среди печей непрерывного действия наибольшее распространение получили методические нагревательные печи на газообразном или жидком топливе.

    Главной целью управления процессом нагрева  металла в методической нагревательной печи является выбор и поддержание  определенного теплового режима, обеспечивающего равномерно прогретый  по сечению металл с заданной кристаллической  структурой и свойствами, а также  снижение угара металла. Помимо этого необходимо создать экономически выгодное, безопасное и безаварийное функционирование печи. Основным признаком классификации методических печей является число зон. При этом различают зоны сжигания топлива и температурные зоны печи.

    Под зонами сжигания топлива понимают части  рабочего пространства, снабженные топливно-сжигающими устройствами и отделенные друг от друга нагреваемым металлом и  пережимами свода или пода. Число  зон сжигаемого топлива характеризует  конструктивные особенности печи, профиль  ее рабочего пространства, размер камер  и т.д.

     Под температурными зонами понимают части рабочего пространства с существенно выраженными отличиями рабочего режима. Регулировка температуры осуществляется в каждой зоне печи в отдельности путем изменения подачи газа в каждую зону. Регулировка и поддержание температуры является очень важной задачей, т.к. отклонение от заданной температуры может сильно повлиять на многие характеристики металла, что в свою очередь увеличивает количество угара металла, ведет к перерасходу топлива, и делает невозможной дальнейшую обработку заготовок.

    Число температурных  зон печи характеризует режим  ее работы. Различают трехзонный и двухзонный температурные режимы печи. При трехзонном режиме по длине рабочего пространства печи различают три характерные температурные зоны: томильную, сварочную и методическую.

     В методических нагревательных печах осуществляется противоточная схема движения материалов и продуктов сгорания топлива, т.е. продукты сгорания топлива, сжигаемого в томильной и сварочной зонах, отводятся через методическую зону.

    В сварочной  зоне наиболее высокая температура  газов, мало меняющаяся по длине. Металл в этой зоне нагревается интенсивно за счет подачи тепла от теплоносителя. В методической зоне по длине происходит существенное снижение температуры газов. Как правило, методическая зона не отапливается. Ее нагрев осуществляется за счет отходящих дымовых газов, поступающих из других зон. Томильная зона служит для выравнивания температуры по сечению материала. Величина температуры и тепла, необходимого для нагрева заготовки зависит от ее толщины.

    В методические печи загружают холодные или горячие  заготовки. Загрузка осуществляется через  окно посада со стороны методической зоны так, чтобы их продольные оси  были перпендикулярны продольной оси  печи, а боковые грани соприкасались  по всей длине. Такое положение заготовок  позволяет максимально заполнить  активную площадь печи. Загрузка очередной  заготовки сопровождается проталкиванием заготовок загруженных ранее  к окну выдачи. По мере продвижения  в печи, металл нагревается  постепенно до определенной температуры за счет сгорания топлива, которое поступает  через инжекционные горелки. В горелки поступает воздух из атмосферы для обеспечения наилучшего горения. Перед тем, как топливо поступает в горелки, его подогревают в рекуператоре. Сам рекуператор нагревается с помощью отходящих дымовых газов.

    После того, как металл нагрели до определенной температуры, его при помощи толкателей выталкивают из печи и по рольгангам он поступает на стан.

    Методическая  печь, как тепловой агрегат отличается сложностью протекающих в ее рабочем  пространстве процессов движения газов, внешнего и внутреннего теплообмена.

    Расчеты производятся отдельно для каждой температурной  зоны печи.

    Продолжительность нагрева металла по зонам определяется по приращению теплосодержания металла и среднему тепловому потоку на металл в зонах.

    К достоинствам печи можно отнести непрерывный  характер ее работы, постепенный нагрев и сравнительно стабильный тепловой режим.

    К недостаткам  можно отнести большие потери с охлаждающей водой в водоохлаждаемых подовых трубах, а к недостаткам конструкции – тот факт, что при увеличении производительности печи влечет за собой ее удлинение,  а длина печи ограничена силами трения заготовок о водоохлаждаемые трубы. 

 

Расчет  горения топлива.

