Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Расчёт роликовой печи для нагрева труб

КонтрольнаяПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Сокращение времени термообработки за счёт повышения качества нагрева. Качество возможно повысить заменой обычных горелок на горелки с форкамерами или на радиационные трубы; Интенсификация конвективного теплообмена в рабочем пространстве печи (создание развитой рециркуляции, струйный нагрев сводовыми горелками в первом периоде нагрева и т. п.). При составлении балансов примем некоторые упрощения… Читать ещё >

Расчёт роликовой печи для нагрева труб (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Расчёт роликовой печи для нагрева труб

Роликовая печь — проходная печь непрерывного действия, подина которой состоит из большого числа вращаемых специальным приводом роликов, выполненных из жаропрочной стали или водоохлаждаемых. Отапливаются роликовые печи газообразным топливом с использованием радиационных труб, расположенных на продольных стенах печи выше и ниже роликов, или беспламенных (чаще всего) горелок; существуют также электрические печи. При использовании беспламенных горелок основным источником лучистого теплообмена в рабочем пространстве роликовой печи является кладка, точнее (учитывая конфигурацию рабочего пространства) — свод печи. Роликовые печи применяют для термической обработки металлических изделий и, реже, для нагрева металла перед горячей обработкой давлением.

Преимущество роликовой печи перед другими печами проходного типа одно: роликовая подина наилучшим образом соответствует условиям поточного производства, т. к. она легко встраивается в цеховые рольганги.

Самым ответственным элементом роликовой печи являются ролики. Их стойкость зависит от температуры в печи и ширины печи. Печи с температурой газа 800−1000С оснащают неохлаждаемыми роликами, а с температурой 1000−1200С — роликами с водоохлаждаемым несущим валом, пространство между которым и бочкой заполнено теплоизолятором. В любом случае в роликах охлаждают цапфы. В подавляющем большинстве случаев ролики делают водоохлаждаемыми, с гладкой бочкой из жаропрочной хромоникелевой стали. Во избежание деформации бочки ролика, он должен вращаться постоянно, — остановки допустимы не дольше, чем на 3−4 минуты.

Кладка рабочего пространства печи выполняется из шамотного кирпича (внутренний слой) и любого теплоизоляционного материала (наружный слой).

Продукты горения топлива образуются непосредственно в рабочем пространстве печи от работы плоскопламенных горелок. Приблизительно до середины печи дым идёт навстречу металлу (в противотоке), а далее в прямотоке. Дым удаляется из печи вниз по вертикальным каналам в районе торцов печи, далее соединяется в единый поток, проходит рекуператор для подогрева воздуха и через дымовую трубу выбрасывается в атмосферу.

Для сокращения расхода топлива возможны следующие варианты:

1) уменьшение поверхности (диаметра) теплообмена роликов и количества роликов исходя из расчётной механической прочности при минимальных коэффициентах запаса прочности;

2) создание эффективной теплоизоляции бочки роликов;

3) сокращение времени термообработки за счёт повышения качества нагрева. Качество возможно повысить заменой обычных горелок на горелки с форкамерами или на радиационные трубы;

4) интенсификация конвективного теплообмена в рабочем пространстве печи (создание развитой рециркуляции, струйный нагрев сводовыми горелками в первом периоде нагрева и т. п.).

1. Расчет горения топлива

Состав исходного топлива (сухого газа):

Природный газ%

Компонент

СН4

С2Н4

С2Н6

С3Н8

С4Н10

С5Н12

СО2

N2

Всего

%

42,4

19,5

9,5

2,9

0,2

5,2

Температура подогрева воздуха, оC: 300

Коэффициент расхода воздуха n=1,07

Принимаем влажность исходного топлива W=10 г./м3.

