Расчет методической толкательной печи
Выбор конструкции методической печи и графика нагрева зависит от толщины заготовки, пластичности металла в холодном состоянии и теплофизических свойств нагреваемого металла. Ограничение скорости нагрева холодного металла в интервале температур от 0 до 500 оС распространяется в основном на качественные и высоколегированные стали. Этим сталям свойственны относительно низкие коэффициенты… Читать ещё >
Расчет методической толкательной печи (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Курсовой проект
Расчет методической толкательной печи
Методические толкательные печи до самого последнего времени удовлетворяли требованиям по производительности и удельному расходу тепла. В последнее время наметилась прогрессивная тенденция к увеличению длины заготовок и, как следствия, к увеличению ширины нагревательных печей, что значительно усложняет их эксплуатацию, особенно удаление окалины с пода печи. Поэтому, несмотря на то, что в прокатных цехах в настоящее время основным типом нагревательных печей являются толкательные методические печи, перспективы их дальнейшего распространения ограничены. Расширяется применение более совершенных печей с шагающими балками, которые могут работать так же, как и толкательные печи, в режиме методического нагрева.
При нижнем обогреве вдоль печи прокладывают специальные глиссажные (водоохлаждаемые) трубы, по которым движется металл. Из-за охлаждающего действия глиссажных труб, в нижнюю часть сварочной зоны печи необходимо подавать больше тепла, чем в верхнюю.
Глиссажные трубы выполняют только в методической и сварочной зонах. В местах соприкосновения заготовки с водоохлаждаемыми трубами металл прогревается хуже и на его поверхности образуются темные пятна. Поэтому в трехзонных печах с нижним обогревом томильная зона предназначена не только для выравнивания температуры по толщине металла, но и для ликвидации темных пятен на нижней поверхности заготовки, и в ней глиссажных труб нет.
Задание
Рассчитать и вычертить методическую печь для нагрева заготовок при следующих условиях:
Таблица 1. Данные
— количество отапливаемых зон | ||
— марка стали | 3СП | |
— сечение заготовки | ||
— длина заготовки | 4,5 м | |
— температура посада | 0 оС | |
— температура выдачи | 1245 оС | |
— производительность печи | 160 т/ч | |
— температура нагрева газа | 0 оС | |
— температура нагрева воздуха | 350 оС | |
— топливо: смесь коксового и доменного газов | ||
— теплота сгорания топлива | 8,793 МДж/м3 | |
— влажность коксового газа | 21 г./м3 | |
— влажность доменного газа | 27 г./м3 | |
— коэффициент расхода воздуха | 1,1 | |
Таблица 2. Процентный состав сухих коксового и доменного газов
Сухие газы, % | CO | CO2 | H2 | CH4 | N2 | O2 | C2H4 | ||
коксовый газ | 5,83 | 2,35 | 51,4 | 20,55 | 17,09 | 1,48 | 1,3 | ||
доменный газ | 27,35 | 9,25 | 3,34 | 1,10 | 58,96 | ; | ; | ||
1. Расчет горения топлива
Таблица 3. Процентный состав сухих коксового и доменного газов
Сухие газы, % | CO | CO2 | H2 | CH4 | N2 | O2 | C2H4 | ||
коксовый газ | 5,83 | 2,35 | 51,4 | 20,55 | 17,09 | 1,48 | 1,3 | ||
доменный газ | 27,35 | 9,25 | 3,34 | 1,10 | 58,96 | ; | ; | ||
Учитывая, что влажности газов равны Wкокс. = 21 г./м3 и Wдом.= 27 г./м3, по формулам:
1.1
1.2
Рассчитываем состав влажных газов. Результаты сведены в табл. 4.
Таблица 4. Процентный состав влажных коксового и доменного газов
Влажные газы, % | CO | CO2 | H2 | CH4 | N2 | H2O | O2 | C2H4 | ||
коксовый газ | 5,68 | 2,29 | 50,09 | 20,03 | 16,66 | 2,54 | 1,44 | 1,27 | ||
доменный газ | 26,46 | 8,95 | 3,23 | 1,06 | 57,05 | 3,25 | ||||
Низшую теплоту сгорания газов Q находим по формуле:
Q=127,7?CO+108?H2+358?CH4+590?C2H4+555?C2H2+636?C2H6+913?C3H8+ +1185?C4H10+1465?C5H12+234?H2S 1.3
Q=127,7?5,68+108?50,09+358?20,03+590?1,27 =14,05МДж/м3;
Q= 127,7?26,46+108?3,23+358?1,06 =4,11 МДж/м3.