    Химическая  энергия топлива является одним  из основных источников получения тепла  в промышленных печах. Расчет горения топлива является необходимой составной частью теплотехнического расчета промышленных печей. Целью расчета является определение необходимого для горения воздуха или обогащенного кислородом дутья, а также количества и состава продуктов сгорания.

    Сначала требуется пересчитать состав сухого газа на влажный. Для чего нужно определить содержание водяного пара в газах.

    1. Содержание водяного пара в газах:

                                                     

    W-влажность газа (г/м³)

    H₂O_п.г. =100

    Н₂О_к.г.=100

    Состав  влажных газов вычисляется по формуле:

    Х_i^вл.=Х_i^. , где

    Х_i^вл- объемная доля компонента во влажном газе,

    Х_i- объемная доля компонента в сухом газе.

    Для природного газа значение выражения в скобках  будет равно:

1. 5,857/100)=0,941

Для коксового  газа:

(1-4,173/100)=0,958

Природный газ:

СН₄^вл=0,941∙СН₄=0,941∙93,8=88,31%

С₂Н₆^вл=0,941∙С₂Н₆=0,941∙4,9=4,61%

СО₂^вл=0,941∙СО₂=0,941*0,6=0,56%

N₂^вл=0,941∙N₂=0,941∙0,7=0,66%

Коксовый газ:

СН₄^вл=0,958∙ СН₄=0,958∙25,5=24,4%

С₂Н₆^вл=0,958∙ С₂Н₆=0,958∙ 2,3=2,024%

СО₂^вл=0,958∙ СО₂=0,958∙ 2,4=2,3%

O₂^вл=0,958∙О₂=0958∙0,5=0,47%

СО^вл=0,958∙СО=0,958∙6,5=6,23%

Н₂^вл=0,958∙Н₂=0,958∙59,8=57,3%

N₂^вл=0,958∙ N₂=0,958∙ 3=2,87%

Состав смешанного газа вычисляется по формуле:

x_i^см = х_п.г. ∙ Х_п.г. + х_к.г∙ Х_к.г.

СН_4(см)=24,4∙0,9+88,31∙0,1=30,79%

С₂Н_6(см)=2,204∙0,9+4,61∙0,1=2,445%

СО_2(см)=2,3∙0,9+056∙0,1=2,126%

О_2(см)=047∙0,9=0,423%

СО_(см)=6,23∙0,9=5,607%

Н_2(см)=57,3∙0,9=51,57%

N_2(см)=2,87∙0,9+0,66*0,1=2,649%

СO_2(см)+СH_4(см)+ С₂H_4(см)+ N_2(cм)+ CO_(cм)+ H_2(см)+О_2(см)+H₂O_(см)=99,952%≈100 %

При расчете смешанного газа объем сохранился приблизительно равным 100 %,

следовательно, доли коксового и природных газов рассчитаны верно. Результаты расчетов приведены в таблице 1.

Определим теплоту  сгорания топлива:

Q_н^р_см=0,127∙CO+0.108∙H₂+0.358∙CH₄+0.636∙C₂H₆=18.86 МДж/м³

Определим расход кислорода на горения смешанного газа используя следующую формулу:

Vo₂=0.01∙[0.5(CO+H₂)+ Σ(m + n/4)∙C_mH_m-O₂]

Vo₂=0.01∙[0.5(5.607+51.57)+(1+4/4) ∙30.791+(2+6/4) ∙2.445-0.423]=0.983 Мдж/м³

     Найдем  действительный расход воздуха:

     V_в=α∙ (1+к) ∙ Vo₂=1.1+ (1+79/21) ∙0.983= 5.15 (м³_в/м³_см )

     Вычислим компоненты продуктов сгорания:

     VRO₂=0.01(C0₂+CO+ Σm∙C_m∙H_n) 

     Таблица 1.

