Расчет двухзонной методической печи

Министерство образования и науки РФ

ГОУ ВПО Череповецкий Государственный Университет

Кафедра промышленной теплоэнергетики

Курсовой проект

по теме:

«Расчет двухзонной методической печи»

Череповец, 2007- 2008 учебный год.

Содержание

Техническое задание.

Выполнить проектный расчет методической печи, работающей по двухзонному температурному режиму.

Исходные данные:

1. Производительность печи P=177т/ч

2. Нагреваемый металл: Заготовки квадратного сечения размером 0.100м х 0.100м и длиной 10.5м.

3. Параметры нагрева металла: конечная температура поверхности металла t^кон_пл=1250^оС, переход температур по поверности сляба Δt^кон=30^оС

4. Топливо – природный газ. Состав топлива, в%:

5. Температура подогрева воздуха

1 Расчет горения топлива

1.1 Пересчет состава топлива

Для газового топлива пересчет объемного состава газа с сухого на влажный проводится по формуле:

где d_r ­– влагосодержание газа, г/м³, х – содержание компонента, %

1.2 Объем воздуха и продуктов полного сгорания.

Теоретический расход сухого кислорода:

Теоретический расход сухого окислителя:

где O_2ок – объемное содержание O₂ в окислителе, %

Расход сухого окислителя при

Расход сухих трехатомных газов:

Теоретический выход азота:

где N_2ок – объемное содержание азота в окислителе, %

Теоретический выход водяных паров:

где d_ок – влагосодержание окислителя, г/м³

Выход продуктов полного сгорания при

Объемный состав продуктов полного сгорания:

Плотность продуктов сгорания при нормальных условиях:

1.3 Низшая теплота сгорания

Для газообразного топлива определяется по формуле:

1.4 Температура горения топлива

Энтальпия продуктов сгорания:

где – химическая энтальпия продуктов сгорания:

где – недожог топлива, кДж/м³ (=0%)

– физическое тепло, вносимое воздухом и газом

Из приложения 4 при t=400 ⁰С изобарная теплоемкость воздуха:

Сp = 1,328 кДж/(м³*К);

Тогда энтальпия воздуха:

Выбираем для расчета температуру продуктов сгорания 500^о

По полученным значениям строим график зависимости энтальпии 1м³ продуктов сгорания от температуры (рис. 1)

Графически определяем, что i_общ =3558 кДж/м³ соответствует расчетная температура tрасч.=2150 ^oC

Действительная температура горения:

где – опытный пирометрический коэффициент ()

2. Расчет теплообмена в рабочем пространстве печи.

2.1 Режим нагрева заготовок.

Расчет нагрева заготовок проводится в предположении:

· симметричного температурного поля в заготовке в зонах с двухсторонним обогревом;

· постоянной температуры газов в сварочной зоне.

2.2 Расчет внешнего теплообмена в рабочем пространстве печи.

Ширина рабочего пространства:

где n – число рядов заготовок

– расстояние между рядами заготовок или между торцами заготовок и боковыми стенками печи, м.

l – длина заготовки, м.

Средняя высота рабочего пространства печи:

в сварочной зоне – h_св = 2 м.

В методической зоне – h_мет = 1,5 м.

Площадь пода печи:

где L_св , L_мет. – соответственно длины сварочной и методической зон., м.

Внутренняя поверхность стен и свода:

Суммарная поверхность кладки и металла, окружающих газовый объем:

Объем заполняемого газом рабочего пространства

Средняя эффективная длина луча:

Парциальное давление газов:

Степень черноты газов и в сварочной и методической зонах определяем по приложениям 5 и 6.

Температура газов в сварочной зоне:

Средняя температура газов в методической зоне:

температура уходящих газов

Степень черноты продуктов сгорания:

где ­- поправочный коэффициент, определяем по приложению 7.

Угловой коэффициент излучения кладки на металл

Общая степень черноты системы газ-кладка-металл:

в сварочной зоне:

в методической зоне:

Приведенный коэффициент излучения от газов и кладки металла:

2.3 Расчет нагрева металла

Среднемассовая конечная температура заготовки:

где – заданный конечный перепад температур в заготовке

Удельный тепловой поток к поверхности металла в конце нагрева

где – коэффициент теплопроводности металла при

Определяем из рис. 6:

2S – полная толщина металла, м.

Рис.2 Зависимость Рис.3 Зависимость

Расчетная температура газов в сварочной зоне:

Коэффициент использования химической энергии топлива (КИТ) в сварочной зоне:

где – количество тепла, уносимого уходящими газами из сварочной зоны.

где – энтальпия продуктов сгорания, соответствующая температуре.

– количество тепла излучаемого из сварочной зоны в методическую.

– удельный тепловой поток излучения (= 100 кВт/м²)

– площадь поперечного сечения рабочего пространства на границе сварочной и методической зон.

