Расчет методической трехзонной толкательной печи с наклонным подом

метки: Методический, Толкательный, Трехзонный, Температура, Нагрев, Газоход, Участок, Сварочный

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Красноярский Государственный Технический Университет

афедра Промышленной теплоэнергетики

Курсовая работа, Расчет методической трехзонной толкательной печи с наклонным подом, Красноярск 2011

Задание

Спроектировать методическую трехзонную толкательную печь с наклонным подом для нагрева заготовок из малоуглеродистой стали с размерами d=305 мм, l=400 мм. Производительность — 60000 кг/ч, tКОН=1030 °С. Топливо: газ, %

СН4=0,5

СО2=8,5

N2=1,5

О2=2,2

СО=37

Н2=50

Н2S=0,3

qH2O=10 г/м3

tВ=280 °С.

1. Расчет горения топлива

Рассчитываем состав влажного газа по составу сухого и влажности г/м3. Коэффициент пересчета с сухого газа на влажный определяем по формуле:

Состав влажного газа находим по содержанию сухого газа и величине К:

Сумма всех составляющих:

Определяем низшую теплоту сгорания топлива, кДж/м3:

Расчет теоретически необходимого объема кислорода для горения, м3/м3:

Теоретический расход воздуха для горения, м3/м3:

где — объемная доля О2 в воздухе (- для атмосферного воздуха).

Действительный расход воздуха для горения, м3/м3:

где б — коэффициент избытка воздуха, принимается по [1].

Объемы сгорания природного газа в системах отопления, горячего водоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха">продуктов сгорания (м3/м3), получившиеся в результате горения:

объем углекислого газа

объем азота

объем избыточного кислорода

объем водяного пара

объем сернистого газа

общий объем продуктов сгорания

Состав продуктов сгорания (%) определяется:

Для проверки правильности расчета горения топлива составляют материальный баланс, на основании закона сохранения массы:

• где Gт — масса топлива, кг;
• Gв — масса воздуха, необходимого для горения, кг;
• Gп.с.

— масса продуктов сгорания, получившихся, в результате горения, кг.

Молярный объем газов

... объемами реагирующих газов выражается простыми целыми числами. Например, 2 объема водорода соединяются с 1 объемом водорода, давая 2 объема водяного пара; 1 объем хлора соединяется с 1 объемом водорода, давая 2 объема ... Попробуем проследить логику таких рассуждений. Эксперимент показывает, что объемы водорода, кислорода и образующихся из этих газов паров воды относятся как 2:1:2. Выводы из этого ...

Масса топлива, кг:

• где Vт — единица объема газа на которую ведется расчет, м3;

ст — плотность газа, кг/м3

где …… — молекулярная масса соответствующего компонента.

Масса воздуха, кг:

где кг/м3 — плотность воздуха.

Масса продуктов сгорания, кг:

где — плотность продуктов сгорания, кг/м3

Результаты расчета сводятся в таблицу 1.

Таблица 1. Материальный баланс горения

Приход	кг	%	Расход	кг	%
1. Топливо	0,733	19,7	1. Продукты сгорания	3,7	100
2. Воздух	2,987	80,3
Итого	3,72	100	Итого	3,7	100

Производим расчет неувязки баланса:

%

Величина неувязки не превышает 1%.

Для определения калориметрической температуры сгорания рассчитываем энтальпию продуктов сгорания, кДж/м3:

где Qв — теплота вносимая подогретым воздухом, кДж.

где iв — энтальпия подогретого воздуха (определяется по [1]), кДж/кг.

Определяем энтальпию продуктов сгорания при температуре t1=2200 °С, кДж/м3:

Определяем энтальпию продуктов сгорания при температуре t2=2300 °С, кДж/м3:

Значение калориметрической температуры, °С:

Действительная температура горения, °С:

где — пирометрический коэффициент (для методических печей ).

2. Определение размеров рабочего пространства печи

Основными размерами рабочего пространства печи являются — ширина, длина, высота. Определяющими условиями при этом являются геометрические размеры нагреваемых изделий, рациональный характер движения газов, соответствующее расположение топливосжигающих устройств, быстрый и качественный нагрев металла.

Для методических печей общее число изделий, находящихся в рабочем пространстве в единицу времени, неизвестно, поэтому размеры определяются предварительно, а затем в процессе расчета уточняются.

