Расчёт секционной печи для нагрева труб
Секционные печи (рис. 3.1) состоят из установленных в одну линию отапливаемых камер. (секций) и расположенных между ними неотапливаемых тамбуров, в которых находятся транспортирующие ролики. Ролики косо расположены, что обеспечивает непрерывное вращение заготовки во время нагрева. Заготовки можно перемещать в печи в один, два или три ряда (ручья). Каждая секция имеет самостоятельное отопление… Читать ещё >
Расчёт секционной печи для нагрева труб (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Национальный Исследовательский Технологический Университет МИСиС Кафедра ТЭМП Курсовая работа по курсу:
" Теплотехника"
Тема:
" Расчёт секционной печи для нагрева труб"
выполнила студентка группы Т6−09−2
Мелентьева Л.
Москва 2012
- 1. Описание секционной печи
- 1.1 Общие характеристики секционных печей
- 1.2 Особенности теплопередачи
- 1.3 Особенности расчета нагрева металла
- 2. Расчёты
- 2.1 Расчёт теплообмена в рабочем пространстве печи
- 2.2 Расчёт нагрева труб в секции
- 2.3 Расчёт горения топлива
- 2.4 Тепловой баланс печи
- 2.5 Результаты расчета теплового баланса
- 2.6 Основные размеры и параметры печи
- 2.7Выбор типа и мощности горелок
- Вывод
1. Описание секционной печи
1.1 Общие характеристики секционных печей
Секционные печи скоростного нагрева применяют для нагрева больших партий однородного сортамента трубной заготовки и труб диаметром до 200 мм и длиной не менее 2,5−3 м. Иногда в этих печах нагревают квадратную заготовку небольших размеров.
Секционные печи (рис. 3.1) состоят из установленных в одну линию отапливаемых камер. (секций) и расположенных между ними неотапливаемых тамбуров, в которых находятся транспортирующие ролики. Ролики косо расположены, что обеспечивает непрерывное вращение заготовки во время нагрева. Заготовки можно перемещать в печи в один, два или три ряда (ручья). Каждая секция имеет самостоятельное отопление и дымоотбор; несколько секций объединяют в общую систему регулирования (зону). Длина секции 1,5 — 1,75 м, поперечные размеры на 0,4−0,6 м больше поперечных размеров нагреваемой заготовки длина неотапливаемого тамбура 0,35−0,5 м.
1.2 Особенности теплопередачи
Ввиду небольшой длины температура продуктов сгорания и кладки в каждой секции является примерно постоянной. В целом по печи температура в первых по ходу металла секциях может повышаться от секции к секции, ав последних перед выдачей секциях может быть несколько ниже. Для осуществления скоростного нагрева в секционных печах поддерживают более высокую разность температур между рабочим пространством печи и нагреваемой заготовкой, чем в других печах. Нагрев происходит в основном излучением, однако благодаря небольшому объему рабочего пространства продукты сгорания, вылетающие из горелок, сохраняют высокие скорости. Кроме того, их направляют или прямо на заготовку, или по касательной к ней, создавая вокруг нее вращающийся с высокой скоростью поток газов. Поэтому конвекция в секционных печах играет существенную роль и ее необходимо учитывать при расчете.
1.3 Особенности расчета нагрева металла
При расчете нагрева металла в секционной печи каждая секция является расчетным участком. Температуру продуктов сгорания и кладки в секции считают постоянной. Расстояние от нагреваемого металла до кладки в секционных печах невелико, поэтому при расчете газовый слой в секциях считают лучепрозрачным. Нагрев рассчитывают только излучением кладки. В результате вращения заготовок во время транспортировки обеспечивается их всесторонний нагрев. При всестороннем нагреве и небольшой толщине нагреваемых заготовок они являются теплотехнически тонкими телами.
Таким образом, расчетная схема нагрева заготовок в секционной печи — всесторонний нагрев тонкого тела при постоянной температуре окружающей среды. Особенностью нагрева металла в секционных печах является то, что между секциями он попадает в неотапливаемые тамбуры. Тепло попадает в тамбур с горячим металлом, а также излучением из секции, а теряется через ролик и стенки тамбура. В зависимости от соотношения поступающего и теряемого тепла заготовка в тамбуре может нагреваться или остывать.
