Теплотехнический расчет камерной нагревательной печи. 2

Министерство науки  и образования Российской Федерации

Саратовский Государственный Технический  Университет им.Гагарина Ю.А

 

Кафедра «Промышленная  теплотехника»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа по дисциплине: «Энергоиспользование в высокотемпературных  технологиях»

 

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КАМЕРНОЙ НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ

КФБН 100700.861

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент

группы ПТЭ-42

Громов Д.И

Проверил:

Озеров Н.А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Саратов 2013

Реферат

 

Курсовая работа содержит 21 страницы, 1 рисунок, 1 таблицу и 1 приложение

 

КАМЕРНАЯ ПЕЧЬ, ТОПЛИВО, ЗАГОТОВКА, ТЕПЛОПЕРЕДАЧА, СВОД, ПОД, РАБОЧАЯ КАМЕРА, ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ, ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС, ТЕПЛОПОТЕРИ, ПРОДУКТЫ СГОРАНИЯ, ТЕПЛООБМЕН, РАБОЧЕЕ ПРОСТРАНСТВО ПЕЧИ, КАЛОРИМЕТРИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРА

 

 

 

 

Цель – ознакомление с конструкцией проектируемой печи и ее основными элементами, овладение методикой расчета и основами проектирования камерных печей,  а также закрепление теоретических и практических знаний, полученных при изучении дисциплины. 

 

Основные результаты:

  1. L = 1.1 м
  2. B = 3.05 м
  3. H = 0.87 м
  4. Bтоп = 0.0067 м3/с
  5. b = 0.04 кг/с
  6. ƞ = 52,01 %

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение . . . . . . . . . . 4

Исходные данные . . . . . . . . . 5

  1. Расчет горения топлива . . . . . . . 6
  2. Определение размеров рабочего пространства печи . . . 9
  3. Расчет внешнего теплообмена в рабочем пространстве печи . 10
  4. Расчет времени нагрева заготовок . . . . . 14
  5. Уточнение основных размеров рабочего пространства печи . 15
  6. Тепловой баланс печи . . . . . . . 16

Заключение . . . . . . . . . . 20

Список использованной литературы . . . . . . 21

Приложение:  Эскиз камерной печи (А3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Высокотемпературные процессы лежат в основе важнейших производств  в черной и цветной металлургии, нефтяной и нефтехимической промышленности, производства строительных материалов и осуществляются в промышленных печах. Тепловая работа печи протекает в ее рабочем пространстве, где одновременно происходит процессы горения и передача тепла от источника к поверхности нагреваемого материала. Производительность печи, а также форма и размеры ее рабочего пространства зависят от свойств, размеров и режима нагрева изделий, их размещения в печи, выбор способа сжигания топлива и других факторов. Нагреваемые изделия в печах в большинстве случаев располагаются на поду печи. Процесс передачи тепла от факела к поверхности нагреваемого материала протекает в результате излучения на поверхность материала и омывания нагреваемых тел потоком продуктов сгорания топлива. В соответствии с этим рабочее пространство печи должно быть рассчитано и спроектировано так, чтобы обеспечить условия полного сжигания топлива и интенсивность теплообмена продуктов сгорания топлива с поверхностью нагреваемого материала. Режим работы нагревательных печей определяется характером изменений температуры во времени и в рабочем пространстве печи теплового потока, падающего на металл. Режим нагрева, при котором температура изменяется по длине рабочего пространства, называется методическим, а печи, работающие в этом режиме, - методическими. В таких печах, как правило используется принцип противоточного движения металла и продуктов горения, что позволяет более равномерно нагревать изделие и обеспечить более полное использование тепловой энергии продуктов горения топлива в рабочем пространстве печи. Эти печи обычно имеют рабочую камеру удлиненной формы, в виде туннеля постоянного или переменного сечения, а топливосжигающее устройство располагается преимущественно на торцовой стене печи, противоположной садочному окну. Рабочее пространство таких печей разделяется на две зоны: предварительного подогрева металла (методическая зона), интенсивного нагрева (сварочная зона) и выдержки металла с целью выравнивания температур по сечению слитка (томильная зона). Количество зон и тепловой режим каждой из них выбирают в соответствии с требуемым режимом нагрева заготовок.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исходные данные