По условию Q=8,793 МДж/м3, поэтому по формулам:
xсм=xкокс.· a+xдом·(1-a), 1.4
где
a =, 1.5
где, а — доля коксового газа в смеси;
— низшая теплота сгорания доменного газа;
— низшая теплота сгорания коксового газа;
— низшая теплота сгорания смешанного газа.
.
Находим состав смешанного газа.
Таблица 5. Процентный состав смешанного газа
CO | CO2 | H2 | CH4 | N2 | O2 | C2H4 | H2O | |||
Смешанный газ | 16,67 | 5,81 | 25,30 | 9,99 | 38,02 | 0,68 | 0,6 | 2,93 | ||
Расход кислорода для сжигания смешанного газа при n=1 равен:
VO2=0,01· [0,5·(CO+H2)+?(m+n/4)·CmHn] 1.6
VO2=0,01· [0,5·(16,67+25,30)+(1+4/4)·9,99+(2+4/4)·0,6] = 0,43 м3/м3.
Расход воздуха при б=1,10 равен:
VВ=б· (1+k)·VО2, 1.7
где k — отношение объемных содержаний N2 и O2 в дутье (для воздуха k=79/21=3,762).
VВ=1,10· (1+3,762)·0,43=2,24 м3/м3.
По формулам находим состав продуктов сгорания
VСO2=0,01· (CO2см+SO2см+CO+H2S+?m·CmHn), 1.8
где RO2=CO2+SO2 — смесь газов CO2 и SO2.
VH2O=0,01· [H2O+H2+H2S+0,5·(?n·CmHn)]; 1.9
VN2=0,01· N2+б·k·Vо2; 1.10
V'O2=(б-1)· Vо2; 1.11
VСO2=0,01· (5,81+16,67+9,99+2·0,6)=0,34 м3/м3;
VH2O=0,01· [2,93+25,3+0,5·(4·9,99+4·0,6)]=0,49 м3/м3;
VN2=0,01· 38,02+1,10·3,762·0,43=2,15 м3/м3;
V'О2=(1,10−1)· 0,43=0,04 м3/м3.
Суммарный объем продуктов сгорания равен:
Vп.с=VRO2+VH2O+VN2+V'O2 1.12
Vп.с=0,34 + 0,49 + 2,15 + 0,04 = 3,02 м3/м3.
Таблица 6. Процентный состав продуктов сгорания
Газ | % | |
СО2 | 11,14 | |
Н2О | 16,34 | |
N2 | 71,11 | |
O2 | 1,41 | |
Правильность расчета проверяем составлением материального баланса.
Таблица 7. Материальный баланс
Поступило | с, кг/м3 | кг | Получено | с, кг/м3 | кг | |
O2 | 1,428 | 0,01 | СО2 | 1,963 | 0,661 | |
СН4см | 0,716 | 0,072 | Н2О | 0,804 | 0,397 | |
СОсм | 1,25 | 0,21 | N2 | 1,25 | 2,69 | |
СО2см | 1,963 | 0,114 | O2 | 1,428 | 0,061 | |
Н2см | 0,09 | 0,023 | Всего | 3,809 | ||
N2см | 1,25 | 0,48 | Невязка | 0,019 | ||
H2Oсм | 0,804 | 0,022 | ||||
C2H4см | 1,25 | 0,007 | ||||
Всего | 0,938 | |||||
Воздух | 1,29 | 2,89 | ||||
Итого | 3,828 | |||||
Для определения калориметрической температуры горения необходимо найти энтальпию продуктов сгорания:
1.13
где iв — энтальпия воздуха при температуре 350 оС, 463,75 кДж/м3.
кДж/м3.
Зададим температуру tк'=1900 оC и при этой температуре находим энтальпию продуктов сгорания:
1.14
Таблица 8. Энтальпия продуктов сгорания при t=1900 оC
i | кДж/м3 | |
СО2 | 4634,76 | |
Н2О | 3657,85 | |
N2 | 2808,22 | |
O2 | 2971,30 | |
кДж/м3.
Зададим температуру tк''=2000 оC и при этой температуре находим энтальпию продуктов сгорания (формула 14 при t=2000 оC):
Таблица 9. Энтальпия продуктов сгорания при t=2000оC
i | кДж/м3 | |
СО2 | 4910,51 | |
Н2О | 3889,72 | |
N2 | 2970,25 | |
O2 | 3142,76 | |
кДж/м3.
Теперь определим калориметрическую температуру горения смешанного газа рассматриваемого состава в заданных условиях:
1.15
Приняв пирометрический коэффициент равным =0,75, находим действительную температуру горения топлива:
tдейст=· tк 1.16
tдейст=0,75· 1945,41=1459,06 оC.