Ширина печи, при расположении заготовок в шесть рядов, м:

• где l — длина заготовки, м;
• а — расстояние между заготовками и между концами заготовок и стенками печи, м.

Начальная высота печи, м:

где d — диаметр заготовки, м.

Высота печи в конце сварочной зоны, м:

Средняя высота печи, м:

Средняя высота методической зоны, м:

Средняя высота сварочной зоны, м:

Эскиз печи представлен на рис.1.

3. Температурный режим работы печи и нагрева металла

Распределение температур по длине печи представлено на рис.2.

Максимальная температура печи, °С:

Начальная температура печи, °С:

Температура печи в конце томильной зоны, °С:

Начальную температуру металла принимаем равной 20 °С.

Температура металла в конце методической зоны (°С), определяется по формуле:

где S — характерный размер изделия, м

м — коэффициент несимметричности нагрева (для одностороннего нагрева м=0,75-0,8).

Тогда

Рис.2. Температурный режим печи

4. Расчет теплообмена в рабочем пространстве печи

Теплообмен излучением является преобладающим. В расчетах определяется величина коэффициента теплоотдачи излучением. Она находится для каждой зоны методической печи.

Рассчитываем теплообмен в методической зоне.

Степень развития кладки:

Парциальное давление углекислого газа и водяного пара в продуктах сгорания, кН/м2:

Определяем эффективную толщину газового слоя, м:

Находим произведение , кН/м:

Зная произведение , находим по номограммам [2] степени черноты углекислого газа и водяного пара , а также поправочный коэффициент в, при начальной и конечной температуре газов в методической зоне.

При : При :

Степень черноты газов определяется по формуле:

Степень черноты металла принимаем .

Определяем приведенные коэффициенты излучения в системе газ-металл, Вт/(м2·К4):

Определяем коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м2·К):

Суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К):

Рассчитываем теплообмен в сварочной зоне.

Степень развития кладки:

Определяем эффективную толщину газового слоя, м:

Находим произведение , кН/м:

Зная произведение , находим по номограммам [2] степени черноты углекислого газа и водяного пара , а также поправочный коэффициент в.

При :

Степень черноты газов определяется по формуле:

Определяем приведенные коэффициенты излучения в системе газ-металл, Вт/(м2·К4):

Определяем коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м2·К):

Суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К):

5. Расчет времени нагрева металла

Для расчета времени нагрева определяется величина критерия Био, характеризующего теплотехническую массивность нагреваемого изделия.

Для методической зоны.

где л — коэффициент теплопроводности изделия, при средней температуре металла в методической зоне, Вт/(мК).

Так как значение критерия Bi >0,3, то изделие термически массивное. Расчет времени нагрева производим с использованием графических зависимостей (графики Будрина):

• где — температурный критерий;
• Fo — критерий Фурье;
• Х — безразмерная координата, определяющая местоположение рассматриваемой точки.

Определяем температурный критерий для поверхности нагреваемого изделия:

где tп — средняя температура печи в методической зоне, °С

По графикам Будрина [2] определяем критерий Фурье:

Fo1=1,3.

Время нагрева металла в методической зоне, ч:

где a — коэффициент температуропроводности при средней температуре металла, м2/ч.

Температурный критерий для центра заготовки также определяем по графикам Будрина:

тогда температура в центе заготовки в конце методической зоны, °С:

Для сварочной зоны.

где л — коэффициент теплопроводности изделия, при средней температуре металла в сварочной зоне, Вт/(мК).

Так как значение критерия Bi >0,3, то изделие термически массивное.

Определяем температурный критерий для поверхности нагреваемого изделия:

где tп — средняя температура печи в сварочной зоне, °С.

По графикам Будрина [2] определяем критерий Фурье:

Fo2=0,41.

Время нагрева металла в методической зоне, ч:

Температурный критерий для центра заготовки также определяем по графикам Будрина:

тогда температура в центе заготовки в конце сварочной зоны, °С:

Определяем температурный перепад по сечению металла в конце сварочной зоны, °С:

Степень выравнивания температуры, при условии что разница между температурой центра и поверхности не должна превышать 50 °С, определяется по формуле:

Это соответствует числу Фурье Fo3=0,09 , тогда время выдержки, ч:

Суммарное время нагрева составит, ч:

Определяем длину печи, м:

где g — вес одного изделия, кг

V — объем одного изделия, м3

с — плотность материала, кг/м3

л — коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);

• с — теплоемкость материала, Дж/(кг·К);
• а — коэффициент температуропроводности, м2/ч.

