Федеральное агентство по образованию

         Южно - Уральский государственный университет

         Кафедра промышленной теплоэнергетики

Курсовая  работа

“Расчет методической нагревательной печи” 
 
 
 
 
 
 

                                                                      Выполнил: Хаиров В.М.

                                           Группа: ФМ - 379

                                                    Проверил: Кетова С.З. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Челябинск

2005 
 
 

Дано:

1. Печь методическая толкательная трехзонная.
2. Производительность: P = 70(т/час) = 19,44кг/сек
3. Нагревательный металл: Сталь 50
4. Размер заготовки: 240 - 240 - 5000
5. Начальная температура металла: t_н = 10ْ С
6. Конечная температура: t_пк = 1200˚С
7. Конечный перепад температур по сечению слитка: _Δt_к = 50˚С.
8. Вид топлива – смесь газов: доменный, природный – 20:80

Химический  состав топлива: 

Расчет  внешней задачи теплообмена:

1) Расчет горения топлива

Пересчет состава сухой массы в рабочую.

Объем Н₂О в 100м³ смеси газов.

Н₂О = ( %), где W - влажность газа г\м²

• Н₂О_д.г. = %
• Н₂О_п.г. = %

2)Коэффициент  перерасчета на влажный газ:

• К_д.г. =
• К_п.г. =

3) Состав влажного  газа:

CH₄^вл = K*CH₄^с и тд. 

Доменный  газ:

CH₄^вл = 0,95*0,3 = 0,29%;

СО₂^вл = 0,95*12,5 = 11,88%;

O₂^вл = 0,95*0,2 = 0,19%

CО^вл = 0,95*27 = 25,65%

Н₂^вл = 0,95*5 = 4,75%

N₂^вл = 0,95*55 = 52,25%

Н₂О_д.г = 4,74%

Итого: 100% 

Природный газ:

CH₄^вл = 0,94*93,8 = 88,17%;

СО₂^вл = 0,94*0,6 = 0,56%;

N₂^вл = 0,94*0,7 = 0,66%

С₂Н₆^вл = 0,94*4,9 = 4,61%

Н₂О_п.г = 5,86%

Итого: 100% 
 
 
 
 
 

 
Теплота сгорания: 

Q_н^р = 0,127*CО + 0,106*Н₂ + 0,357*СН₄ + 0,596*С₂Н₆, МДж\м³

Q_н^р_дг = 0,127*25,65 + 0,106*4,75 + 0,357*0,29 = 3,87МДж\м³

Q_н^р_пг = 0,357*88,17 + 0,596*4,61 = 34,22МДж\м³

Q_н^р_см = Q_н^р_дг*Х_дг + Q_н^р_кг*Х_пг,

 где Х  - доля газа в смеси, МДж\м³

Q_н^р_см = 3,87*0,2 + 34,22*0,8 = 28,15 

Состав  смешанного газа: 

СН_4см = СН_4дг*Х_дг + СН_4пг*Х_пг и тд.

СН_4см = 0,29*0,2 + 88,17*0,8 = 70,6%

С₂Н_6см = 4,61*0,8 = 3,7%

СО_2см = 11,88*0,2 + 0,56*0,8 = 2,8%

O_2см = 0,19*0,2 = 0,04%

CО_см = 25,65*0,2 = 5,13%

Н_2см = 4,75*0,2 = 0,95%

N_2см = 52,25*0,2 + 0,66*0,8 = 11%

Н₂О_см = 4,74*0,2 + 5,86*0,8 = 5,64%

Итого:100% 

Зададимся коэффициентом избытка воздуха: α = V/V₀ = 1,08.

Теоретически  необходимый объем  воздуха для газообразного  топлива: 

V₀ = 0,0476·[0,5·СО^р + 0,5·Н^р + ∑(m + 0,25n)С_mН_n - O₂]·(1 + 0,00124d_в),                       где d_{в =} 10 г\см³ - влагосодержание  сухого воздуха

V₀ = 0,0476·(0,5·5,13 + 0,5·0,95+ (2 + 0,25·6)·3,7 + (1 + 0,25·4)·70,6 – 0,04)*

*(1 + 0,00124·10) = 7,6[м³],

тогда V_д.г. = 1,08·7,6 = 8,2[м³] 

Количество продуктов сгорания: 

V_RO2 = V_CO2

V _СO2 = 0.01(CО₂^р + СО^р + ∑m·C_mН_n) = 0.01(2,8 + 5,13 + 2·3,7 + 70,6) = 0,86   [м³]

V_Н2О = 0,01·[Н₂О^р + Н^р + ∑0,5·n·C_mН_n + 0.124·d]+0,0161· V_д.г.