2. Расчет нагрева металла и теплообмена в печи
2.1 Время нагрева металла
металл нагрев рекуператор печь
Температуру уходящих из печи дымовых газов принимаем равной tух=1050 оC; температуру печи в томильной зоне на 50 оC выше температуры нагрева металла, т. е. 1295 оC. Распределение температур по длине печи представлено на рис. 1.
Рис. 1 Распределение температур по длине печи
Поскольку основным назначением методической зоны является медленный нагрев металла до состояния пластичности, то температура в центре металла при переходе из методической в сварочную зону должна быть порядка 400−500 оC.
Разность температур между поверхностью и серединой заготовки для методической зоны печей прокатного производства можно принять равной:
Дt=t(ПОВ)-t(Ц)=(700−800)· S, 2.1.1
где S — расчетная толщина изделия, м.
В рассматриваемом случае двухстороннего нагрева S=0,55=0,550,20=0,11 м.
Дt=700· 0,11=77 оC.
Т.е. следует принять температуру поверхности металла в конце методической зоны равной 500 оC.
Определим ориентировочные размеры печи. При двурядном расположении заготовок ширина печи будет равна:
B=2•l+3•a, 2.1.2
где a=0,2 — зазоры между блюмами и стенками печи, м;
l — длина блюма, м.
B=2•4,5+3•0,2=9,6 м.
В соответствии с рекомендациями высоту печи принимаем равной:
в методической зоне — 1,6 м,
в сварочной зоне — 2,8 м,
в томильной зоне — 1,65 м.
Находим степени развития кладки (на 1 м длины печи) по формуле:
2.1.3
где H — высота печи для различных зон, м.
Для методической зоны м.=(2· 1,6+9,6)/4,5=2,84 м.
Для сварочной зоны св.=(2· 2,8+9,6)/4,5=3,38 м.
Для томильной зоны т.=(2· 1,65+9,6)/4,5=2,87 м.
Определим эффективную длину луча по формуле:
2.1.4
методическая зона м;
сварочная зона м;
томильная зона м.
2.2 Определение времени нагрева металла в методической зоне
Находим степень черноты дымовых газов ?гм при средней температуре
tг=0,5· (1459,06+1050)= 1255 оС.
Парциальные давления CO2 и H2O равны:
pCO2=98,1· 0,1114=10,93 кПа;
pH2O=98,1· 0,1634=16,03 кПа;
pCO2· Sэфм =10,93· 2,47=27,0 кПа· м;
pH2O· Sэфм =16,03· 2,47=39,57 кПа· м.
По номограммам на рис. 9−11 находим: [CO2=0,12; ['H2O=0,16; в=1,059.
[гм=[CO2+ в· ['H2O 2.2.1
[гм =0,12+1,059· 0,16=0,3.
Приведенная степень черноты рассматриваемой системы равна:
2.2.2
Степень черноты металла принимаем равной [м=0,8.
.
Средний по длине методической зоны коэффициент теплоотдачи определяем по формуле:
2.2.3
где C0=5,7 Вт/(м2· K) — константа излучения абсолютно черного тела.
Вт/(м2· K).
Для среднеуглеродистой стали при средней по массе температуре металла:
2.2.4
.
По приложению VIII находим коэффициенты теплопроводности л=47,45 Вт/(м· K) и температуропроводности а=10,20· 10-6 м2/с.
Определяем температурный критерий и критерий Bi по формулам:
пов 2.2.5
пов=.
2.2.6
где S — прогреваемый слой, м.
.
По найденным значениям и Bi по номограммам на рис. 17 для поверхности пластины находим критерий Фурье F0=0,90. Тогда время нагрева металла в методической зоне печи равно:
2.2.7
с., 0,3 ч.
Находим температуру центра блюма в конце методической зоны. Согласно номограмме на рис. 19 для центра пластины при F0=0,90 и Bi=0,41 температурный критерий ц=0,76. Теперь найдем температуру центра блюма в конце зоны:
tЦкон=tГ-Ц· (tГ-tЦнач) 2.2.8
tЦкон=1255−0,76· (1255−0)=301,2 оC.
2.3 Определение времени нагрева металла в сварочной зоне
Находим степень черноты дымовых газов ?гсв при температуре tг=1459,06 оС.
Парциальные давления CO2 и H2O равны:
pCO2=98,1· 0,1114=10,93 кПа;
pH2O=98,1· 0,1634=16,03 кПа;
pCO2· Sэфм =10,93· 3,9=42,63 кПа· м;
pH2O· Sэфм =16,03· 3,9=62,54 кПа· м.