     VRO₂ = 0.01∙(2.126+5.607+30.791+2∙2.445)=0.434 (м³_RO2/м³_смесь)

     VН₂О= 0,01∙(Н₂О+Н₂+0,5∙Σn∙C_m∙H_n)=0.01(4.341+51.57+0.5∙4∙30.791+6∙2.445)=

     =1.942 (м³_H20/м³_смесь)

     VN₂=0.79∙V_в+0.01∙N₂=0.79∙5.15+0.01∙2.649=4.095(м³_N2/м³_смесь)

     V0₂=(α-1) ∙VO₂=0.1∙0.983=0.098(м³_O2/м³_смесь)

     Общий объем продуктов сгорания:

     V_Д.Г.= ΣV_iД.Г.=6,57 (м³/м³_смесь)

     Объемные  доли продуктов сгорания при нормальных условиях:

     rRO₂= VRO₂/ V_Д.Г=6.6%

     rH₂O= VН₂О/ V_Д.Г =29.5%

 

Расчет  теплообмена и нагрева металла по зонам

t,⁰C

t₀

t_ух

τ,мин

τ_мет

τ_св

τ_том

t_ц

t_пов

t_г

Трехступенчатый режим нагрева металла: tг-температура продуктов сгорания; tпов,tц- температуры поверхности и середины металла

    Определим ширину рабочего пространства печи:

    

    Где n – число рядов заготовки

    L – длина заготовки

    B=2∙5+3∙0.3=10.9м

    Методическая  зона

    Примем  высоты в методической зоне:

    h_в=0,9м

    h_н=0,9м

Определим средний  угловой коэффициент излучения  кладки на металл и эффективную длину:_{lэф=3,6*B*hi/2*hi+2*B= 3,6*10,9*0,9/+2*(0,9+10,9)=1,5 м}

Φ_кл.=F_м/F_кл=L_дл/(2*h_i+B)=5/(2*0.9+10.9)=0.394

Парциальные давления РСО₂ и РН₂О:

P_i=r_i ∙ P_смесь = r_i%/100∙10² КПа, тогда

РСО₂=6,6КПа, а

РН₂О=29,5КПа

l_эф∙ РСО₂=1.5∙6.6=9.9 КПа∙м

l_эф∙ РН₂О=1, 5∙29, 5=44, 25 КПа∙м

С помощью этих данных определяем по графику степень черноты газа и водяных паров:

Начальные: ε_СО2^мет. = 0,11; ε_Н2О^мет. = 0,235

Конечные:  ε_СО2^мет. = 0,08; ε_Н2О^мет. = 0,18.

Коэффициент β, учитывающий  несколько большее излучение  водяных паров в смеси по сравнению  с СО₂, равен β=1,12

Перерасчет степени  черноты для методической зоны с  коэффициентом β:

ε_н = ε_СО2 + ε_Н2О·β=0,11+0,235∙1,12=0,373

ε_к = ε_СО2 + ε_Н2О·β=0,08+0,181,12=0,285

Примем следующие  значения температур

T_{пов. мет(.теор)}=600°С

Т_{сер. мет.(теор)}=500°С

Т^св_газ=1340°С

Т _ух.газ.=900°С

Определим поток  тепла, падающий на поверхность металла:

Рассчитаем коэффициент  излучения системы газ-кладка-металл для методической зоны.

_{Cгкм=С0·εмет·εг·φкм·(1-εг)+1/ φкм·(1-εг)+[ εмет+ εг·(1-εг)+ ε}

где Со- коэффициент лучеиспускания АЧТ =5,67 Вт/(м²·К⁴);

ε_{ме -} степень черноты металла;

ε_г - степень черноты газа.

=0,8

Рассчитаем  плотность теплового потока в  системе. Согласно теории лучистого  теплообмена в системе ГКМ, она  рассчитывается:

Определим лучистый коэффициент теплоотдачи на входе  и на выходе из зоны:

Найдем действительные температуры поверхности и середины металла в конце методической зоны:

Вычислим число  Био:

Определим число  Фурье Fo = 1.1

По Bi и Fo используя номограмму, находим

Используя графики, определяем температурный критерий для поверхности и середины пластины:

 

Реальные температуры  поверхности и середины металла:

Из таблицы заданных теплотехнических свойств определяется коэффициент теплопроводности λ, теплоемкость с, плотность ρ,

λ = 19 Вт/(м°С);

с = 630 Дж/(кг°С);

ρ = 8310 кг/м³

Определяем коэффициент температуропроводности:

Число Фурье: F₀ =1,1; тогда τ = F₀· (S/2)²/ а =3·0,15²/3,36·10^-6=6819,66 сек = 113,66 мин 

Сварочная зона.