 

  1. Номер варианта: 1
  2. Производительность печи: G=0.2
  3. Размер заготовок: a x b x l  [50 x 50 x 1000]
  4. Материал: углеродистая сталь
  5. Температура нагрева: tмk = 900 °C
  6. Вид топлива: Газлинский природный газ

, , , ,

  1. Температура топлива:
  2. Температура воздуха:
  3. Коэффициент избытка воздуха:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Расчет горения топлива

 

Состав топлива: CH4=94.2%, C2H6=2.45%, C3H8=0.38%, CO2=0.13%, N2=2.6%

 

По выбранному составу  топлива последовательно определяем:

 

Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 м3 природного газа:

                                 (1.1)

 

 

Действительное количество воздуха необходимое для сгорания 1 м3 природного газа, с учетом коэффициента избытка воздуха:

                                                                       (1.2)

 

Количество и состав продуктов  полного сгорания по отдельным компонентам при сжигании природного газа:

                                                                     (1.3)

                                                   (1.4)

 

                                                                                           (1.5)

 

                                                                                       (1.6)

 

 

Суммарное количество продуктов  горения:

                                                                             (1.7)

 

 

Процентный состав продуктов горения:

                                                                                                 (1.8)

                                                                                                 (1.9)

                                                                                                    (1.10)

                                                       

                                                                                                    (1.11)

                                                       

 

Калометрическая температура горения:

,                              (1.12)

 

где  - низшая теплота сгорания топлива;

- энтальпия топлива при температуре  ;

- энтальпия воздуха при температуре  ;

, , , - объемная теплоемкость при температуре ;

 

Низшая теплота сгорания для газообразного топлива:

                (1.13)

 

 

Энтальпия топлива при температуре  :

  - объемная теплоемкость топлива при температуре   [1]

                                                                                               (1.14)

                                                              

Энтальпия воздуха при температуре  ;

  - объемная теплоемкость воздуха при температуре [1 ]

                                                                                        (1.15)

Принимаем калориметрическую температуру горения

 

Калометрическая температура горения:

 

 

Так как  рассчитанное значение отличается от принятого значения менее чем на 30 , то эта величина не уточняется

 

 

Эффективная температура:

                                                                                            (1.16)

 

где                                                                                            (1.17)

                                                                 

                                                                                    (1.18)

 

 

                                                                                       (1.19)

 

                                                                                                  (1.20)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Определение размеров рабочего пространства печи

 

Находим величину активной площади пода:

                                                                                                  (2.1)

Pакт – напряженность пода (0,09…0,22)

= 1.538 м2

 

Число заготовок, одновременно находящихся  на поду:

                                                                                                            (2.2)

 

где f – площадь, которую занимает одна заготовка ,м2

                                                                                                       (2.3)

 

 



 

 



 

 

 



 



 


Рис 1 – Схема расположения заготовок на поду печи

 

Длина пода:

                                                                                                        (2.4)

где  - зазор между заготовками

 

 

Ширина пода:

                                                                                             (2.5)

 

Действительная площадь пода:

                                                                                                    (2.6)

 

Коэффициент загруженности пода:

                                                                                                            (2.7)

 

Высота рабочего пространства печи:

                                                                                  (2.8)

 

где  - опытный коэффициент

 

 

 

 

 

  1. Расчет внешнего теплообмена в рабочем пространстве печи

 

Эффективная толщина газового слоя:

                                                                                         (3.1)

 

где  - объем рабочей камеры печи за вычетом объема занимаемого металлом [м3]

 - площадь поверхности стен  и свода печи [м2]

 - площадь поверхности пода [м2]

 

                                                                                 (3.2)

                   

                                                                             (3.3)

                 

                                                                                                    (3.4)

                                                                   

 

 

Парциальные давления компонентов продуктов горения

                                                                                                  (3.5)

                                                                    

                                                                                                 (3.6)

 

Поправочный коэффициент  для водяных паров:

 

Степени черноты компонентов продуктов горения:

( [1], приложение 4)  

 ( [1], приложение 5)

                                                                                                (3.7)

 

 

Приведенный коэффициент  излучения:

                                                (3.8)

 

