Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Расчёт горения топлива

Содержание

1. Аннотация…………………………………………………………………….ст.4

2. Расчёт горения топлива…………………………………………………...ст.5

3. Расчёт времени нагрева металла………………………………………..ст.8

4. Определение основных размеров печи…………………………………..ст.18

5. Тепловой баланс печи……………………………………………………….ст.20

6. Выбор горелочных устройств……………………………………………ст.28

7. Охрана труда………………………………………………………………..ст.30

Библиографический список.....................................................................ст.35

1 АННОТАЦИЯ

В данной работе рассчитывается печь с шагающим подом для нагрева блюмов среднеуглеродистой стали производительностью P = 80,556 кг/с (290т/ч). Блюм имеет сечение 0,26x0,26м² и длину l =11,1 м. Печь отапливается природным газом при помощи плоскопламенных горелок. Начальная температура металлаt_м^нач = 0 ⁰С, конечная температура поверхности t_м^кон= 1200⁰С, перепад температур по сечению блюма в конце нагрева _Δt=50⁰С

2 РАСЧЁТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

Таблица 1- Состав сухого газообразного топлива

Наименование месторождения природного газа	CO₂	N₂	CH₄	C₂H₆	C₃H₆	C₄H₁₀	C₅H₁₂
Нибельское	0,01	-	97,0	1.8	0,8	0,2	0,1

Находим низшую теплоту сгорания природного газа заданного состава (кДж/м³):

Находим расход кислорода для сжигания природного газа при коэффициенте расхода воздуха n=1

Расход сухого воздуха при n=1,05 (м³/ м³):

где: k=

= 1,05

Находим состав продуктов сгорания (м³/ м³):

Суммарный объём продуктов сгорания равен (м³/ м³):

= 1,044+2,034+8,157+0,103=11,338

Процентный состав продуктов сгорания:

Энтальпия продуктов сгорания (кДж/м³):

Зададим температуру (⁰С)

Определим энтальпию продуктов сгорания при температуре (⁰С).

Поскольку,,то калориметрическая температура горения t_к(⁰С)

3 РАСЧЁТ ВРЕМЕНИ НАГРЕВА МЕТАЛЛА

Определим ориентировочные размеры печи. При однорядном расположении металла ширина печи

В печах с плоскопламенными горелками свод выполняется не профилированным и по всей длине печи можно принять высоту свода равной Н=1,0м. Длина печи будет найдена после расчета времени нагрева металла.

Можно принять, что температура зоны горения по всей длине печи равна действительной температуре горения топлива

В нашем случае

(1981K)

Температуру газов в зоне теплообмена можно принять равной

Принимаем, что проектируемая печь имеет три тепловые зоны: методическую, сварочную, томильную; в конце методической зоны температура поверхности металла равна 600 °С, а в конце сварочной 1200 °С.

Определим время нагрева металла в методической зоне

Температура газов в зоне теплообмена :

в начале методической зоны:

℃

в конце методической зоны

Парциальные давления СO₂ и Н₂O в продуктах сгорания кПа:

Для рассматриваемого случая слой газов в зонах горения и теплообмена можно принять плоскопараллельным бесконечной протяженности. В этом случае эффективная длина луча определяется по формуле:

Толщину зоны горения принимаем равной H' = 0,1 м. Толщина зоны теплообмена Н" с учетом толщины металла δравна:

Находим и

Для зоны горения:

кПа∙м

По графикам при температуре находим

Поскольку найденные значения степеней черноты очень малы примем, что Это означает, что теплообмен между зоной горения и поверхностью кладки происходит только засчёт конвекции.

Для зоны теплообмена:

По графикам находим:

в начале методической зоны ℃

в конце методической зоны ℃

Плотность теплового потока излучением на кладку равна

в начале методической зоны

в конце методической зоны

Принимая значение коэффициента конвективной теплоотдачи от факела к кладке, равным , найдем плотность конвективного теплового потока . Для этого ориентировочно зададимся значением температуры кладки

Находим температуру кладки

=1360К(1087℃)

При расчете было принято, что ε_м = ε_к = 0,8.