Длина методической и сварочной зоны: 39,8 м, а длина томильной зоны 3,1 м.

6. Составление теплового баланса. Определение расхода топлива

При проектировании печи тепловой баланс составляется с целью определения расхода топлива. Тепловой баланс печи состоит из равных между собой приходной и расходной частей, каждая из которых складывается из ряда статей.

Статьи приходной части

Теплота, образующаяся при сжигании топлива, кВт:

где В — расход топлива, м3/с.

Физическая теплота, вносимая подогретым воздухом, кВт:

где iв — энтальпия подогретого воздуха, кДж/м3.

Теплота экзотермических реакций (теплота окисления железа), кВт:

• где Р — производительность печи кг/с;
• а — угар металла кг/кг.

Статьи расходной части

Полезная теплота, расходуемая на нагрев материала, определяется по формуле:

Конечная температура металла, °С:

Средняя температура металла, °С:

см=0,565685 (кДж/кг) — средняя теплоемкость металла.

Определяем полезную теплоту, кВт:

Теплота, уносимая уходящими продуктами сгорания, определяется по формуле:

• где tд — температура уходящих дымовых газов, °С;

iд — энтальпия уходящих дымовых газов, кДж/м3:

Теплота, уносимая уходящими продуктами сгорания, кВт:

Потери теплоты теплопроводностью через кладку печи, определяются по формуле:

Средняя температура печи, °С:

Определяем площадь свода, м2:

Средняя температура огнеупорного материала (шамота), °С:

Коэффициент теплопроводности шамота при определяющей температуре, Вт/(м·К):

Принимаем толщину огнеупорного кирпича д1=250 мм.

Суммарный коэффициент теплоотдачи б от стенки к воздуху принимаем равным 11,63 вт/(м2К).

Потери теплоты через свод печи, кВт:

Определяем площадь боковых и торцевых стен, м2:

Принимаем толщину изоляционного слоя (диатомита) д2=125 мм.

Температура на границе раздела между шамотом и диатомитом определяется из уравнения:

где

Решая уравнение получаем :

• tгр=690 °С;
• л1=1,083 Вт/(м·К);
• л2=0,321 Вт/(м·К).

Потери теплоты через боковые и торцевые стенки печи, кВт:

Суммарные тепловые потери, кВт:

Неучтенные потери принимаем равными, кВт:

Из условия равенства приходной и расходной частей получаем:

Определяем все приходные и расходные статьи теплового баланса рабочего пространства печи, результаты сводим в таблицу 2.

Таблица 2. Тепловой баланс рабочего пространства печи

Приход	кВт	%	Расход	кВт	%
Qхим	14443,65	87,08	Qпол	9285,27	55,98
QВ	1200,49	7,24	Qух	4665,49	28,13
Qэкз	941,7	5,68	Qпот	757,75	4,57
			Qнеуч	1877,3	11,32
Итого	16585,8	100	Итого	16585,8	100

7. Выбор топливо сжигающих устройств

Устанавливаем 12 горелок. Принимаем давление газа Рг=5 кПа, а давление воздуха Рв=1,6 кПа.

Определяем расход газа на одну горелку, м3/с:

Определяем необходимое количество воздуха, м3/с:

Расчетный расход воздуха, м3/с:

толкательный печь сталь заготовка

Действительный расход газа через горелку, м3/с:

где — поправка на плотность газа.

Выбираем горелки типа ДВС 110/40.

8. Расчет потерь напора в газоходе и определение высоты дымовой трубы

Расчет потерь напора в газоходе

Суммарные потери напора в газоходе рассчитываются:

• где — потери напора на местное сопротивление, Н/м2;
• потери напора на трение, Н/м2;
• потери геометрического напора , Н/м2.

Размеры вертикальных каналов:

• b1 =1,15 м;
• l1 =0,85 м;
• h1 =3,2 м.

Размеры горизонтальных каналов:

• b2 =1,25 м;
• l2 =5,9 м;
• h2 =1,5 м.