 где d - влагосодержание

V_Н2О = 0,01(5,64 + 0,95 + 0,5·4·70,6 + 0,5·6·3,7 + 0,124·10) + 0,0161·8,2 = 1,73[м³].

V_N2 = (N₂ + 79·V_дг)·0,01 = (11 + 79·8,2) ·0,01 = 6,6[м³/м³].

V_О2 = 0,21·(α - 1) ·V₀ = 0.21·(1.08 - 1) ·7,6 = 0,13

Общий объем  продуктов сгорания:

V_об = V _СO2 + V_Н2О + V_N2 + V_О2 = 0,86 + 1,73 + 6,6 + 0,13 = 9,32 

Состав  продуктов сгорания:

СО_{2 =} %

Н₂О = %

N₂ = %

О₂ = % 
 
 
 
 
 

Расчет  нагрева металла.

Методическая  зона:

Зададимся рекомендуемым  сечением печи:

Ширина  печи: В = n∙l + (n + 1)∙σ

где n – число рядов заготовок

 σ = 0,3м – зазор между заготовками и стенками печи.

L – длина заготовки

В = 2∙5 + (2 + 1)∙0,3 = 11м

Высота  печи:

Томильная зона:h_Т = 1.6м,

Сварочная зона:h_св = 2,7

В конце методической зоны:h_м^к = 1,1

Средняя высота методической зоны:h_ср = 0,5∙( h_св + h_м^к) = 0,5∙(1,1 + 2,7) = 2м 
 

Т. к. λ²⁰ = 48(Вт/м∙с), т.е меньше 50,то

t^ух = 950˚С

t^св = 1300˚С

t^том =1250˚С 
 

По  зонный расчет внешней  и внутренней задачи:

Согласно  теории лучистого теплообмена, в  тепловом взаимодействии находятся 3 среды: кладка, дымовые газы, нагреваемый материал. Для расчета лучистого теплообмена в данной системе необходимо знать степень черноты кладки ε_кл., степень черноты газов, их температуру, степень черноты металла ε_г. ε_кл. и ε_ме определяются по таблице в зависимости от марки огнеупоров или класса металла. 

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

      φ_кл. = F_м/F_кл. =L_дл./(2h_i + В),

φ_кл^мет = 5/(2∙1.1 + 11) = 0.38

φ_кл^св = 5/(2·2,7 + 11) = 0,30

φ_кл^том = 5/(2·1,6 + 11) = 0,35

                    L_эф. = [3,6·h_iB/(2 h_i∙2В)

L_эф^мет_. = 3,6∙1,1∙11/(2·1,1 +2·11) = 1,8м

L_эф^св = 3,6·2,7·11/(2·2,7 + 2·11) = 3,9м

L_эф^том = 3,6·1,6·11/(2·1,6 + 2·11) = 2,5м 

Парциальные давления:

Р _СO2 = V _СO2 / V_об ∙ 1 = 0,09 атм

Р_Н2О = V_Н2О / V_об ∙ 1 = 0,19 атм 
 

Зная L_эф. и парциальные давления, по таблице определим степень черноты углекислого газа и водяных паров при определенной температуре дымовых газов: 

Коэффициент β  учитывает более интенсивное излучение водяных паров в смеси по сравнению с СО₂

ε = ε_СО2 + ε_Н2О·β, значит 

Начальные

ε^мет. = 0,124 + 0,230·1,100 = 0,377

ε^св. = 0,125 + 0,223·1,090 = 0,368

ε^том. = 0,108 + 0,195·1,100 = 0,323

Конечные

ε^мет. = 0,099 + 0,164·1,100 = 0,280

ε^св. = 0,125 + 0,223·1,090 = 0,368

ε^том. = 0,113 + 0,215·1,100 = 0,350 

Рассчитываем  коэффициент излучения системы  газ – кладка –металл для каждой зоны (ε_ме = 0,8): 

С_ГКМ = 5,67·ε_ме·ε_г·

5,67 - коэффициент лучеиспускания АЧТ; ε_{ме -} степень черноты металла; ε_г - степень черноты газа.

