Расчёт пламенной методической печи

Расчёт пламенной методической печи

1. Расчёт горения топлива

Принимаем влажность коксового газа, влажность коксового газа. Рассчитаем состав влажных газов [2, стр. 14, формула (I-6)]:

; [1.1]

где — содержание какого-либо компонента в сухом газе, %

— то же, во влажном газе, %.

Состав влажного коксового газа, %:

[1.11]

Состав влажного природного газа, %:

[1.12]

Тогда содержание H₂O в коксовом газе, %:

[1.2]

в природном газе, %:

[1.3]

Состав доменного и коксового газов сводим в таблицу 2:

Таблица 2

Т.к. в исходных данных дано процентное содержания газов в топливе 50% КГ и 50% ПГ, то определяем процентное содержание компонентов в смеси:

Проверка:

Расчет выполняется, ориентируясь на характерное для методических печей длиннофакельное сжигание топлива, осуществляемое, как правило, с коэффициентом расхода воздуха ?=1,1.

Теплота сгорания коксового и природного газов:

Тогда теплота сгорания смеси газов:

[1.4]

Расчёт расхода воздуха на горение, расчет состава и количества продуктов сгорания ведется на 100 м³ газа при нормальных условиях и дается в табличной форме (Таблица 3).

Определяем калориметрическую температуру горения из балансового уравнения условно адиабатного топочного объема.

Согласно этому уравнению вся теплота, вносимая в радиационную зону, включая химическую теплоту топлива, физическую теплоту прогрева воздуха и топлива, расходуется исключительно на нагрев образующихся продуктов сгорания, характеризуемый теплосодержанием

или

Откуда; [1.5]

где — расчётные удельные объемы воздуха на горение и образующихся продуктов сгорания, отнесённых к 1 м³ топлива [Таблица 3]:

;

;

— температуры подогрева воздуха и газа, ^оС (по условию),

— средняя изобарная теплоемкость воздуха:

[4, стр. 40, Табл. 2.13]

— средняя изобарная теплоемкость продуктов сгорания в интервале температур от 0 до. Поскольку теплоемкости реальных газов, к которым относятся и продукты сгорания топлива, существенно зависят от температуры, то в балансовое уравнение топочного объема входят две взаимосвязанные искомые величины: и. Поэтому поиск необходимо проводить методом последовательных приближений.

В современных методических печах минимально необходимая калориметрическая температура составляет 1800^оС. Принимаем

[1.6]

где — средняя изобарная теплоемкость отдельных компонентов газовой смеси продуктов сгорания при [4, стр. 40, Табл. 2.13]:

— объемные доли компонентов, вычисленные при расчете процесса горения по стехиометрическим реакциям [Таблица 3]

— средняя изобарная теплоемкость топливной смеси в интервале температур от 0 до (по условию),

где — средняя изобарная теплоемкость компонентов смеси. [4, стр. 40, Табл. 2.13]

— объемные доли компонентов в смеси [Таблица 3].

По формуле [1.5] в первом приближении:

Тогда расхождение между предполагаемым и расчетным значением:

Принимаем .

Для определения действительной температуры в сварочной зоне печи необходимо воспользоваться пирометрическим коэффициентом:

Тогда ;

для методической печи с торцевой выдачей металла [5, стр. 6];

Принимаем — действительная температура в сварочной зоне.

2. Определение времени нагрева металла и основных размеров печи

Общее время пребывания металла в печи складывается из отрезков времени, которые определяются для отдельных участков печи. Расчет времени нагрева на каждом участке печи выполняется с учетом специфических особенностей этого участка. Большинство распространенных методов расчета времени нагрева металла выполняется при граничных условиях третьего рода, т. е. когда температура по длине печи неизменна. Поэтому в тех случаях, когда температура в пределах какого-либо участка печи переменна, приходится ее усреднять и по средней температуре, считая ее постоянной, вести расчет.

Зададимся температурным графиком процесса нагрева [Приложение 1], изображающим изменение действительных температур печного пространства и поверхности нагреваемого материала по длине печи.