Состав влажных газов:

X=X

XX=0,987 X

Состав влажного топлива

Компонент

СН4

С2Н4

С2Н6

С3Н8

С4Н10

С5Н12

СО2

N2

H2O

Всего

%

41,85

19,74

19,15

9,38

2,86

0,2

5,13

1,69

Расход кислорода на горение при коэффициенте расхода воздуха n=1

=0.01*(2*41.85+3.5*19.74+5*9.38+8*2.86)=3.36 м33

Расход сухого воздуха:

=1.07*(1+3.762)*3.36=17.12 м33

Объёмы компонентов продуктов сгорания:

=0.01*(0.2+41.85+2*19.74+3*19.15+4*9.338+5*2.86)=1.91 м33

=0.01*0,5 (1.69+4*41.85+6*19.74+8*19.15+10*9.38+12*2.86)=5.71 м33

=0.01*5.13+1.07*3.762*3.36=15.58 м33

=(1.07−1)*3.36=0.235 м33

Объём продуктов сгорания:

=1.191+5.71+15.58+0.235=22.72 м33

Процентный состав продуктов сгорания:

Низшая теплота сгорания топлива:

Q=127,7•CO+108•H2+358•CH4+590•C2H4+555•C2H2+636•C2H6+913•C3H8+1185•C4H10+1465•C5H12+234•H2S=358*41,85+590*0+555*0+636*19,74+913*19,15+1185*9,38+1465*2,86=35 940,09 кДж/м3=35,94 МДж/м3

Истинная энтальпия продуктов сгорания:

(35 940+17.12*300*1.3181+3062.79)/22.72=3087 кДж/м3

Калориметрическая температура горения:

Энтальпия продуктов сгорания при температуре tk

Зададим температуру tk'=1900 °C и при этой температуре находим энтальпию продуктов сгорания:

= (4634.76*1.91+3657.85*5.71+2808.25*15.58+2971.3*0.235)/22.72=3265.38 кДж/м3

Поскольку i1900>i0, то принимаем температуру tk''=1800 °C и снова находим энтальпию продуктов сгорания

= (4360,67*1,91+3429,9*5,71+2646,74*15,58+2800,48*0,235)/22,72=3072,48 кДж/м3

Теперь определяем калориметрическую температуру горения:

Действительная температура продуктов сгорания:

2. Расчет времени нагрева

Время нагрева металла в печи с плоскопламенными горелками рассчитывается по формуле:

ф=

где q — средний в пределах зоны результирующий поток на металл, Вт/м2;

S — расчётная толщина металла, м;

С — средняя в интервале температур tнач — tкон теплоемкость металла, Дж/(кг* К);

с — плотность металла, кг/м3;

tK, tH — температуры металла в конце и в начале зоны, °С.

Средний результирующий поток на металл определяется по формуле:

где qнач, qкон — результирующие потоки на металл в начале и в конце со

ответственно, .

Результирующий поток на металл для печи с плоскопламенными горелками равен:

где Спр — приведенный коэффициент излучения системы;

 — степень черноты и температура газов в зоне горения;

 — степень черноты и температура газов в зоне теплообмена;

ем — степень черноты металла;

Тк — температура кладки.

Приведенный коэффициент излучения системы:

где =5,7 ;

— конвективный тепловой поток от факела на кладку, Вт/м;

— степень черноты кладки.

Температура кладки, ?С:

Принимаем, что температура в зоне горения равна действительной температуре горения топлива:

Определим температуру газов в зоне теплообмена

Найдем парциальные давления CO2 и H2O

РCO2=98,1•0,0841=8,25 кПа

РH2O=98,1•0,2513=24,65 кПа

Для рассматриваемого случая слой газов в зонах горения и теплообмена можно принять плоскопараллельным бесконечной протяженности. В этом случае эффективная длина луча определяется по формуле:

Толщину зоны горения принимаем равной Н'=0,1 м. Толщина зоны теплообмена с учетом толщины металла д равна:

Н"=Н — Н' - д=1,5−0.1−0.108=1.29 м

Тогда и .

Для зоны горения

РCO2•S'эф=8,25•0,18=1,49 кПа· м

РH2O• S'эф=24,65•0,18=4.44 кПа· м

По номограммам находим

еCO2=0,04; еH2O=0,05 и в=1,15.

Тогда еH2O'=0,05*1.15=0.0575

Для зоны теплообмена:

РCO2•S«эф=8,25•=19,16 кПа· м

РH2O• S«эф=24,65•=57,24 кПа· м

По номограммам находим:

:

еCO2=0,12; еH2O=0,22 и в=1,11.

= еCO2+ в? еH2O=0,12+1,11•0,28=0,4308

:

еCO2=0,11; еH2O=0,22 и в=1,11.