По номограммам на рис. 9−11 находим: [CO2=0,12; ['H2O=0,19; в=1,06.
[гсв=[CO2+в· ['H2O 2.3.1
[гсв=0,12+1,06· 0,19=0,32.
Приведенную степень черноты сварочной зоны находим по формуле:
2.3.2
Степень черноты металла принята равной ?м=0,8.
.
Примем температуру металла в конце сварочной зоны: tповкон=1245 оC, tцкон=1145 оC.
Средний по длине методической зоны коэффициент теплоотдачи определяем по формуле:
2.3.3
Вт/(м2· K).
Находим среднюю по сечению температуру металла в начале сварочной (в конце методической) зоны:
=tпов— · (tпов-tц) 2.3.4
=500- · (500−301,2)=367,49 оC.
Находим температурный критерий для поверхности блюмов по формуле:
пов 2.3.5
пов=.
При средней температуре металла:
2.3.6
оC.
Согласно приложению VIII находим теплопроводность среднеуглеродистой стали л=26,2 Вт/(м· K) и температуропроводность а=5,0· 10-6 м2/с.
Отсюда по формуле:
2.3.7
.
По найденным значениям и Bi по номограммам рис. 17 для поверхности пластины находим критерий Фурье F0=0,95. Тогда время нагрева металла в сварочной зоне печи равно по формуле:
2.3.8
=2299,0 с.=0,64 ч.
Находим температуру центра блюма в конце сварочной зоны. Согласно номограмме рис. 19 для центра пластины при F0=0,95 и Bi=2,0 температурный критерий ц=0,40. Теперь найдем температуру центра блюма в конце сварочной зоны по формуле:
tцкон=tГ-ц· (tГ-tцнач) 2.3.9
tцкон=1459,06−0,40· (1459,06−367,49)=1021,72 оC.
2.4 Определение времени томления металла
Перепад температур по толщине металла в начале томильной зоны составляет Дtнач=1245−1021,72=223,28 оC. Допустимый перепад температур в конце нагрева составляет Дtкон=50 оC. Степень выравнивания температур равна:
2.4.1
.
При коэффициенте несимметричности нагрева, равном м=0,55 критерий F0 для томильной зоны согласно номограмме на рис. 14 (кривая 3) равен F0=1,15. При средней температуре металла в томильной зоне равной:
2.4.2
оC.
Согласно приложению VIII находим теплопроводность среднеуглеродистой стали л=29,7 Вт/(м· K) и коэффициент температуропроводности а=5,57· 10-6 м2/с.
Тогда время томления металла равно:
2.4.3
=2488,11 с.=0,69 ч.
Полное время пребывания металла в печи равно:
ф=фм+фсв+фт=1067,65+2299,0+2488,11=5854,76 с.= 1,63 ч.
3. Определение основных размеров печи
Для обеспечения производительности 160 т/ч=44,44 кг/с, в печи одновременно должно находится следующее количество металла:
G=P· ф 3.1
G=44,44· 5854,76 =260 186 кг.
Масса одной заготовки равна:
g=b· д·l·с, 3.2
где l=4,5 м — длина заготовки,
b=0,3 м — ширина заготовки, д=0,2 м — толщина заготовки, с=7850 кг/м3 — плотность заготовки.
g=0,3· 0,2·4,5·7850=2120 кг.
Количество заготовок, одновременно находящихся в печи:
n=G/g 3.3
n=260 186/2120=123 штук.
При двурядном расположении заготовок общая длина печи равна:
L=b•n/2 3.4
L=0,2•123/2=12,3 м.
Площадь пода равна:
F=B· L 3.5
F=9,6· 12,3=118,08 м2.
Высоты отдельных зон печи оставляем теми же, что были приняты при ориентировочном расчете. Длину печи разбиваем на зоны пропорционально времени нагрева металла в каждой зоне.
3.6
Длина методической зоны Lм= м.
Длина сварочной зоны Lсв= м.
Длина томильной зоны Lт= м.
4. Тепловой баланс
При проектировании печи за определением основных размеров следует конструктивная проработка деталей. Поскольку в данной работе такая проработка не проводится, некоторые статьи расхода тепла, не превышающие 5% от всего расхода, будем опускать.
4.1 Приход тепла
Тепло от горения топлива
Qхим=B· Qнр, 4.1.1.1
где B — неизвестная величина расход топлива, м3/с, при нормальных условиях.
Qхим=8793· B кВт.