Примем среднюю  высоту сварочной зоны равной:

Определим средний  угловой коэффициент излучения  кладки на металл и эффекивную длину:

l_эф∙ РСО₂=2,71∙6.6=17,88 КПа∙м

l_эф∙ РН₂О=2,71∙29, 5=79,95 КПа∙м

С помощью этих данных определяем по графику степень черноты  газа и водяных паров:

ε_СО2^мет. = 0,0975; ε_Н2О^мет. = 0,23

Коэффициент β, учитывающий  несколько большее излучение  водяных паров в смеси по сравнению  с СО₂, равен β=1,115

Перерасчет степени  черноты для методической зоны с  коэффициентом β:

ε_г = ε_СО2 + ε_Н2О·β=0,0975+1,115·0,23=0,362

Т_{пов кон}=1240°С

Рассчитаем коэффициент  излучения системы газ-кладка-металл для сварочной зоны.

где Со- коэффициент лучеиспускания АЧТ =5,67 Вт/(м²·К⁴);

ε_{ме -} степень черноты металла;

ε_г - степень черноты газа.

=0,8

Рассчитаем плотность  теплового потока в системе.

Средний лучистый коэффициент  теплоотдачи сварочной зоны:

Найдем температуру  середины металла в конце сварочной  зоны

Вычислим число  Био

Определим число  Фурье 

По Bi и F_o используя номограмму, находим

Находим  конечную температуру середины слитка:

Теплофизические свойства заготовки при данной температуре:

ρ = 8040/м³;

λ = 25 Вт/(м·°С);

с =700 Дж/(кг·°С).

По этим данным найдем коэффициент температуропроводности сварочной зоны:

Число Фурье: F₀ = 1; тогда  τ_св. = F₀· (S/2)²/ а=1·0,15²/4,44·10^-6=5065,2 сек=84,42 мин.

Томильная зона.

     Примем  для томильной зоны

Теплофизические свойства заготовки:

ρ = 8040 кг/м³;

λ = 25 Вт/(м·°С);

с = 700 Дж/(кг·°С).

По этим данным найдем коэффициент температуропроводности томильной зоны:

Число Фурье определяем по нанограмме отношения

  F₀ = 0,7; тогда τ_том. = F₀· (S/2)²/ а=0,7·0,15²/4,44·10^-6= 3547 сек = 59мин

Основные  размеры печи

По заданной производительности печи определим  длину активного пода:

L_а = (Р·τ)/(S · L_дл. · ρ_ме(i) · n),

     где,

n - нарядность укладки

Р - производительность печи

τ  - время

ρ –плотность металла

L_а = 200000· (1,89+1,41+0,98)/(0,3· 5 · 8040 · 2)= 32,2 м

Определим длину полезного пода:

L_n= L_a/к₃,

где к₃ = 0,98 – коэффициент, учитывающий длину заготовки.

Тогда L_n^. = 32,2/0,98=32,8

L_мет=32,8·1,89/4,81=12,9м

L_свар=32,8·1,41/4,81=11,7м

L_том=32,8·0,98/4,81=8,2м

Напряжение  активного пода:

H_a=P/F_a=200000/386.4=517,6 кг/(м²·Час)

где F_a – площадь активного пода F_a=L_a*l*n=32.2·6·2=386.4м².

Напряжение  габаритного пода:

Н_г=P/F_г=200000/373,9=534,9 кг/(м²·Час)

где F_г –поверхность габаритного пода F_г=L_г·В =34,3·10,9=373,9 м².

L_г-длина габаритного пода = L_n+L_н.р.=32,8+1,5=34,3м.

L_н.р-  длина нерабочего участка 

Список литературы

1. Степанцова Л. Г. Расчет нагревательных печей: Учебное пособие для курсового и дипломного проектирования. – Челябинск: ЧПИ, 1989 год 44с
2. М.О. Тарасенко Указания к расчету методических печей. Харьков, 2004 год НТУ 44с
3. Теплотехнические расчеты промышленных печей. Мастрюков Б.С. Изд-во «Металлургия» 1972год 368 с