– общая тепловая мощность печи

– удельный расход тепла (b = 2500 кДж/кг)

G – производительность печи, кг/ч

КИТ в печи:

– количество тепла уносимое уходящими газами из печи

– энтальпия продуктов сгорания, соответствующая

Изменение теплосодержания металла в печи:

Изменение теплосодержания металла вместе с образовавшейся окалиной:

– угар металла, % (=2%)

С_ок – теплоемкость окалины, С_ок = 1 кДж/(кг*К)

m = 1,38

Приращение теплосодержания металла в методической зоне:

Приращение теплосодержания в сварочной зоне:

Нагрев металла в методической зоне

Удельный тепловой поток в начале зоны:

Удельный тепловой поток в конце зоны:

– средняя температура металла в конце методической зоны, соответствующая:

Из рис.5: Т_М1=400 К

Уравнение для решается методом последовательных приближений: полагаем

Температура поверхности металла в конце зоны:

Переход температур по сечению металла в конце зоны:

Температура оси металла в конце зоны:

Средний тепловой поток в методической зоне:

Время нагрева металла в методической зоне:

Участок сварочной зоны с монолитным подом. Время нагрева металла на этом участке:

– длина монолитного пода (= 5 м)

Критерий Фурье:

Теплоемкость металла:

Коэффициент теплопроводности:

Из рис.6 источника 1

Критерий Био:

Коэффициент теплоотдачи в конце нагрева:

Из приложения 9

Перепад температур в начале участка:

Удельный тепловой поток в начале участка:

Температура поверхности металла при переходе на монолитный под:

Среднемассовая температура металла:

Температура на оси заготовки:

Участок сварочной зоны с двухсторонним обогревом.

Средний тепловой поток на участке:

, соответствующие t_М2 определяем по рис.5

Приращение теплосодержания:

Время нагрева на участке:

Общее время нагрева:

Удельная продолжительность нагрева:

2.4 Расчет основных размеров.

Емкость печи:

Длина активного пода:

Длина методической зоны:

Длина сварочной зоны с монолитным подом:

Длина сварочной зоны с двухсторонним обогревом:

Площадь активного пода:

Площадь полезного пода:

Напряженность активного пода:

Расстояние между опорными трубами составляет 1000 мм. Смотровые и рабочие окна располагаются симметрично с обеих сторон печи.

В сварочной зоне на участке с двухсторонним обогревом располагается 28 смотровых окон;

а на участке с монолитным подом – 14 рабочих окон. Количество окон выбирается в зависимости от расстояния между осями окон, которое принимается для рабочих окон 1250 мм, для смотровых окон – 1700 мм.

Общая площадь окон в сварочной зоне:

в методической зоне располагается 2 смотровых окна. Расстояние между осями 1,8 м.

Общая площадь окон в методической зоне:

Размеры торцевых окон посада и выдачи:

– высота окна, м

3. Тепловой баланс печи:

Приход тепла:

1. Тепло горения топлива:

где В – расход топлива, кг/с

2. Тепло, внесенное подогретым воздухом и топливом (газом):

3. Тепло, выделившееся при окислении железа:

Расход тепла.

1. Полезное тепло на нагрев металла:

2. Потери тепла с уходящими газами:

3. Потери тепла теплопроводностью:

где – средняя температура внутренней поверхности кладки, ^оС

– температура окружающего воздуха, ^оС

и – соответственно толщина огнеупорной кладки и изоляции, м.

и – соответственно коэффициенты теплопроводности огнеупорной кладки и изоляции, Вт/м*К

– коэффициенты конвективной теплоотдачи от стенок и окружающего воздуха. ()

– площадь поверхности кладки, м².

Потери тепла теплопроводностью определяются как сумма потерь свода и стен сварочной и методической зон:

Средняя температура внутренней поверхности кладки t_кл определяется следующим образом:

Безразмерные температуры:

Методическая зона:

Средняя температура поверхности металла6

Средняя температура газов в методической зоне:

Безразмерные температуры:

Тепловые потери через свод в сварочной зоне.

Температура на границе слоев огнеупора и изоляции.

Средняя температура слоя огнеупора:

Средняя температура слоя изоляции:

Коэффициенты теплопроводности динаса:

Коэффициенты теплопроводности изоляции:

Потери тепла теплопроводностью

где

Температура на границе слоев огнеупора изоляции:

Правильность принятых средних температур слоев:

Расхождение между принятым значением средних температур и подсчитанным по

формулам допустимо.

Тепловые потери через стены сварочной зоны:

где

Температура по границе слоев огнеупора и изоляции:

Проверка правильности принятых средних температур слоев:

Расхождение между принятым значением средних температур и подсчитанным по формулам допустимо.