Тепло, вносимое подогретым воздухом
Qв=B· iв·Vв 4.1.2.1
Qв=463,75 · 2,24·B =1038,8· B кВт.
Тепло экзотермических реакций Принимая, что угар металла составляет 1% имеем
Qэкз=5650· P·a, 4.1.3.1
где a — угар металла,
P — производительность печи.
Qэкз=5650· 44,44·0,01 =2510,86 кВт.
4.2 Расход тепла
Тепло, затраченное на нагрев металла
Qпол=P· (iмкон-iмнач), 4.2.1.1
где iмкон=851,6 кДж/кг — энтальпия среднеуглеродистой стали при tмкон=1245 оC
iмнач=0 кДж/кг — энтальпия среднеуглеродистой стали при tмнач=0 оC.
Qпол=44,44· (851,6−0)=37 845 кВт.
Тепло, уносимое уходящими дымовыми газами
Qух=B· Vп.с·iп.с. 4.2.2.1
Энтальпию продуктов сгорания при температуре tух=1050 оC находим с использованием приложения II.
Таблица 10. Энтальпия дыма и его составляющих при tух=1050 оC
Газ | Энтальпия, кДж/(м3) | |
CO2 | 345,63 | |
H2O | 213,11 | |
N2 | 1119,35 | |
O2 | 27,24 | |
Суммарная энтальпия, iп.с | 1705,33 | |
Qух=3,02· 1705,33· B =5150,1· B кВт.
Потери тепла теплопроводностью через кладку Потерями тепла через под в данной работе пренебрегаем. Рассчитываем только потери тепла через свод и стены печи.
Потери тепла через свод Площадь свода принимаем равной площади пода Fсв=118,08 м2; толщина свода дк=0,3 м, материал — каолин. Принимаем, что температура внутренней поверхности свода равна средней по длине печи температуре газов, которая равна:
Г=(1050+1459,06+1245+20)/3= 1258,02 оC.
Если считать температуру окружающей среды равной tок=30 оC, то температуру поверхности однослойного свода можно принять равной tнар=340 оC.
При средней по толщине температуре свода tк=0,5· (1258,02+340)= 799,21 оC коэффициент теплопроводности каолина согласно приложения XI равен: лк=1,75+0,86· tк=1,75+0,86·799,21=2,44 Вт/(м· K).
Тогда потери тепла определим по формуле
4.2.3.1.1
где б определяется по формуле:
б=1,3· (10+0,06·tнар) 4.2.3.1.2
б=1,3· (10+0,06·340)=39,52 Вт/(м2· К).
кВт.
Потери тепла через стены печи Стены печи состоят из слоя шамота толщиной дш=0,345 м и слоя диатомита толщиной дд=0,115 м.
Наружная поверхность стен определяется по формуле:
F=2· L·2?h 4.2.3.2.1
методическая зона: Fм=2· 2,24·2?1,6=14,34 м2;
сварочная зона: Fсв=2· 4,83·2?2,8=54,1 м2;
томильная зона: Fт=2· 5,23·2?1,65= 34,52 м2.
Площадь торцов печи определяется по формуле:
Fторц=[B+2· (дш+дд)]·(2·hм+hт) 4.2.3.2.2
Fторц= [9,6+2· (0,345+0,115)]·(2·1,6+1,65)=51,02 м2.
Полная площадь стен равна:
Fст=14,34+54,1+34,52+51,02=153,98 м2.
Для вычисления коэффициентов теплопроводности, зависящих от температуры, необходимо найти среднее значение температуры слоев. Средние температуры слоев шамота и диатомита равны:
4.2.3.2.3
4.2.3.2.4
где t' - температура на границе раздела слоев, оC;
tклнар — температура наружной поверхности стен, которую можно принять равной 160 оC.
Коэффициент теплопроводности шамота равен лш=0,7+0,64· tш, а диатомита лд=0,163+0,43· tд, Вт/(м?К).
В стационарном режиме:
4.2.3.2.5
Подставляя значения коэффициентов теплопроводности, имеем
В результате решения получим уравнение вида A· (t')2 + B· t' + C = 0
Решение этого уравнения дает значение t'=798,99 оC. Тогда:
=(1258,02+798,99)/2=1028,5 оC;
=(160+798,99)/2=479,5 оC.
Окончательно получаем: лш=0,7+0,64· 1028,5 =1,36 Вт/(м· K) и лд=0,163+0,43· 479,5=0,37 Вт/(м· K).
Количество тепла, теряемое теплопроводностью через стены печи, равно:
4.2.3.2.6
где б определяется по формуле:
б=10+0,06· tклнар 4.2.3.2.7
Отсюда б=10+0,06· 160=19,6 Вт/(м2· К);
кВт.
