Расчет основных показателей нагревательной печи

Научный Исследовательский Технологический Университет

Московский Государственный Институт Стали и Сплавов

Кафедра теплофизики и экологии металлургического производства

Курсовая работа по курсу:

«Металлургическая теплотехника»

На тему:

«Расчет основных показателей нагревательной печи»

Выполнила: студентка Ляхова М.С.

группа РПМ-07

Проверила: Герцык С. И

г. Москва 2010 г

Исходные данные

1. Расчёт горения топлива (коксодоменный газ)

2. Определение основных размеров печей

3. Определение коэффициента теплоотдачи излучением от печи газов к металлу

4. Определение температуры печи и температуры кладки

5. Расчёт времени нагрева металла

6. Определение производительности печи

7. Тепловой баланс

8. Выбор и расчет горелок

Список используемой литературы

Исходные данные

Среднеуглеродистая сталь

Длина заготовки L=0.9 м

Сечение O 40 мм

Конечная разность температур по сечению заготовки

Температура нагрева заготовок 1210°С

Температура нагрева воздуха T_воз.= 340°С

Температура нагрева топлива Т_т= 300°С

Коэффициент расхода воздуха п=1.05

Теплотворная способность топлива 8500 кДж/м³

Топливо смешанный газ коксовальный-генераторный газ

Тип печи камерная нагревательная — двухкамерная

В печи одновременно находится 34 заготовок

1. Расчёт горения топлива (коксодоменный газ).

Топливо А. Генераторный газ из Донецкого антрацита (объемные %)

Топливо Б. Коксовальный газ (объемные %)

Влажность исходных топлив [г/м³]: W_A=19 г/м³; W_Б=24 г/м³

Пересчет сухого газа на влажный.

Расчет состава влажных газов: X^вл_ген=X^сух_ген= 0.98* X^сух_ген

X^вл_кокс=X^сух_кокс== 0.97*X^сух_кокс

Состав влажных газов.

печь коксодоменный теплоотдача металл

Генераторный газ.

Коксовальный газ.

Определение Q_н^р генераторного и коксовального газов:

Q_н^р(ген.)=X^вл_co*126.45 + X^вл_H2*107.60 + X^вл_CH4*358.30 + X^вл_H2S*147.30= 0.2687*12 645 + 0.1319*10 760 + 0.0049*35 830 + 0.002*14 730= 5022 кДж/м³

Q_н^р(кокс.)=X^вл_co*126.45 + X^вл_H2*107.60 + X^вл_CH4*358.30 + X^вл_C3H8*913.00 = 0.0679*12 645 + 0.5626*10 760 + 0.2593*35 830 + 0.0233*91 300 = 18 330 кДж/м³

Доля коксовального газа в смеси:

a = = = 0.261

Доля генераторного газа:

1 — а = 1 — 0.261 = 0.739

Определение состава смеси газа по соотношениям:

X_см = X_кокс* а + X_ген*(1 — а)

CO₂(см) = 2.81*0.261 + 5.39*0.739 = 4.72%

CO (см) = 26.79*0.261 + 26.87*0.739 = 21.63%

O₂(см) = 0.49*0.261 + 0.2*0.739 = 0.28%

CH₄(см) = 25.93*0.261 + 0.49*0.739 = 7.13%

H₂(см) = 56.26*0.261 + 13.19*0.739 = 24.43%

N₂(см) = 2.43*0.261 + 51.39*0.739 = 38.61%

H₂S (см) = 0.2*0.739 = 0.15%

С₃H₈(см) = 2.33*0.261 = 0.61%

Н₂O (см) = 100 — (4.72 + 21.63 + 0.28 + 7.13 + 24.43 + 38.61 + 0.15 + 0.61) = 2.44%

100%

Теплота сгорания смешанного газа: (см) = 0.2163*12 645 + 0.0713*35 830 + 0.2443*10 760 + 0.0015*14 730 + 0.0061*91 300 = 8498 кДж/м³

Определение расхода воздуха, состава и количества продуктов сгорания на 100 м³ смеси газа:

*N₂(при n=1)= 38.61 + 151.61 = 190.22

**N₂(при n=1.05) = 38.61 + 159.19 = 197.8

CO + 0.5O₂ = CO₂

H₂ + 0.5O₂ = H₂O

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O

C₃H₈ + 5O₂ = 3CO₂ + 4H₂O

H₂S + 1.5O₂ = H₂O + SO₂

Находим плотность компонентов, составляющих смешанный газ, продуктов сгорания и воздуха:

?_i =

?_CO2 = = 1.964 кг/м³ ?_H2O = = 0.804 кг/м³

?_CO = = 1.25 кг/м³ ?_O2 = = 1.428 кг/м³

?_CH4 = = 0.714 кг/м³ ?_N2 = = 1.25 кг/м³

?_C3H8 = = 1.964 кг/м³ ?_H2S = = 1.518 кг/м³

?_H2 = = 0.09 кг/м³ ?_SO2 = = 2.857 кг/м³

Правильность расчета горения топлива проверяется составлением материального баланса горения:

А. Поступило

а) 100 м³ топлива

CO₂ 4,72*1,964 = 9.27 кг O₂ 0.28*1.428 = 0.40 кг

CO 21,63*1,25 = 27.04 кг H₂ 24.43*0.09 = 2.20 кг

CH₄ 7,13*0,714 = 5.09 кг N₂ 38.61*1.25 = 48.26 кг

С₃H₈ 0,61*1,964 = 1.20 кг H₂S 0.15*1.518 = 0.23 кг

H₂O 2,44*0,804 = 1.96 кг

? = 95.65 кг

б) воздух для горения 200.71 м³

O₂ 42.32*1.428 = 60.43 кг

N₂ 159.19*1.25 = 198.99 кг

? = 259.42 кг

Итого: топливо + воздух = 95.65 + 259.42 = 355.07 кг

Б. Получено продуктов сгорания 278.35, в т. ч.

CO₂ 35.31*1.964 = 69.35 кг SO₂ 0.15*2.857 = 0.43 кг

O₂ 2.02*1.428 = 2.88 кг H₂O 43.72*0.804 = 35.15 кг

N₂ 197.8*1.25 = 247.25 кг

? = 355.06 кг

Невязка баланса:? = *100% = 0.0028%

Определение калориметрической температуры горения топлив с подогревом топлива и воздуха:

i_д =

i_m: (до 300°С)

i_CO2 = 0.0472*564.24 = 26.63 кДж/м³ i_C3H8 = 0.0061*758.68 = 4.63 кДж/м³

i_CO = 0.2163*395.67 = 85.58 кДж/м³ i_O2 = 0.0028*407.48 = 1.14 кДж/м³

i_H2O = 0.0244*461.36 = 11.26 кДж/м³ i_N2 = 0.3861*392.41 = 151.51 кДж/м³

i_CH4 = 0.0713*567.75 = 40.48 кДж/м³ i_H2 = 0.2443*390.65 = 95.44 кДж/м³

i_CO2 = 0.0015*482.34 = 0.72 кДж/м³

i_m = 417.39 кДж/м³

i_д = = 3580.48

t = 2100 °C t = 2200°C

i_CO2 = 0.1266*5186.81 = 656.65 кДж/м³ i_CO2 = 0.1266*5464.20 = 691.77 кДж/м³

i_H2O = 0.1567*4121.79 = 645.88 кДж/м³ i_H2O = 0.1567*4358.83 = 683.03 кДж/м³

i_O2 = 0.0072*3314.85 = 23.87 кДж/м³ i_CO2 = 0.0072*3487.44 = 25.11 кДж/м³

i_N2 = 0.709*3131.96 = 2220.56 кДж/м³ i_CO2 = 0.709*3295.84 = 2336.75 кДж/м³

? = i₁ = 3546.96 кДж/м³? = i₂ = 3736.66 кДж/м³

Т_кал = Т₁ + = 2100 + = 2118°C

2. Определение основных размеров печи

При однорядном расположении заготовок:

Длина печи:

.

Ширина печи:

Высота печи:

; A = 0.65

h = (0.65+0.05*1.1)*1310*10^-3 = 0.924 м

3. Определение коэффициента теплоотдачи излучением от печи газов к металлу.

(Вт/К)

Спр = 5.7*?ме*К; ?ме = 0.8

Fкл = BL + 2BH + 2LH = 1.1*1.2 + 2*1.1*0.924+2*1.2*0.924 = 5.57

Fме =

F6 = 2BL + 2BH + 2LH = 2*1.1*1.2 + 2*1.1*0.924 + 2*1.2*0.924 = 6.89

Определим эффективную длину луча:

Sэф = 3.6*V/F6 = 3.6*L*B*H/F6 = (3.6*1.2*1.1*0.924)/6.89 = 0.64

Находим степень черноты дымовых газов при температуре газа. Парциальное давления и равно:

Температура газа t = 1310:

.