Методическую зону разделим условно на три участка (I, II, III) и усредним температуру печи в пределах каждого из них. При этом температуру отходящих газов принимаем равной (по условию), температура в сварочной зоне равна, температура в томильной зоне — на величину выше температуры нагрева материала, т. е. равна Поскольку основным назначением методической зоны является медленный нагрев материала до состояния пластичности, температура центра металла при переходе из методической зоны в сварочную зону должна быть порядка 400−500 ^оС.

2.1 Предварительное определение основных размеров печи

Площадь пода печи определяется по формуле:

; [2.1]

Для однорядного варианта расположения заготовок ширина и длина печи равны:

[2.2]

где — зазор между заготовками и стенами печи [5, стр. 9];

— длина заготовки (по условию);

По конструктивным соображениям высота печи принимается [5, стр. 9]:

— в томильной зоне — ;

— в сварочной зоне — ;

— в конце методической — ;

Средняя высота методической зоны будет равна:

[2.3]

2.2 Определение степени развития кладки

Определять степень развития кладки необходимо для вычисления приведенного коэффициента излучения газов и кладки на металл:

; [2.4]

где — суммарная внутренняя площадь поверхности и свода зоны печи, м²;

— площадь поверхности материала, воспринимающего тепловое излучение, м².

Иначе можно записать (для двухрядного варианта расположения заготовок):

; [2.5]

где — высота зоны, м.

Для методической зоны подставляется её средняя высота. Величина определяется для каждой из рассматриваемых зон:

1) в методической зоне:

2) в сварочной зоне:

3) в томильной зоне:

2.3 Определение эффективности толщины газового слоя —

Значение, является усредненной характеристикой длины пути тепловых лучей, поступающих из газового объема на твердую ограждающую поверхность. Влияние этого геометрического параметра на радиационный тепловой поток из газового объема учитывается при выборе соответствующих расчетных значений степени черноты отдельных, активно излучающих компонентов газовой смеси.

Для расчета пользуются формулой Невского-Порта:

[2.6]

где Н — высота зоны (для методической —);

В-ширина зоны [см. п. 2.1].

Расчет ведется для каждой из рассматриваемых зон:;

1) для методической зоны:

2) для сварочной зоны:

3) для томильной зоны:

2.4 Определение времени нагрева металла в методической зоне

Расчет проводится для каждого из трех участков методической зоны.

Степень черноты газов:

[2.8]

где — степени черноты углекислого газа и водяных паров, соответственно; определяются по номограммам [3, стр. 138−139, рис. 4.6−4.7] (см. Приложения 2, 3) в зависимости от температуры газа и произведения, где — парциальное давление компонента газовой смеси (и).

— поправочный коэффициент на отклонение от закона аддитивности, определяется по графику [3, стр. 140, рис. 4.8] (см. Приложения 4).

Парциальное давление компонентов газовой смеси можно рассчитать через их объёмные доли:

; ;

где — [Таблица 3].

— барометрическое давление в соответствующей зоне печи при соответствующей температуре (или средней температуре) зоне; по конструктивным соображениям (разрежение в печи) принимаем

.

Степень черноты газов Таблица 4

Приведенный коэффициент излучения в системе газ — кладка — материал определяется для каждого участка методической зоны по формуле:

[2.9]

где — степень черноты металла [5, стр. 11];

— коэффициент лучеиспускания абсолютно чёрного тела.

I участок:

II участок:

III участок:

Средний по длине участка методической зоны коэффициент теплоотдачи излучением определяется:

[2.10]

где и — соответственно температуры поверхности металла в конце и начале i-того участка методической зоны, K.

— средняя по длине i-того участка методической зоны температура газов, K.

I участок:

II участок:

III участок:

В технике для градации условий нагрева, связанных с понятием термически тонких и массивных тел, служит численное значение безразмерного коэффициента теплоотдачи — критерий Био, т. е. для определения времени нагрева материала необходимо вначале определить значение :

; [2.11]

где — характерный размер при двухстороннем нагреве материала.

где — толщина изделия (по условию); в качестве определяющего размера можно брать и другие размеры заготовки (смотря, как она будет лежать);

— коэффициент теплопроводности материала, определяется для средней температуры рассматриваемого участка методической зоны [3, стр. 112, Табл. 4.1]. Данные заносим в Таблицу 5 (в т. ч. коэффициент температуропроводности материала [3, стр. 146−147, Табл. 4.12]).