Общее количество тепла, теряемого теплопроводностью через кладку:
Qтепл=Qсв+Qст=852,84+306,72=1159,57 кВт.
Потери тепла с охлаждающей водой Потери тепла с охлаждающей водой по практическим данным принимаем равными 10% от тепла, вносимого топливом и воздухом.
Qохл=0,1· В·(Qхим+Qв) 4.2.4.1
Qохл=0,1· В·(8793+1039,04)=983,2·B кВт.
Неучтенные потери Неучтенные потери определяем по формуле:
Qнеучт=0,15· (Qтепл+Qохл·B) 4.2.5.1
Qнеучт=0,15· (1159,57+983,2·B) кВт.=173,93+147,48· В кВт.
Определение расхода топлива Уравнение теплового баланса:
Qхим+Qв+Qэкз=Qпол+Qух+Qтепл+Qохл+Qнеучт 4.2.6.1
8793· В+1038,8·В+2510,86=37 845+5150,1·В+1159,57+983,2·В+173,93+147,48·В
3551,02· B=36 667,64
Решая это уравнение, находим B: B=10,33 м3/с.
Результаты расчетов сведем в таблицу 11.
Таблица 11. Тепловой баланс методической печи
Статья прихода | кВт (%) | Статья расхода | кВт (%) | |
Тепло от горения топлива | 90 831,69 (87,27) | Тепло на нагрев металла | 37 845 (36,37) | |
Физическое тепло воздуха | 10 733,24 (10,31) | Тепло, уносимое уходящими газами | 53 200,53 (51,13) | |
Тепло экзотермических реакций | 2511 (2,42) | Потери тепла теплопроводностью через кладку | 1159,57 (1,11) | |
Потери тепла с охлаждающей водой | 10 156,46 (9,76) | |||
Неучтенные потери | 1697,4 (1,63) | |||
Итого | 104 076,041 (100) | Итого | 104 058,43 (100) | |
Удельный расход тепла на нагрев 1 кг металла:
4.2.6.2
кДж/кг.
5. Расчет рекуператора для подогрева воздуха
Исходные данные для расчета: на входе в рекуператор tвн=0 оC, на выходе tвк=350 оC. Температура дыма на входе в рекуператор tдн=1050 оC.
Расход газа на отопление печи B=10,33 м3/с. Расход воздуха на горение топлива Vв=10,33· 2,24=23,14 м3/с. Количество дымовых газов на входе в рекуператор Vд=10,33· 3,02=31,24 м3/с.
Таблица 12. Процентный состав дымовых газов
CO2 | H2O | N2 | O2 | ||
% | 11,14 | 16,34 | 71,11 | 1,41 | |
Выбираем керамический блочный рекуператор. Материал блоков — шамот, марка кирпича Б-4 и Б-6 (табл. 19 [2]). Величину утечки воздуха в дымовые каналы принимаем равной 10%.
Тогда в рекуператор необходимо подать следующее количество воздуха:
Vвн=Vв/0,9 5.1
Vвн=23,14/(1−0,1)=25,72 м3/с.
Количество потерянного в рекуператоре воздуха:
ДVв= Vвн -Vв 5.2
ДVв=25,72−23,14=2,57 м3/с.
Среднее количество воздуха:
=(Vвн +Vв)/2 5.3
=(25,72+23,14)/2=24,43 м3/с.
Количество дымовых газов, покидающих рекуператор (с учетом утечки воздуха) равно:
Vдк=Vд+ДVв 5.4
Vдк=31,24+2,57=33,81 м3/с.
Среднее количество дымовых газов:
=(Vд+ Vдк)/2 5.5
=(31,24+33,81)/2=32,52 м3/с.
Составим уравнение теплового баланса рекуператора, учитывая потери тепла в окружающую среду, равные 10% и утечку воздуха в дымовые каналы, используя формулу:
Q=0,9· ·(cдн·tдн-cдк·tдк)=·(cвк·tвк-cвн·tвн)+ДVв·(cвд·tдк-cвн·tвн), 5.6
где cвн, cвк — удельные теплоемкости воздуха при tвн и tвк соответственно;
cвд — удельная теплоемкость воздуха при температуре tдк.
Для решения этого уравнения необходимо определить удельную теплоемкость дымовых газов на входе и на выходе из рекуператора.
Находим удельные теплоемкости дымовых газов при заданных температурах (приложение I [2]).
Зададим температуру дымовых газов на выходе из рекуператора: tдк=650 оC.