_{Начальные} 

С_ГКМ^мет. =

  =3,6Вт/(м²·К⁴) 

С_ГКМ^св.=                  =3,7Вт/(м²·К⁴) 

С_ГКМ^том.=    =3,4Вт/(м²·К⁴) 

Конечные 

С_ГКМ^мет. =

  =3,15Вт/(м²·К⁴) 

  С_ГКМ^св.=       =3,7Вт/(м²·К⁴) 

С_ГКМ^том.= =3,6Вт/(м²·К⁴) 

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

q = C_ГКМ·[(Т_г/100)⁴ - (Т_мет^пов./100)⁴] 
 

q_{мет. нач.} = 3,6·(12,23⁴ – 2,83⁴) = 80,3 кВт/м²

q_{мет.кон.} = 3,15(15,73⁴ – 8,23⁴) = 178,4 кВт/м²

q_св.нач. = 3,7·(15,73⁴ – 8,23⁴) = 209,6 кВт/м²

q_св.кон. = 3,7(15,73⁴– 14,73⁴) = 52,3 кВт/м²

q_{том.нач.} = 3,4·(15,73⁴ – 14,73⁴) = 48,1 кВт/м²

q_{том.кон.} = 3,6·(15,23⁴ – 14,73⁴) = 24,2 кВт/м² 

Определяем  лучистый коэффициент теплоотдачи  в начале и в конце каждой зоны:

α = q/(t_г - t_пов.) 

Средний лучистый коэффициент теплоотдачи методической зоны: 

α_мет.^нач. = Вт/(м²·°С)

α_мет.^кон. = Вт/(м²·°С)

α =

α = = 142,5 Вт/(м²·°С) 

Средний лучистый коэффициент теплоотдачи сварочной зоны: 

α_св.^нач. = Вт/(м²·°С) 

α_св.^кон. = Вт/(м²·°С) 

α_св.=  

α_св. = Вт/(м²·°С) 

Средний лучистый коэффициент теплоотдачи томильной зоны: 

α_том.^нач. = Вт/(м²·°С)

α_том.^кон. = Вт/(м²·°С)

  α_том =

 α_том.^кон. = Вт/(м²·°С)

Расчет  внутренней задачи теплообмена:

Расчет  нагрева металла  в методической зоне. 

Условием  длительности нагрева в методической зоне является достижение t_сер.(ц) ≈ 500°С. Распределение температуры при двустороннем обогреве имеет параболическое значение.

t_мет = t_сер. + ·(t_п. - t_сер.),

где к - коэффициент формы. Для пластинчатой заготовки к = 2.

Т. к. толщина заготовки = 240, то температура поверхности заготовки  в конце методической зоны:

t_д^к <500 + Δt_д <500 +50

t_мет.^кон. = 500 + 0,66·(550 - 500) = 533°С.

t_мет.^нач. =10°С.

t_мет.= = °С. 

По таблице  теплотехнических свойств определяется коэффициент теплопроводности λ, теплоемкость с, плотность ρ,

λ = 44 Вт/(м°С);

с = 517 Дж/кг°С;

ρ = 7810 кг/м³ 

Коэффициент температуропроводности:  

а = λ/(с·ρ)

а = 44/(517∙7810) = 1,1∙10 ^{- 5} 

Число Био:

В_i = α_мет. · S/λ,                S=δ/2

В_i =142,5 · 120∙10 ^{- 3}/50 = 0,34 

Безразмерная  температура середины заготовки:

Θ_{х = 0} = (t_г - t_{х = 0})/(t_г - t₀) = (1125 - 500)/(1125 - 10) = 0,53 

Число Фурье: F₀ = а · τ/S² = 2,1, тогда τ = F₀· S²/ а =2749 сек =

 =45.8 мин 

Зная  число Фурье и число Био, по номограмме найдем безразмерную температуру  для поверхности заготовки—Θ_{x = s} = 0,53.Отсюда по определению безразмерной температуры найдем температуру поверхности заготовки на выходе из методической зоны: 

 t_пов = t_г - Θ_{х = s}(t_г - t₀) = 1125 - [0.53∙(1125 - 10)] = 534°С. 