Поскольку получено большое расхождение между принятым и рассчитанным значением принимаем новое значение температуры, равное среднеарифметическому из двух предыдущих.

Тогда

=1388К (1115℃)

Находим величину плотности результирующего потока в металл в начале методической зоны. Для этого по уточненному значению находим

в конце методической зоны

=1288,3К(1015℃)

Уточняем значение температуры кладки, задаваясь новой величиной t_к

Тогда снова вычислив определяем

Теперь расчитываем

Средняя по длине методической зоны плотность результирующего теплового потока на металл равна

Находим температуру центра блюма в конце методической зоны по формуле

Здесь λ₆₀₀ — коэффициент теплопроводности среднеуглеродистой стали при и он равен ;

S — расчетная толщина блюма.

В печи с шагающим подом изделия лежат на поду с зазором а, который в нашем случае принимаем равным толщине блюма, т.е. α=δ. По табл. находим коэффициент несимметричности нагрева μ=0,55и S=μα

S=0,55∙0,26=0,143м

Находим среднюю температуру металла:

в начале зоны

в конце зоны

по длине зоны

При средней температуре металла по длине методической зоны находим коэффициент теплопроводности среднеуглеродистой стали λ и удельную теплоемкость с:

λ=47,9

с=0,5

По формуле τ= находим время нагрева металла в методической зоне.

Определяем время нагрева металла в сварочной зоне.

Поскольку началом сварочной зоны является конец методической зоны, то из предыдущего расчета заимствуем:

В конце сварочной зоны

По графикам при

кПа∙м

находим

Задаваясь значением t_k находим

=1561К(1288℃)

Уточняем значение температуры кладки

Тогда

=1578К (1305℃)

По уточненному значению Т_к находим

Средняя по длине сварочной зоны плотность результирующего теплового потока на металл равна

Температура центра блюма в конце сварочной зоны

Средние температуры металла:

в начале сварочной зоны

в конце сварочной зоны

1200-

по длине зоны

При этой температуре находим

λ=26,5

с=0,695

Время нагрева металла в сварочной зоне

Определение времени томления металла.

Перепад температур по сечению металла в начале томильной зоны

в конце зоны

Степень выравнивания температуры

По графику находим Fo =1,9.

При средней температуре металла в томильной зоне

Находим значение коэффициента температуропроводности среднеуглеродистой стали α=5,556∙

Тогда время томления металла

Общее время нагрева металла

τ=

τ=3768+5312+7485=16564,5с

4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ПЕЧИ.

Для обеспечения производительности P=80,556 в печи должно одновременно находиться количество метала

G=Pτ

G=80,556∙16564,5=1334362

Масса одного блюма

g=bδlp

g= 0,26∙0,26∙7800∙11,1=5852,85 кг

Число блюмов, одновременно находящихся в печи

С учетом зазоров (а=0,125м) между блюмами длина печи равна

L=n

При ширине печи B=11,54м площадь пода F=BL=·11,54=986,67 Высоту всех зон оставляем прежней H = 1,0 м. Длину печи разбиваем на зоны пропорционально времени нагрева:

длина методической зоны

длина сварочной зоны

длина томильной зоны

Принимаем, что свод печи выполнен из шамота класса А толщиной 300 мм. Стены имеют толщину 460 мм, причем, слой шамота составляет 345 мм и слой тепловой изоляции (диатомитовый кирпич) 115 мм. Под печи двухслойный: высокоглиноземистый кирпич толщиной 460 мм и диатомитовый кирпич 115 мм.

5 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПЕЧИ

Поскольку распределение топлива по зонам печи с плоскопламенными горелками неизвестно, будем составлять позонные тепловые балансы, определяя расход топлива для каждой зоны отдельно. При составлении балансов примем некоторые упрощения: пренебрегаем переносом тепла излучения из зоны в зону; пренебрегаем продольным переносом тепла в зоне горения, так как размеры зоны горения малы (H' =0,1 м) и температура зоны горения принята одинаковой по всей длине печи (); будем опускать расходные статьи баланса, не превышающие 5 % от всего расхода.

Рисунок 1 - Распределение температур по длине печи с шагающим подом

Томильная зона

Приход тепла

Тепло от горения топлива

, кВт.