Таблица 13. Теплоемкость дыма и его составляющих при tдк=650 оC
Газ | Теплоемкость, кДж/(м3· K) | |
CO2 | 0,23 | |
H2O | 0,26 | |
N2 | 0,96 | |
O2 | 0,02 | |
Суммарная теплоемкость, cдк | 1,48 | |
Таблица 14. Теплоемкость дыма и его составляющих при tдн=1050 оC
Газ | Теплоемкость, кДж/(м3· K) | |
CO2 | 0,25 | |
H2O | 0,28 | |
N2 | 0,99 | |
O2 | 0,02 | |
Суммарная теплоемкость, cдн | 1,54 | |
cвк=1,32 415 кДж/(м3· К), cвн=1,3009 кДж/(м3· К), cвд=1,3654 кДж/(м3· К).
Теперь решая уравнение относительно tдк получим:
0,9· 32,52·(1,54·1050−1,48·tдк)=24,43·1,32 415·350+2,57·1,3654·tдк
tдк=768,9оС.
В принятой конструкции рекуператора схема движения теплоносителей — перекрестный ток. Среднюю разность температур находим по формуле:
Дt=Дtпрот· еДt, 5.7
Определив среднелогарифмическую разность температур для противоточной схемы движения теплоносителей по формуле:
5.8
.
Найдя поправочные коэффициенты
,
по номограмме на рис. 23 находим еДt=0,98.
Тогда 733,4· 0,98=718,73 оC.
Для определения суммарного коэффициента теплопередачи согласно табл. 28 примем среднюю скорость движения дымовых газов щд0=1,2 м/с, а среднюю скорость движения воздуха щв0=1,5 м/с.
Учитывая, что эквивалентный диаметр воздушных каналов равен (табл. 19 [2]) dв=0,055 м=55 мм, по графику 26 находим значение коэффициента теплоотдачи конвекцией на воздушной стороне:
бвконв'=12,14 Вт/(м2?К).
Или с учетом шероховатости стен:
бвконв=1,1· 12,14=13,4 Вт/(м2?К).
Коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне находим по формуле:
бд=бдконв+бдизл 5.9
Учитывая, что гидравлический диаметр канала, по которому движутся дымовые газы равен (табл. 19 [2]) dд=0,21 м, по графику на рис. 26 находим коэффициент теплоотдачи конвекцией на дымовой стороне:
бдконв'=6,4 Вт/(м2?К).
Или с учетом шероховатости стен:
бдконв=1,1· 6,4=7,04 Вт/(м2?К).
Величину коэффициента теплоотдачи излучением на дымовой стороне определяем для средней температуры дымовых газов в рекуператоре, равной: 0,5· (1050 + 768,9)=909,5 оС.
Среднюю температуру стенок рекуператора принимаем равной:
0,25· [(1050+768,9)+(350+0)]=542 оС.
Эффективная длина луча в канале равна:
0,9· 0,21=0,189 м.
Получим:
pCO2· Sэф=10,93·0,189=2,66 кПа· м;
pH2O· Sэф=16,03·0,189=3,03 кПа· м.
По номограммам на рис. 9−11 при 909,5оС находим
=0,066; =0,055; в=1,08;
=0,066+1,08· 0,055=0,13.
Коэффициент Агаза-стенок:
5.10
.
Учитывая, что при степени черноты стен рекуператора 0,8, их эффективная степень черноты равна 0,5· (1+0,8)=0,9, по формуле находим коэффициент теплоотдачи излучением:
5.11
Вт/(м2?К).
Суммарный коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне равен:
бд=7,04+25,03 =32,07 Вт/(м2?К).
При температуре стенки 542 оС коэффициент теплопроводности шамота равен (приложение Х [2]):
542=1,001 Вт/(м?К).
С учетом толщины стенки элемента рекуператора д=0,019 м находим суммарный коэффициент теплопередачи по формуле:
5.12
где F и Fсоответственно основная поверхность теплообмена и оребренная, м2.
При F/(F+F)=0,8:
Вт/(м2· К).
Определяем поверхность нагрева и основные размеры рекуператора. Количество тепла, передаваемого через поверхность теплообмена, равно по формуле:
5.13
где з=0,9 — поправка, учитывающая потери тепла в окружающую среду.
Q=кВт.
Величина поверхности нагрева рекуператора:
F=Q/(K·) 5.14
м2.
Так как удельная поверхность нагрева рекуператора, выполненного из кирпичей Б=4 и Б=6, равна м2/м3 (табл. 19 [2]), можно найти объем рекуператора:
5.15
м3.
Необходимая площадь сечений для прохода дыма равна:
5.16
м2.