Тогда степень черноты дымовых газов:

Подсчитаем К:

Спр = 5.7*0.8*0.52 = 2,46

Теперь можно подсчитать коэффициент теплоотдачи излучением:

(Вт/К)

4. Определение температуры печи и температуры кладки

Теперь можно найти температуру печи и клади:

Тпечи = 1537.43 К = 1264.43 °С

Ткладки = 1527.41 К=1254.41 °С

5. Расчёт времени нагрева металла.

По приложению находим

. S = d = 0.04

— термически-тонкое тело

?_расч=µ*d;; ?_расч = 0.6*0.04=0.024

?=7800 кг/м³; С_ме (615°С) = 0.595 кДж/(кг К)

Теперь рассчитаем время нагрева:

6. Определение производительности печи

7. Тепловой баланс

При проектировании печи, тепловой баланс составляется с целью определения расхода топлива. Просуммировав отдельные статьи прихода и расхода тепла и приравняв, получим уравнение с одним неизвестным, которым будет величина расхода топлива .

Приход тепла:

Тепло от горения топлива

где — расход топлива,, при нормальных условиях. .

Тепло, вносимое подогретым воздухом

.

Тепло экзотермических реакций (принимая, что угар металла составляет 1%),

где G — производительность, , — угар металла. .

кВт

Расход тепла:

1.Тепло, затрачиваемое на нагрев металла

2.. Расход тепла, вследствие потерь через футеровку печи

; Sвнутр = 5.65

Найдем наружные размеры:

Bнар = Ввн + 2*(0.116 + 0.232) = 1.796 м

Lнар = Lвн + 2*(0.116 + 0.232) = 1.896 м

hнар = hвн + 2*(0.116 + 0.232) = 1.62 м

Sнар = BL + 2BH + 2LH = 1.796*1.896 + 2*1.796*1.62 + 2*1.896*1.62 = 15.37

;

Для вычисления коэффициентов теплопроводности, зависящих от температуры, необходимо найти среднее значение температуры слоев.

Средняя температура слоев шамота равна, а слоя диатомита

где — температура на границе раздел слоев, — температура наружной поверхности кладки, которую можно принять равной .

Коэффициент теплопроводности шамота

.

Коэффициент теплопроводности диатомита

.

В стационарном режиме

.

Подставив значения коэффициентов теплопроводности получим:

Решение этого квадратного уравнения дает значение. Тогда,. Окончательно получим, .

Количество тепла, теряемого теплопроводностью через кладку печи, равно

3. Потери тепла излучением, через открытые окна и щели печи

Со = 5,7

fокн = 0.06 * 0.696 = 0.042

4. Тепло, теряемое в результате выбивания газов из окон и дверей

С_Г=1.535 кДж/(м³ К)

Т_Г=1310 °С

Нокн = 1.5*0.04 = 0.06 м

bокн = 0.696 м

tгаз = 1310

5.Тепло, уносимое уходящими дымовыми газами

.

Найдем энтальпию продуктов сгорания при температуре

I_co2 = 0.1266*3037.2 = 384.51

I_H2O = 0.1567*2354.63 = 368.97

I_o2 = 0.0072*1992.67 = 14.35

I_{N2 =} 0.709*1884.36 = 1336.01

6. Потери из-за химических неполностей

7. Потери тепла из-за мех. потерь топлива

где d= 2% (газообразное топливо)

8. Неучтенные потери

Уравнение теплового баланса:

9572.19*B + 4.58 = 57.35 + 9.7 + 1.07 + 3.73 +5919.93*В — 1.804 + 502.898*B — 0.153 + 170*B + 547.84*В — 7.65

Откуда

В = 0.2 372

Удельный расход тепла на нагрев 1 кг металла

.

8. Расчет и выбор горелки

выбираем горелку типа «Труба в трубе»

Так как теплота сгорания низкая, выбираем горелку типа ДНС

1 Расчетное количество воздуха

где

Vвпропускная способность горелки по воздуху, м³ / с

Тв — температура нагрева воздуха, К

2 Расчетное количество газа

где

Vгпропускная способность горелки по газу, м³ / с

Тв — температура газа, К

— плотность газа кг/м³

Выбираем горелку ДНС70

Список используемой литературы

1. Мастрюков Б. С. Теория, конструкция и расчеты металлургических печей; Металлургия, 1978

2. Герцык С. И. Курс лекций по предмету «Теплотехника», 2010