где В_т — расход топлива в томильной зоне, м³/с

Окислением металла пренебрегаем.

Расход тепла

Тепло, затраченное на нагрев металла

где при ; − то же, при .

Тепло, уносимое продуктами сгорания в зоне теплообмена при

Находим энтальпию продуктов сгорания при

=1921,86

Потери тепла теплопроводностью через футеровку печи.

Свод. Средняя температура внутренней поверхности (см. рис 1.). Примем температуру среды равной температуру наружной поверхности . Площадь свода (с учетом толщины стен)

толщина.

Средняя температура шамотного слоя равна

При этой температуре, согласно приложению XI, теплопроводность шамота равна

λ_Ш =0,7+0,64∙

Найдем потери тепла через свод

Где α_конв=1,3(10+0,06t_нар.)=1,3 Вт/(м²К)

Стены. Температуру внутренней поверхности стен принимаем равной Стены состоят из слоя шамота толщиной = 0,345 и диатомита =0,115 м.

С учетом толщины футеровки площадь поверхности стен равна: торцевой (11,54+2∙0,46)∙(1+0,3)=16,198 м²; боковых 2∙(38,63 + 0,46)∙(1+0,3)=101,634 м²; общая =16,198+101,634=117,832 м².

Для вычисления коэффициентов теплопроводности, зависящих от температуры, необходимо определить среднее значение температуры слоев. Средняя температура слоя шамота

а слоя диатомита

_д = (t' + 200)/2, °С,

где t' — температура на границе раздела слоев, °С

По приложению XI находим формулы для вычисления коэффициентов теплопроводности материалов

λ_ш = 0,835 + 0,58∙

Вт/(м∙К),

λ_д = 0,145+ 0,314∙

Вт/(м∙К).

При стационарном режиме.

Подставляя значения коэффициентов теплопроводности, получим.

Решая это уравнение, получим t' =977°С.

Тогда

λ_ш = 0,835 + 0,58∙ Вт/(м∙К),

λ_д = 0,145+ 0,314∙ Вт/(м∙К).

Учитывая, что согласно примечанию

найдем потери тепла через стены печи

Под. Температуру внутренней поверхности пода принимаем равной = 1200°С, наружной поверхности tнар=140°С. Под состоит из слоя высокоглиноземистого кирпича толщиной = 0,46 м и слоя диатомита толщиной =0,115 м. Площадь пода равна площади свода

Аналогично вышеприведенному расчету для боковых стен находим

t' = 563°С; _вг= (1200 +563)/2 =881,5°С и t_д=(563+140)/2 = 351,5°С.

Теперь, согласно приложению XI, находим

Вт/(м∙К),

Вт/(м∙К).

а в соответствии с примечанием

Потери тепла через под печи равны

Общие потери тепла теплопроводностью через футеровку печи равны

Неучтенные потери принимаем равными 10 % от тепла горения топлива

Уравнение теплового баланса томильной зоны

Вт=0,67

Сварочная зона

Баланс энергии для сварочной зоны составляем так же, как и для томильной. Поэтому буду приводить только окончательные результаты расчетов, уточняя там, где это необходимо.

Приход тепла

Тепло, вносимое продуктами сгорания из томильной зоны

Расход тепла

Энтальпия дыма рассчитана при =1485°С

3. Потери тепла теплопроводностью через футеровку печи.

Свод. Средняя температура внутренней поверхности свода равна

t_к = 1132,7 °С

Площадь свода равна

= (11,54+ 2∙0,46)∙27,42= 341,65 м².

Потери тепла через свод, кВт:

= 2173 кВт.

Боковые стены. Средняя температура внутренней поверхности боковых стен.

= 0,25 ∙(1100+ 1400 + 600 + 1200) = 1075 °С.

Площадь поверхности боковых стен

= 2∙27,42∙(1+0,3) = 71,292 м²

Потери тепла через боковые стены , кВт:

= 271 кВт.

Под. Средняя температура пода равна

= (1200 + 600)/2 = 900° С.

Площадь поверхности пода равна площади поверхности свода

=552,52 м²

Потери тепла через под, кВт:

= 741 кВт.