Учитывая, что площадь дымовых каналов составляет 44% общей площади вертикального сечения рекуператора, найдем величину последнего:
м2.
Принимая ширину рекуператора равной ширине печи, т. е. =9,6 м, находим высоту рекуператора:
5.17
м.
Длина рекуператора:
5.18
м.
6. Выбор горелок
В многозонных методических печах подводимая тепловая мощность (а, следовательно, и расход топлива) распределяется по зонам печи следующим образом: верхняя часть сварочной зоны 30−40%; нижняя часть сварочной зоны 35−45% и томильная зона 15−25%.
Распределяя расход топлива по зонам пропорционально тепловой мощности, получим:
Bвсв.з= 40% В=4,132 м3/с.
Bнсв.з= 45% В=4,649 м3/с.
Bтом.з= 20% В=2,066 м3/с.
Принимая, что в печи установлены горелки типа «труба в трубе» в верхней сварочной зоне 10 штук, в нижней сварочной зоне 12 штук, а в томильной зоне 8 штук находим расход топлива на одну горелку:
B1всв.з= 4,132/10=0,41 м3/с.
B1нсв.з= 4,649/12=0,39 м3/с.
B1том.з= 2,066/8=0,26 м3/с.
Выбор горелок производится по методике, изложенной в табл. 23.
Плотность газа 1,0956 кг/м3, расход воздуха при коэффициенте расхода n=1,1 равен 2,24 м3/м3 газа.
Пропускная способность горелок по воздуху:
V1в=Vв· B1 6.1
верхняя сварочная зона
V1в=2,24· 0,41=0,92 м3/с.
нижняя сварочная зона
V1в=2,24· 0,39=0,87 м3/с.
томильная зона
V1в=2,24· 0,26=0,58 м3/с.
Расчетное количество воздуха, определяем по формуле:
6.2
верхняя сварочная зона
м3/с;
нижняя сварочная зона
м3/с;
томильная зона
м3/с.
Принимая давление воздуха перед горелками равным 1,0 кПа, по графику на рис. 28 находим, что при этом давлении требуемые расходы воздуха обеспечивают следующие типы горелок «труба в трубе» большой тепловой мощности: верхняя сварочная зона — ДНБ-375, нижняя сварочная зона — ДНБ-300 I, томильная зона — ДНБ-275.
Расчетное количество газа определяем по формуле:
6.3
верхняя сварочная зона
м3/с;
нижняя сварочная зона
м3/с;
томильная зона
м3/с.
Принимая давление газа перед горелками равным 3,0 кПа, по графику на рис. 29 находим, диаметр газового сопла для горелок: верхние сварочные зоны — 160 мм, нижние сварочные зоны — 160 мм, томильная зона — 130 мм.
Окончательно принимаем горелки для верхней сварочной зоны ДНБ 375/160, нижней сварочной зоны ДНБ 300 I/160, томильной зоны ДНБ 275/130.
Заключение
Выбор конструкции методической печи и графика нагрева зависит от толщины заготовки, пластичности металла в холодном состоянии и теплофизических свойств нагреваемого металла. Ограничение скорости нагрева холодного металла в интервале температур от 0 до 500 оС распространяется в основном на качественные и высоколегированные стали. Этим сталям свойственны относительно низкие коэффициенты теплопроводности и температуропроводности, в результате чего чрезмерная скорость нагрева может привести к недопустимому перепаду температур по толщине заготовки. Скорость повышения температуры металла в начале его нагрева в первую очередь зависит от того, какова температура в начале методической зоны, при которой проводится посад холодного металла. Выбор этой температуры, а следовательно, температурного режима печи и ее конструкции во многом зависит от того, какая начальная температура печи допустима для той или иной марки стали. Существует большое число, весьма ходовых марок стали (углеродистые, низколегированные, рельсовые и др.), для которых эта температура практически неограниченна. Однако для ряда других марок стали должны быть введены достаточно строгие ограничения, вплоть до того, что некоторые стали можно помещать в печь, температура которой не превышает 600−650 оС. Ограничения подобного рода, достаточно четко определены и приведены в соответствующей справочной литературе.
Библиографический список
1. Мастрюков Б. С. Теория, конструкции и расчёты металлургических печей: в 2-х томах. 2-е изд. перераб. и доп. т. 2. М.: Металлургия, 1986. 376 с.
2. Расчет методической толкательной печи: исх. дан. и метод. указания к выполнению курсового проекта / сост. Ю. И. Алексеев; - Нижний Тагил: НТИ (ф) УГТУ-УПИ, 2006.-120 с.