где  - коэффициент излучения абсолютно черного тела

- степень черноты металла

- угловой коэффициент                                                       (3.9)

           

 

 

 

 

 

 

 

Разбиваем весь период нагрева  на 3 интервала по температуре поверхности      металла

Нагрев металла по интервалам:

 

 

Коэффициенты теплоотдачи  на границах интервалов:

                                                   (3.10)

                                                 (3.11)

                                                 (3.12)

                                                 (3.13)

 

 

 

 

Средние значения коэффициентов  теплоотдачи:

                                                       (3.14)

                                                      (3.15)

                                                      (3.16)

 

 

Суммарные коэффициенты теплоотдачи:

                                                                                       (3.17)

                                                                                       (3.18)

                                                                                       (3.19)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Расчет времени нагрева заготовок

 

Критерий Био:

                                                                                                           (4.1)

где  - расчетная толщина изделия

- коэффициент теплопроводности заготовок, [7]

 

                                                                                                         (4.2)

                                                                                                         (4.3)

                                                                                                         (4.4)

 

Время нагрева:

,                                                                              (4.5)

 

где  - теплоемкость металла,

- плотность изделий (углеродистая сталь)

- коэффициент формы тела, так как пластина

            M – коэффициент массивности заготовки

                                                                                                      (4.6)

            

 

                                                                              (4.7)

                                                                             (4.8)

                                                                              (4.9)

 

Общее время нагрева:

                                                                            (4.10)

,             

где Крас =1.4 [1]

 

 

 

  1. Уточнение основных размеров рабочего пространства печи

 

Уточненное число заготовок:

                                                                                                        (5.1)

где  - масса одной заготовки,

                                                                                                  (5.2)

 

 

Уточненная активная площадь:

                                                                                                 (5.3)

 

Отношение активных площадей:

                                                                                              (5.4)

Найденное значение активной площади отличается менее чем  на 15% от     первоначально принятой активной площади.

 

  1. Тепловой баланс

 

Расход теплоты на нагрев металла:

                                                                                     (6.1)

 

Теплота, теряемая через  кладку печи:

                                                     (6.2)

 

где  - коэффициент теплоотдачи от кладки к окружающей среде [Вт/м2К]

           - коэффициент теплоотдачи от продуктов горения к кладке [Вт/м2К]

 - толщина соответствующего слоя  кладки

 - коэффициент теплопроводности  материала кладки [Вт/м2град]  [7]

 - средняя площадь поверхности  кладки [м2]

 

                                                                               (6.3)

                                      

                                                              (6.4)

 

 

                            (6.5)

 

                                                                        (6.6)

   

  

                                                                         (6.7)

   

             

                                                                         (6.8)

   

           

- коэффициент теплопроводности  изоляции

- коэффициент теплопроводности  кладки

 

 

Теплота, теряемая излучением через открытые окна и щели:

                                                                        (6.9)

 

Где F- площадь поверхности окна [м2]

                                                                                            (6.10)

 - коэффициент диафрагмирования [1]

- доля времени, в течение которого окно открыто, по     отношению к общему времени пребывания металла в печи [1]

 

 

Расход топлива:

                                                        (6.11)

 

где  - удельный тепловой эффект окисления железа

( берём по [1] )

 - величина угара металла [1]

 

 

Теплота от сжигания топлива:

                                                                                              6.12)

 

Теплота экзотермических  реакций:

                                                                               (6.13)

 

Физическая теплота  топлива:

                                                                                              (6.14)

 

Физическая теплота  воздуха:

                                                                                        (6.15)

 

Теплота уходящих газов:

                                                                                   6.16)

 

Неучтенные потери:

                                                                              (6.17)

 

Удельный расход топлива:

                                                                                             (6.18)

 

Коэффициент использования  топлива:

                                                                                                    (6.19)

 

 

 

 

 

Таблица 1

Тепловой баланс печи

Приход теплоты

Расход теплоты

Статьи прихода

кВт

%

Статьи расхода

кВт

%

238,66

86.21

124.16

44.85

0.208

0.075

108.59

39.22

17.6

6.35

17.93

6.47

20.34

7.34

18.8

6.79

     

7.34

2.65

Всего:

276.82

100

Всего:

644.61

100