Суммарные потери через футеровку сварочной зоны

=271 + 2173 + 741 = 3185 кВт.

4. Неучтенные потери

= 0,1∙=3815 B_св

Уравнение теплового баланса сварочной зоны печи

36017

Методическая зона

Приход тепла

Расход тепла

Энтальпия дыма рассчитана при =1485°С

3.Потери тепла теплопроводностью через футеровку печи.

Свод. Средняя температура внутренней поверхности свода равна

t_к = (1015 + 1573)/2 = 1294 °С

Площадь свода равна

= (11,54 + 2∙0,46)∙19,45= 242,35 м²

Потери тепла через свод, кВт:

= 557кВт

Боковые стены. Средняя температура внутренней поверхности боковых стен.

= (1573+800)/2 = 1186°С

Площадь наружной поверхности боковых стен

= 2∙19,45 (1 +0,3) =50,57

Площадь поверхности торцевой стены

Суммарная площадь стен в методической зоне

Потери тепла через боковые стены , кВт:

= 153 кВт.

Под. Средняя температура пода равна

= (600+0)/2 = 300° С.

Площадь поверхности пода равна площади поверхности свода

=242,35м²

Потери тепла через под, кВт:

= 29,7 кВт.

Суммарные потери через футеровку методической зоны

4.Неучтенные потери

Уравнение теплового баланса методической зоны

Общий расход топлива

В=

В=0,276+2,69+0,67=3,636

Распределение топлива по зонам печи производится следующим образом: методическая зона 6%, сварочная зона 80%; томильная зона 14 %.

Удельный расход тепла на нагрев 1 кг металла

6 ВЫБОР ГОРЕЛОК

Для осуществления равномерного нагрева свода принимаем шахматное расположение горелок на своде печи с шагом по длине и ширине печи S=2м. Тогда число рядов горелок по длине печи

из них по длине методической зоны

; томильной зоны

По ширине печи размещается

Так как принято шахматное расположение горелок, то по длине печи будут чередоваться ряды с 5 и 4 горелками в поперечном направлении.

Тогда в методической зоне будет 45, в сварочной 63 и в томильной зоне 86 горелок.

Расход природного газа на одну горелку равен:

в методической зоне

в сварочной зоне

в томильной зоне

По графику находим , что в методической зоне целесообразно использовать плоско пламенные горелки ГПП-3, причём в зависимости от имеющегося в распоряжении давления газа можно выбрать горелку ГППН-3 при давлении газа перед горелкой 0,8 кПа и давлением воздуха 0,8 кПа; горелку ГППС-3 при давлении газа перед горелкой 4,0 кПа и давлением воздуха 0,8 кПа; горелку ГППВ-3 при давлении газа перед горелкой 24 кПа и давлением воздуха 0,8 кПа.

Аналогично выбираем горелки для сварочной и томильной зоны печи. Результаты представляем в таблице 1.

Таблица 2. Распределение плоскопараллельных горелок по зонам печи с шагающим подом.

Зона

Тип горелок

Производительность по газу,

Давление, кПа

газа

воздуха

Методическая

ГППН-3

ГППС-3

ГППВ-3

0,8

4,0

24,0

0,8

Сварочная

ГППН-6

ГППС-6

ГППВ-6

1,5

3,9

1,0

0,8

Томильная

ГППН-6

ГППС-6

ГППВ-6

0,2

1,0

10,0

0,2

7 МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОХРАНЕ ТРУДА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Для безопасности работы персонала, обслуживающего нагревательные печи, обязательно выполнение правил по технике безопасности.

Взрывчатая смесь может образоваться, если до пуска печи газопровод не был продут. Воздух, оставшийся в газопроводе, смешиваясь с газом, образует взрывчатую смесь. Продувка газопровода газом с удалением его через продувочную свечу и последующая проверка содержания в нем кислорода – обязательные операции, предотвращающие взрыв.

При резком снижении давлении газа воздух через горелки может попасть в газопровод и образовать взрывчатую смесь. Для предупреждения этого необходимо газопровод и печь отключать при давлении менее 200 – 400 Н/м².