Таблица 5

Так как критерий Био для первого участка, то в этом случае расчет времени нагрева ведется для термически тонкого тела. Для второго и третьего участков расчет ведется как для термически массивных тел, так как для этих участков критерий Био .

Рассчитываем время нагрева материала на участках методической зоны.

— На первом участке:

Определим объем заготовки:

;

Определим площадь теплообменной поверхности:

;

Плотность материала Ст8 при температуре t₀=5 ^оC:

;

Найдем массу заготовки:

;

Массовая теплоемкость заготовки при конечной температуре первого участка методической зоны :

Зная все выше описанные величины, мы можем найти время нагрева материала на первом участке методической зоны по следующей формуле:

;

.

— На втором и третьем участках:

Определяем температурный критерий для поверхности материала:

[2.12]

где — средняя температура газов на i-том участке методической зоны;

— текущая и начальная температуры нагреваемого тела на i-том участке методической зоны.

По номограмме ([6], страница 67−68, рисунок 6. 1,6.2) для поверхности пластины по значениям и определяем критерий Фурье — (см. Приложения 5, 6), затем по номограммам ([6], страница 68−69, рисунок 6. 3,6.4) для центра пластины по найденным значениям и определяем температурный критерий (см. Приложения 7, 8). Значения критериев сводим в Таблицу 6.

Таблица 6

Рассчитываем время нагрева материала на участках методической зоны по формуле:

[2.13]

Полное время нагрева изделия в методической зоне:

[2.14]

Температура металла в центре заготовки на i-том участке методической зоны рассчитывается по формуле:

[2.15]

2.5 Определение времени нагрева металла в сварочной зоне

Парциальное давление компонентов газовой смеси:

Степень черноты газов:

[2.16]

— [3, стр. 140, рис. 4.8] (Приложение 4);

 — [3, стр. 138−139, рис. 4.6−4.7];

Приведенный коэффициент излучения в системе газ-кладка-металл:

[2.17]

Коэффициент теплоотдачи излучением:

[2.18]

Определяем критерий :

[2.19]

где — [3, стр. 112, Табл. 4.1]:

Определяем температурный критерий для сварочной зоны для поверхности материала:

[2.20]

По номограммам [6, стр. 68, рис. 6.2] и [6, стр. 69, рис. 6.4] определяем значения:; (см. Приложения 6, 8)

Время нагрева металла в сварочной зоне:

[2.21]

где — коэффициент температуропроводности [3, стр.

146−147, Табл. 4.12]:

Температура металла в центре заготовки:

[2.22]

2.6 Определение времени томления металла

Перепад температур по толщине металла в начале томильной зоны составляет:

[2.23]

Допустимая разность температур в конце выдержки (по условию).

Степень выравнивания температур определяется по формуле:

[2.24]

При коэффициенте несимметричности (по условию) и степени выравнивания по номограмме [2, стр. 139, рис. 28] (см. Приложение 9) определяем критерий Фурье для томильной зоны: .

Тогда время томления металла равно:

[2.25]

Коэффициент температуропроводности выбираем по средней температуре Найдем среднюю температуру по формуле:

;

Где — температура материала на выходе из сварочной зоны,

;

— температура центра материала на выходе из сварочной зоны,

;

— температура материала на выходе из печи,

.

Тогда средняя температура будет равна:

.

По найденной средней температуре найдем коэффициент температуропроводности:

.

Тогда полное время пребывания металла в печи:

[2.26]

2.7 Определение действительных основных размеров печи

Для обеспечения заданной производительности P = 1.8 т/ч, в печи должно одновременно находиться следующее количество металла:

[2.27]

Масса одной заготовки составит:

[2.28]

где — соответственно ширина, толщина и длина заготовки, м (по условию);

— средняя плотность материала (при средней температуре материала):

;

- [6, стр. 75, Табл. 6.4]

Тогда число заготовок, одновременно находящихся в печи:

[2.29]

При однорядном расположении заготовок:

— общая длина печи:

— ширина печи:

— площадь активного пода:

— площадь габаритного пода:

Высоты отдельных зон печи сохраняем принятыми в предварительном расчете.