Размеры центрального борова:

• b3 =1,35 м;
• l3 =8,3 м;
• l4 =53 м;
• h3 =1,7 м.

Потери напора в рекуператоре hрек=55 Н/м2.

Принимаем падение температуры в горизонтальных участках 2 °С на 1 метр длины. В вертикальных участках — 20 °С на 1 метр длины. Падение температуры в дымовой трубе 1°С на 1 метр длины. Падение температуры в рекуператоре 400 °С.

Определяем объем дымовых газов, м3/с:

Разбиваем дымовой тракт на участки (рис.3).

Рис.3. Схема дымового тракта печи

Первый участок

Местные потери, Н/м2:

• где — сумма коэффициентов местных сопротивлений (поворот на 900 и внезапное сужение);

w0 — скорость движения газов по газоходу, м/с:

Температура газов в конце первого участка, °С:

Определяем гидравлический диаметр газохода, м:

Определяем критерий Рейнольдса для данного участка:

где н — кинематический коэффициент вязкости дымовых газов при средней температуре газов м2/с.

Определяем коэффициент трения для турбулентного режима течения газов:

Определяем потери напора на трение, Н/м2:

• средняя температура газов по длине газохода, °С:

Потери геометрического напора, Н/м2:

Второй участок

Местные потери, Н/м2:

• где — сумма коэффициентов местных сопротивлений (поворот на 900 и внезапное расширение);

w0 — скорость движения газов по газоходу, м/с:

Температура газов в конце второго участка, °С:

Определяем гидравлический диаметр газохода, м:

Определяем критерий Рейнольдса для данного участка:

Определяем коэффициент трения для турбулентного режима течения газов:

Определяем потери напора на трение, Н/м2:

• средняя температура газов по длине газохода, °С:

Третий участок

На данном участке нет местных сопротивлений.

Определяем скорость движения газов по газоходу, м/с:

Температура газов в конце третьего участка, °С:

Определяем гидравлический диаметр газохода, м:

Определяем критерий Рейнольдса для данного участка:

Определяем коэффициент трения для турбулентного режима течения газов:

Определяем потери напора на трение, Н/м2:

• средняя температура газов по длине газохода, °С:

Четвертый участок

Местные потери, Н/м2:

• где — сумма коэффициентов местных сопротивлений (поворот на 900);

w0 — скорость движения газов по газоходу, м/с:

Температура газов в конце четвертого участка, с учетом установки рекуператора между третьим и четвертым участком, °С:

Определяем гидравлический диаметр газохода, м:

Определяем критерий Рейнольдса для данного участка:

Определяем коэффициент трения для турбулентного режима течения газов:

Определяем потери напора на трение, Н/м2:

• средняя температура газов по длине газохода, °С:

Определяем полные потери напора в газоходе, Н/м2:

Расчет высоты дымовой трубы

Из условия, что площадь основания дымовой трубы равна площади сечения четвертого участка газохода, а диаметр устья дымовой трубы в 1,5 раза меньше диаметра её основания, получаем:

;

;

;

Тогда средний диаметр дымовой трубы, м:

Определяем скорости движения газов на входе и выходе трубы, м/с:

Средняя скорость движения газов, м/с:

Предварительно принимаем высоту трубы равной 33 м, тогда температура газов на выходе из дымовой трубы составит, °С:

тогда средняя температура дымовых газов, °С:

Определяем плотность дымовых газов при средней температуре, кг/м3:

Определяем критерий Рейнольдса:

Определяем коэффициент трения для турбулентного режима течения газов:

Высота дымовой трубы находится из выражения:

Подставляем значения:

После вычислений получаем, что высота дымовой трубы равна:

Н=33 м.

Список используемой литературы

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/metodicheskaya-trehzonnaya-tolkatelnaya-pech/

1. Проектирование топливных нагревательных печей: Метод. Указания по курсовому проектированию / Сост. О.Г. Шишканов; КГТУ. Красноярск, 2007г.

2. Высокотемпературные теплотехнологические процессы и установки: Учебное пособие / Под ред. В.А. Кулагина. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2007 г.

3. Мастрюков Б.С. Теория, конструкция и расчеты металлургических печей. Т.2. Расчеты металлургических печей. М.: металлургия, 2006 г.

4. Миткалинный В.И., Кривандин В.А. Металлургические печи: Атлас. М.: Металлургия, 2007 г.