Взрывчатая смесь образуется во время ремонта при плохой продувке газопровода или при проникновении в него газа через не плотности в задвижках. Во избежание этого надо устанавливать заглушку, отсекающую ремонтируемый участок газопровода от действующей сети, и своевременно продувать его.

Взрывчатая смесь образуется при попадании в воздухопровод газа или паров мазута через горелку при небольшом давлении воздуха, а также при не правильном пуске печи с отключенным вентилятором, т. е. когда вначале подают газ и поджигают его, а затем включают вентилятор. При этом газ может проникнуть в воздухопровод и образовать взрывчатую смесь, попадание которой на костер, горящий в печи, или факел запальника приводит к взрыву.

Для предупреждения взрывов при пуске печи предварительно включают вентилятор, продувают воздухопровод, а затем уже включают горелки.

Взрывы газов в печи, топке и борове могут произойти в следующих случаях:

– при недостаточной плотности запорных задвижек у горелок, через

которые газ просачивается и заполняет печь;

– при нарушении инструкции при пуске печи, когда вначале подают газ, а потом подносят к горелке факел, который может погаснуть;

– в низкотемпературных печах, работающих при температурах не выше 500^оС (ниже предела воспламенения газа), когда газ подается с избытком; при этом газ, не успевший сгореть в топке, может образоваться взрывчатая смесь в рабочем пространстве печи;

– при прекращении горения топлива в низкотемпературных печах с автоматическим регулированием температуры при выключении и включении горелок;

– при работе печи с недостатком воздуха, когда топливо, не сгорающее в печи, смешивается в боровах с воздухом, засасываемым через не плотности в шиберах и кладке, и образует взрывчатую смесь;

– при испарении мазута, когда его подают в большом количестве, особенно в начальный период пуска печи; при испарении его образуется взрывчатая смесь.

При перекрытии вентилей, установленных на трубах, подающих и отводящих воду от водоохлаждающей арматуры (рам, заслонок, глиссажных труб), оставшаяся в арматуре вода испаряется, давление в трубах резко повышается, что может привести к разрыву вентилей. Для предупреждения этого регулировочные вентили следует устанавливать только на трубах, подводящих воду к арматуре; на трубах, отводящих ее, их устанавливать нельзя.

Цилиндры пневмотолкателей и подъемников могут взорваться в том случае, если толщина их стенок мала, и не рассчитана на давление, оказываемое на стенки. Разрывы чугунных крышек и взрыв цилиндров особенно опасны.

Во избежание взрывов пневмоцилиндров толщину стенок следует определять расчетом. После сборки цилиндры должны подвергаться особым гидравлическим испытаниям при повышенном давлении. Испытывать их компрессорным воздухом или паром запрещается.

Взрыв в селитровых ваннах может произойти при прогорании стенок тигля. При температуре выше 600^оС селитра интенсивно испаряется, осаждается на одежде персонала, обслуживающего ванны, стенах здания и оборудовании, что не безопасно. Поэтому при эксплуатации селитровых ванн необходимо соблюдать правила по технике безопасности. Нельзя использовать ванны с наружным обогревом, они должны быть с внутренним обогревом специальными трубчатыми электронагревателями. Должно быть исключено попадание в селитру аммонийных и фосфатных солей, алюминиевой и магниевой стружки и органических соединений, с которыми, соединяясь, селитра образует взрывчатые соединения.

В масляных ваннах возможны перегрев и воспламенение масла. Для безопасной работы температура воспламенения масла должна быть на 80 – 100^оС выше температуры нагрева деталей. В масляных ваннах имеются устройства для гашения пламени паром и сливные баки для аварийного спуска масла.

Для предупреждения перегрева селитры или масла предусмотрены автоматическое регулирование температуры и автоматическая сигнализация, предупреждающие обслуживающий персонал о повышении температуры селитры или масла выше допустимой.

При разогреве соль, застывшая на дне холодной соляной ванны, быстро плавится, тогда, как верхние ее слои находятся еще в твердом состоянии. При этом объем расплавленной соли увеличивается, гидростатическое давление на стенки тигля повышается, и он может взорваться. Во избежание этого соль в ваннах нельзя доводить до полного затвердевания. Если же она затвердела, то, используя специальные приспособления, расплавляют верхние слои соли.