Длину печи разбиваем на зоны пропорционально времени нагрева:

— длина первой методической зоны:

— длина второй методической зоны:

— длина третьей методической зоны:

— длина методической зоны:

— длина сварочной зоны:

— длина томильной зоны:

Напряжённость габаритного пода печи:

[2.30]

3. Тепловой баланс печи

3.1 Выбор футеровки печи

Для расчета теплового баланса необходимо выбрать материал, из которого выполняются стены печи, и их толщину.

Для печи задается следующая футеровка:

I) свод подвесного типа выполнен из шамота класса, А толщиной ?₁=250 мм

II) стены двухслойные: слой шамота класса, А толщиной ?₂=250 мм и тепловая изоляция из диатомита толщиной ?₃= 113 мм;

III) под томильной зоны выполнен трехслойным:

1) тальк толщиной слоя ?₄=250 мм

2) шамот класса Б толщиной ?₅=250 мм

3) тепловая изоляция из диатомита толщиной ?₆=113 мм.

[ГОСТ 390−80, ГОСТ 2694–80]

Все толщины берутся по конструктивным соображениям.

3.2 Общие положения

Тепловой баланс печи записывается в виде:

[3.1]

Неизвестной величиной, входящей в это уравнение, является расход топлива — В, для определения которой и составляется такой баланс. Он может быть отнесен только к рабочему пространству печи (это далее и будет рассчитываться) или ко всей установке в целом, включая теплоутилизационные устройства (что менее целесообразно).

При проектировании печи после определения основных размеров следует конструктивная разработка деталей. В данном расчете такая разработка не проводится, поэтому некоторые статьи расхода тепла, не превышающие 5% от общего расхода, опускаются.

3.3 Статьи прихода теплоты

1. Теплота от процесса горения топлива (химическая теплота):

[3.2]

где — искомый расход топлива, м³/c.

2. Физическая теплота, вносимая подогретым воздухом:

[3.3]

где [см. Раздел 1]

3. Физическая теплота, вносимая подогретым газом:

[3.4]

где [см. Раздел 1]

4. Теплота экзотермических реакций (в нагревательных печах учитывается теплота реакции от окисления железа, равная 5652 кДж/кг)

[3.5]

где — производительность печи;

— угар металла (исходные данные);

нагрев печь металл пламенный

3.4 Статьи расхода теплоты

1. Теплота, затраченная на нагрев металла:

[3.6]

где (равная температуре металла на выходе из печи);

— средняя теплоемкость материала, выбирается по температуре, [3, стр. 125, Таблица 4.5]

2. Теплота, уносимая уходящими газами:

[3.7]

[3.8]

где — средняя изобарная теплоемкость отдельных компонентов газовой смеси продуктов сгорания при [4, стр. 40, Табл. 2.13]:

— объемные доли компонентов [Таблица 3];

1. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник. — Кн. 1 /Под общ. ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина. — М.: Энергоатомиздат, 1991.

2. Мастрюков Б. С. Теплотехнические расчёты промышленных печей. — М.: Металлургия. 1972.

3. Тимошпольский В. И., Несенчук А. П., Трусова И. А. Промышленные теплотехнологии. — Кн. 3. — Мн.: Высшая школа, 1998.

4. Роддатис К. Ф., Полтарецкий А. Н. Справочник по котельным установкам малой производительности. — М.: Энергоатомиздат, 1989.

5. Вальченко Н. А., Гурко В. В. Практическое пособие по выполнению курсового проекта по курсу «Высокотемпературные теплотехнологические процессы и установки» для студентов специальности Т.01.02.00 «Теплоэнергетика». — ГГТУ, 2001.

6. Несенчук А. Жмакин Н. Теплотехнические расчёты пламенных печей для нагрева и термообработки металла — Мн.: Высш. Шк., 1974.

7. Тепловой расчёт котельных агрегатов (нормативный метод) /Под ред. А. М. Гурвича, Н. В. Кузнецова. — Госэнергоиздат, 1957.

8. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник. — Кн. 3 /Под общ. ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина. — М.: Энергоатомиздат, 1991.