4.Потери тепла через окна печи:

Потери тепла через закрытые окна печи:

в сварочной зоне:

где n – число окон;

– площадь окна, м²;

S – толщина стенки в 1 кирпич, м (S=0,203м)

– коэффициент теплопроводности материала окна при

в методической зоне:

Потери тепла излучением через открытые окна:

в сварочной зоне:

где – коэффициент диафрагмирования (=0,7)

Окончательно имеем:

5.Потери тепла с окалиной:

6.Потери тепла с охлаждающей водой:

7.Неучтенные потери:

Приравняв приходные и расходные статьи теплового баланса, определяем секундный расход топлива В, кг/с:

Приходные и расходные статьи теплового баланса сводятся в таблицу 2:

Табл.2 Тепловой баланс печи.

4.Основные теплотехнические показатели работы печи.

Коэффициент использования химической энергии топлива , показывающий, какая доля химической энергии топлива остается в рабочем пространстве печи:

Общая тепловая мощность М_общ печи:

Общая тепловая мощность складывается из полезной мощности М_пол и мощности холостого хода М_хх:

– количество тепла, выделенного при сжигании топлива, усвоенное металлом в печи, кВт.

– тепло, усвоенное металлом от окисления железа, кВт

Мощность холостого хода:

Удельный расход тепла:

Удельный расход условного топлива:

Коэффициент полезного действия печи:

5.Аэродинамический расчет.

5.1 Расчет дымового тракта.

При расчете дымового тракта потери давления на преодоление сопротивления трения газов о стенки рабочего пространства печи не учитываются.

1. Потери давления в вертикальных каналах.

Приведенная скорость дымовых газов при выходе из печи:

где m – коэффициент, учитывающий потери дыма на выбивании.

Приведенная скорость в вертикальных каналах принимается:

Сечение одного канала:

n – количество каналов

где = 1,8м

= 1,8м

Эквивалентный диаметр канала:

Высота канала:

Потери на трение в вертикальном канале:

где – коэффициент трения

– коэффициент объемного расширения газа,

Местные потери давления при входе газового потока в вертикальные каналы:

где – коэффициент местного сопротивления. Из приложения 11: =0,47

Потери на преодоление геометрического напора:

2. Потери давления в борове.

Приведенная скорость дымовых газов:

Сечение борова:

выбирая ширину борова больше ширины вертикальных каналов ,

определяем второй размер:

Эквивалентный диаметр борова:

Принимаем длину борова от вертикальных каналов до трубы 20 м, в том числе до рекуператора 10 м,

Температура перед рекуператором:

Средняя температура на участке:

Температура перед трубой:

Средняя температура на участке:

потери давления на преодоление трения:

Местные потери давления при двух поворотах на на пути от вертикальных каналов до рекуператора:

, где - коэффициент местного сопротивления

Потери давления в рекуператоре:

Местные потери давления при повороте на на входе в дымовую трубу:

Общие потери при движении продуктов горения из рабочего пространства печи к основанию дымовой трубы:

5.2 Расчет дымовой трубы.

Действительное разряжение, создаваемое трубой:

По приложению 12 определяем высоту трубы: Н=35м

Температура в устье трубы:

Средняя температура газов в трубе:

Приведенную скорость газов в устье дымовой трубы принимаем:

Диаметр в устье:

Диаметр трубы у основания:

Средний диаметр трубы:

Приведенная скорость дымовых газов у основания трубы:

Высота дымовой трубы:

.

– барометрическое давление, минимальное для данной местности, кПа (99 кПа)

– нормальное атмосферное давление (101,32 кПа);

6.Расчет топливосжигающих устройств.

Расстояние между осями топливосжигающих устройств принимается 1 м.

Производительность одной горелки:

где n – количество горелок;

Расчет диффузионных горелок низкого давления.

Принимаем скорости выхода из горелок (приведенные к нормальным условиям): газа воздуха

Площадь сечения для прохода газа:

Диаметр газового сопла:

Площадь сечения для прохода воздуха:

Диаметр воздушного сопла:

Избыточное давление газа перед горелкой:

Избыточное давление воздуха перед горелкой:

,где- коэффициент сопротивления форсунки

Длина факела:

где К – коэффициент (для природного газа К=1,5);

7. Вывод:

В данном курсовом проекте был произведен расчет методической печи, работающей по двудонному температурному режиму, производительностью 177т/ч. В ходе его был рассчитан процесс горения топлива, гидродинамики, теплоотдачи, нагрева металла и дымовой тракт. В результате получил следующие основные параметры методической печи:

длина активного пода:

длина методической зоны:

длина сварочной зоны:

высота методической зоны:

высота сварочной зоны:

ширина печи:

высота дымовой трубы:

расход газа:

емкость печи: Е =155017 кг.

время нагрева металла в печи:

КПД печи:

Литература.

1. Кривандин В.А., Неведомская И.Н. и др. Металлургическая теплотехника. Конструкция и работа печей. 1,2 тома. Москва, Металлургия, 1986

2. расчет методических печей. Методические указания по курсовому проектированию. – Череповец: ЧГИИ: 1995, -56 с.