=0,11+1,11•0,22=0,3542

Найдем тепловой поток излучением на кладку по формуле:

в начале печи:

в конце печи:

Найдем температуру кладки одним из методов последовательных приближений — методом простой итерации:

Принимаем коэффициент теплоотдачи конвекцией от факела к кладке равным бконв=100 Вт/м2•К. Найдем конвективный тепловой поток:

В начальном приближении принимаем температуру кладки

Найдем конвективный тепловой поток:

По формуле найдем температуру кладки:

Так как получено большое расхождение между принятым и рассчитанным значениями температуры кладки, принимаем новое значение, равное среднеарифметическому из двух:

По формуле найдем температуру кладки:

По формуле найдем температуру кладки:

По уточненному значению температуры кладки:

Найдем приведенный коэффициент излучения системы:

Результирующий поток на металл в начале печи (учитывая, что равен

в конце печи:

Найдем конвективный тепловой поток:

По формуле найдем температуру кладки:

По формуле найдем температуру кладки:

По формуле найдем температуру кладки:

По уточненному значению температуры кладки:

Найдем приведенный коэффициент излучения системы:

Результирующий поток на металл равен

Средняя по длине плотность результирующего теплового поток на металл равна:

Расчетная толщина металла:

Bi=100*0,0077/28,15=0,03<0.25, следовательно, заготовки являются термически тонким телом.

м — коэффициент нессиметричности нагрева (м=0,53);

л1050 =28,15 Вт/(м*К)

Время нагрева металла:

3. Расчет основных размеров печи

Для обеспечения производительности 29,3 т/ч в печи одновременно должно находится следующее количество металла:

G=P•ф=29,3•0,09=2,68 т

Длину печи определяем по формуле:

где g — масса нагреваемого металла на 1 м длины печи, равная:

где с — плотность металла, кг/м3;

Vм — объём нагреваемого металла, м3;

d2 — наружный диаметр труб, м;

d1 — внутренний диаметр труб, м;

n — количество труб на в пакете, шт.

Принимаем длину печи, равной 10 м.

Принимаем, что свод печи выполнен из шамотноволокнистых плит ШВП-350 300 мм. Стены также имеют толщину 300 мм и выполнены из того же материала, что и свод. Под печи двухслойный: высокоглиноземистый кирпич толщиной 460 мм и диатомитовый кирпич 115 мм.

4. Тепловой баланс печи

Цель составления теплового баланса — определение расхода топлива.

При составлении балансов примем некоторые упрощения: пренебрегаем переносом тепла излучения, будем опускать расходные статьи баланса, не превышающие 5% от всего расхода.

А. Приход тепла

1) Тепло, образующееся при сжигании топлива.

Qхим=B•Qрн=35,94 •В МВт

2) Физическое тепло, вносимое подогретым воздухом:

где

Vв — расход воздуха на 1 м3 топлива

iв=395,42 кДж/м3 — энтальпия воздуха при температуре 300 оC;

Так как у нас топливо не подогрето, то Qт=0.

3) Окислением металла пренебрегаем

?Qприход= Qхим+ Qфиз=35 940 •В+6769,59•В=42 709,59•В

Б. Расход тепла

1) Полезное тепло, расходуемое на нагрев металла:

где

см — средняя в интервале температур и теплоемкость материала, кДж/ кг•К

 — конечная и начальная средние по массе температуры материала, 0С

2) Тепло, уносимое уходящими продуктами сгорания:

При t=927,50С

3) Потери тепла теплопроводностью через кладку:

Свод.

Найдем площадь свода.

FT=B•LT=(1,6+2•0.3)•10=22 м2

Принимаем температуру внутренней поверхности кладки на своде равной средней температуре внутренней поверхности кладки в начале и в конце печи:

tш=0,5•(915+1145)= 1030? C

Примем температуру наружной поверхности свода равной tн=100 ?C

Средняя температура шамотного слоя:

Теплопроводность шамота:

Вт/м• ?C

Потери тепла через свод:

Стены.

Температуру внутренней поверхности стен принимаем равной, температуру наружной поверхности tнар=60 °С. Стены состоят из слоя шамота м.