Расчет  нагрева металла  в сварочной зоне. 

Главное условие длительности нагрева металла  в сварочной зоне —достижение заданной конечной температуры поверхности металла. 

Средняя температура металла за сварочный период:

 t_св = (t_нач + t_кон)/2 

 t_св = (534 + 1200)/2 = 867°С. 

Теплофизические свойства заготовки при данной температуре:

ρ = 7810 кг/м³;

λ = 31 Вт/(м·°С);

с = 691Дж/(кг·°С). 

По этим данным найдем коэффициент температуропроводности сварочной зоны:

а = λ/ (ρ·c)

а =31/(7810·691)=5,47∙10 ^{– 6  м2}/с.  

 Число Био для сварочного периода:

В_{i св.} = α_св. · S/λ = 388,6 · 0,120/31 = 1,2             S=δ/2 

Безразмерная  температура для  поверхности заготовки:

Θ_{х = S} = (t_г^св. - t_{х = 0}^св.)/(t_г^св. - t₀^св.) = (1300 - 1200)/(1250 - 534) = 0,14 

Число Фурье:F_0св. = (а · τ)/S² = 2, тогда  τ_св. = F₀· S²/ а=5265сек =

=87,8 мин. 

По номограмме найдем безразмерную температуру середины заготовки:

Θ_{х = 0} = (t_{г св.} - t_{х = 0}^св.)/(t_г^св. - t₀^св.) = 0,21 

 Температура заготовки на выходе из сварочной зоны:

t_пов. = t_г^св. - Θ_{х = 0}· (t_г^св. - t₀^св.) = 1300 - [0,21 · (1300 - 534)] = 1139°С 
 

Расчет  нагрева металла  в томильной зоне:

Длительность  нагрева: ∆t_кон = t_п.к. - t_{х = 0}^том.→t_{х = 0} = 1200 - 50 = 1150°С 

Средняя температура поверхности: t_пов. = (1200 + 1150)/2 = 1175°С 

Теплофизические свойства заготовки  при этой температуре:

ρ = 7810 кг/м³;

 λ  = 27 Вт/(м·°С);

с = 584Дж/(кг·°С). 

По этим данным найдем коэффициент температуропроводности томильной зоны:

а = λ/ (ρ·с) = 27/(7810∙584)=5,9∙10^-6. 

Число Био для томильной зоны:

В_i = α_том. · S/λ = (482,5·0,120)/27= 2,1                 S=δ/2 

  Безразмерная температура середины заготовки:

 Θ_{х = 0} = (t_г^том. - t_{х = 0}^том.)/(t_г^том. - t₀^том.) = (1250 - 1150)/(1250 - 1139) = 0,9 

Число Фурье

  F₀ = 0,2 = (а_том. · τ)/S², тогда τ_том. = F₀· S²/ а= 488сек = 8,1мин 

Основные  размеры печи

По заданной производительности печи определим  длину каждой зоны:

L_i = (Р·τ)/(σ · L_дл. · ρ_ме(i) · n∙2),

где

n - нарядность укладки

Р - производительность печи

τ  - время

ρ –плотность металла

Для методической зоны: L = 70·2749/(0.240 · 5 · 7810 ∙2)= 11,1 м

Для сварочной зоны: L = 70· 5265/(0.240 · 5 · 7810 · 2) = 21,2 м

Для томильной зоны: L = 70· 488/(0.240· 5 · 7810 · 2)= 1 м 

Определим теоретическую длину:

  L_i^дейст. = L_пов.^теор./к₃,

где к₃ = 0,97 – коэффициент, учитывающий длину заготовки.

Тогда L_мет.^дейст. = 11,5 м; L_св.^дейст. = 21,9 м; L_том.^дейст. = 2 м

К длине  томильной зоны добавляется участок  в 1,2 - 1,5 м, учитывающий захолаживание металла из окна выгрузки.

L_∑ = L_мет.^дейст + L_св.^дейст. + L_том.^дейст. = 11,5 + 21,9 + 2 ≈ 35,4 м. 

Рассчитаем нагруженность габаритного пода:

H_г. = Р/ L_∑ · L_шир. = 70000/(35,4 · 0,240) = 8239кг/(час · м²). 
 

 h_T=1,6