С учетом толщины футеровки поверхность стен равна:

— торцевой (1,6+2•0,3)•1,5=3,3 м2

— боковых 2•10•1,5= 30 м2

Таким образом, получили, что общая поверхность стен равна:

Fст=3,3+30=33,3 м2.

Запишем выражения для средних температур слоя шамота:

Соответственно,

лш= 0,835+0,58•10-3•tш

При стационарном режиме

Тогда

лш= 0,835+0,58•10-3•630=1,2 Вт/м•К

Потери тепла через стены будут равны:

Общие потери теплопроводностью в печи:

=69,11+120,25=189,36 кВт.

4) Потери тепла на охлаждение роликов:

Для охлаждения одного ролика необходим расход воды, равный 0,5 м3/ч.

Число роликов в проектируемой печи:

n2=L/S=10/0,5=20

где S — шаг роликов, м.

Расход воды на охлаждение цапф всех роликов

Vвод=0,5*20= 10 м3/ч =0,003 м3

Принимаем, что вода поступает на охлаждение роликов с начальной температурой tн=5?С, нагревается до температуры tк=45?С. Найдем количество тепла, уносимое с водой:

=V в•Св•(tк-tн)=0,003•4,187•(45−5)=0,465 кВт.

5) Неучтенные потери принимаем равными 10% от потерь тепла с уходящими газами:

кВт

Запишем уравнение теплового баланса печи:

Qхим+ Qфиз= + + +Qнеуч

42 509,59•В = 4845,41+32 117,27•B+3211.73•B+189.36 +0,465

Решая уравнение, получим:

В=0,7 м3

3. Результаты расчета теплового баланса.

Таблица 1. Приходная часть теплового баланса

Статьи прихода

кВт

%

Тепло от горения топлива

35 940•0,7=25 158

84,15

Тепло от подогретого воздуха

6769,59•0,7=4738,71

15,85

Итого

29 896,71

Таблица 2. Расходная часть теплового баланса

Статьи расхода

кВт

%

Тепло на нагрев металла

4845,41

16,21

Тепло, уносимое продуктами сгорания

22 482,089

75,23

Потери тепла теплопроводностью через кладку

189,36

0,634

Потери тепла с охлаждающей водой

0,465

0,002

Неучтенные потери

2248,211

7,52

Итого

29 885,54

Удельный расход тепла определяется по формуле:

где — удельный расход тепла на нагрев 1 кг металла, кДж/кг;

— приход тепла, кВт;

— производительность печи, кг/с.

Таким образом,

кДж/кг.

Коэффициент полезного действия печи:

?кпд =Qпол/Qприх=4845,41/29 896,71=0,2221 (22,21%)

Коэффициент полезного действия рабочего пространства:

?кпд =Qпол/(Qхим+ Qфиз — Qух)=4845,41/(29 896,71−22 482,089)=0,653 (65,35%)

Общее потребление тепла печью:

Q?=Qпол/з=29 896,71/0,653=45 783,63 кВт Скорость движения труб через печь, м/с:

W=L/ф

W=22/329=0,067 м/с.

Используем непрерывный метод движения, вращая ролики с расчетной скоростью.

5. Выбор горелок

Для осуществления равномерного нагрева свода принимаем шахматное расположение горелок на своде с шагом по длине и по ширине печи S=1 м. Тогда число рядов по длине печи:

По ширине печи 1 горелка.

Расход природного газа на одну горелку:

Выбираем для печи плоско-пламенные горелки ГППС-3 со следующей номинальной производительностью — 280 м3/ч.

Таблица 3. Краткая характеристика горелок типа ГППС-3

Величина

Значение

Номинальная мощность, кВт

Номинальное давление, кПа

газа

воздуха

3.25

Коэффициент расхода воздуха

1.07

Коэффициент рабочего регулирования газа

8.3

топливо сгорание печь горелка

Так как в данном случае заготовки ялвяются являются термическитонкими телами, то температура центра и поверхности заготовки будут совпадать, что очень точно отражено на графике.

Согласно проведённым расчётам и исследованиям, можно сделать вывод о том, что данный режим работы печи целесообразен для нагрева круглых труб в пакетах, так как он обеспечит равномерный нагрев заготовок по всей длине и ширине печи.

Показать весь текст
Заполнить форму текущей работой