секционная печь тепловой баланс
2. Расчёты
2.1 Расчёт теплообмена в рабочем пространстве печи
Площадь наружной поверхности трубы (на 1 метр длины):
Площадь внутренней поверхности кладки секции (на 1 метр длины):
Угловой коэффициент излучения кладки на трубу:
Приведённый коэффициент излучения:
Вт/ (м2*К4)
где Cs=5,77 Вт/ (м2*К4) — приведённый коэффициент излучения а. ч. т.; ем= екл=0,8 — степени черноты металла и кладки соответственно.
Приведённый коэффициент излучения с учётом конвекции:
2.2 Расчёт нагрева труб в секции
Средняя температура трубы
Теплопроводность металла при средней температуре нагрева равна: лм=45Вт/ (м*К). Средняя теплоёмкость металла в интервале температур нагрева: Cср=0.561кДж/ (кг*К). Число Старка:
Расчёт коэффициента теплоотдачи излучением:
Средний коэффициент теплоотдачи излучением:
Коэффициент теплоотдачи излучением и конвекцией
Коэффициент теплоотдачи конвекцией принимаем равным 10% от коэффициента теплоотдачей излучением
Число Био
При нагреве тел одновременно конвекцией и излучением область тонких тел определяется выражением:
следовательно, нагреваемое тело является тонким в тепловом отношении.
Коэффициент заполнения печи:
Масса одного метра трубы:
Продолжительность нагрева трубы в секции:
2.3 Расчёт горения топлива
Состав исходного топлива (сухого газа):
Природный газ %
Компонент | СН4 | C2H6 | C3H8 | C4H10 | СО2 | N2 | Всего | |
% | 83.5 | 4.3 | 0.8 | 1.6 | 0,2 | 9,6 | ||
Температура подогрева воздуха, оC: 389
Коэффициент расхода воздуха n=1,12
Принимаем влажность исходного топлива W=10 г/м3.
X=X,
XX=0,987X
Состав влажного топлива:
Компонент | СН4 | C2H6 | C3H8 | C4H10 | СО2 | N2 | H2O | Всего | |
% | 82.41 | 4.24 | 0.79 | 1.58 | 0,2 | 9,48 | 1.3 | ||
Расход кислорода на горение при коэффициенте расхода воздуха n=1
0.01*
(2*82.41+3.5*4.24+5*0.79+6.5*1.58) =1.94 м3/м3
Расход сухого воздуха:
Объёмы компонентов продуктов сгорания:
=0.01*
(0.2+82.41+2*4.24+3*0.79+4*1.58) =1м3/м3
=0.01* (1.3+0.5*
(4*82.41+6*4.24+8*0.79+10*1.58)) =1.9м3/м3
=0.01*9.48+1.12*3.762*1.94=8.27м3/м3
= (1.12−1) *1.94=0.233м3/м3
Объём продуктов сгорания:
=1+1.9+8.27+0.233=11.4м3/м3
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*82.41+636*4.24+913*0.79+1185*1.58=34 629,34 кДж/м3=34,79МДж/м3
Калориметрическую температуру сгорания топлива определяем методом последовательного приближения. Теоретически необходимое количество воздуха для горения газообразного топлива:
Действительное количество воздуха на горение топлива:
Определяем физическое тепло, вносимое воздухом:
Калориметрическая энтальпия продуктов сгорания ik равна:
Калориметрическая температура горения:
Зададим температуру tk'=1800°Cи при этой температуре находим энтальпию продуктов сгорания:
= (5186,81*1+4121,79*1,9+3131,96*8,27+3314,85*0,233) /11,4=3481,74 кДж/м3
Поскольку i2100>i0, то принимаем температуру tk''=2000°Cи снова находим энтальпию продуктов сгорания
= (4910,51*1+3889,72*1,9+2970,25*8,27+3142,76*0,233) /11,4=3298 кДж/м3
Теперь определяем калориметрическую температуру горения:
Действительная температура продуктов сгорания:
Материальный баланс
Поступило | Мол. масса | м3 | Кг | ||||||
CH4 | = | x | 82.41 | 22.4 | = | 58.86 | |||
C2H6 | = | x | 4.24 | 22.4 | = | 5.68 | |||
C3H8 | = | x | 0.79 | 22.4 | = | 1.55 | |||
C4H10 | = | x | 1.58 | 22.4 | = | 4.09 | |||
C5H12 | = | x | 22.4 | = | |||||
CO2 | = | x | 0.2 | 22.4 | = | 0.39 | |||
N2 | = | x | 9.48 | 22.4 | = | 11.85 | |||
H2O | = | x | 1.3 | 22.4 | = | 1.04 | |||
Всего | 83,46 | ||||||||
Воздух | |||||||||
O2 | = | x | 22.4 | = | 277,14 | ||||
N2 | = | x | 22.4 | = | 1033,75 | ||||
Всего | 1310,89 | ||||||||
Итого | 1394,35 | ||||||||
Продукты сгорания | |||||||||
CO2 | = | x | 22.4 | = | 196,43 | ||||
H2O | = | x | 22.4 | = | 152,68 | ||||
O2 | = | x | 23.3 | 22.4 | = | 33,29 | |||
N2 | = | x | 22.4 | = | 1033,75 | ||||
Всего | 1394,35 | ||||||||
Невязка | |||||||||
2.4 Тепловой баланс печи
Приход тепла
1) Тепло, образующееся при сжигании топлива.
Qхим=B•Qрн=34,79 •В МВт
2) Физическое тепло, вносимое подогретым воздухом:
где
Vв - расход воздуха на 1 м3 топлива iв=504,75 кДж/м3 — энтальпия воздуха при температуре 380 оC.
Так как у нас топливо не подогрето, то Qт=0.
Расход тепла
1) Расход тепла на нагрев труб
Смнач=0.476 кДж/ (кг*К) Смкон=0.691 кДж/ (кг*К) Cср=0.584
2) Потери тепла с уходящими продуктами сгорания
Определим температуру газов в зоне теплообмена:
При t=9300С
3) Потери тепла теплопроводностью через кладку Tкл=1100°С
Удельный тепловой поток через кладку:
л'=0.25 Вт/ (м*К); б'=7+0.05*tнач=21.65 Вт/ (м2*К)
Поверхность кладки:
Потери тепла через кладку
4) Потери тепла излучением в соседние тамбуры
5)
Площадь полностью открытого проёма:
Площадь проёма, перекрытого трубой:
Коэффициент диафрагмирования для проёма
Для полностью открытого:
Следовательно, Ф1=0.58
Для перекрытого трубой:
Следовательно, Ф2=0.56
Угловой коэффициент излучения для проёма
Полностью открытого
Следовательно, В1=1
Для перекрытого трубой:
Следовательно, В2=1,2
6) Неучтённые потери
Уравнение теплового баланса 1 секции
34790B+5219.09B=206.67+16 018.7B+9.39+0.25+21.63
2.5 Результаты расчета теплового баланса
Таблица 1. Приходная часть теплового баланса
Статьи прихода | кВт | % | |
Топливо от горения топлива | 347.9 | 86,96 | |
Тепло от подогретого воздуха | 52.19 | 13,04 | |
Итого | 400,09 | ||
Таблица 2. Расходная часть теплового баланса
Статьи расхода | кВт | % | |
Тепло на нагрев металла | 206.67 | 51.91 | |
Тепло, уносимое продуктами сгорания | 160, 19 | 40.24 | |
Потери тепла теплопроводностью через кладку | 9.39 | 2.49 | |
Потери тепла излучением | 0,25 | 0.06 | |
Неучтенные потери | 21.63 | 5.43 | |
Итого | 398.13 | ||
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:
зкпд=Qпол/Qприх=206.67/400.09=0,5166 (51.66%)
Коэффициент полезного действия рабочего пространства:
зкпд=Qпол/ (Qхим+ Qфиз — Qух) =206.67/ (400.09−160.19) =0,8615 (86,15%)
2.6 Основные размеры и параметры печи
Количество секций N=1
Длина печи
Скорость перемещения заготовок
2.7Выбор типа и мощности горелок
По расходу газа выбираем 5 скоростных горелок СВП-60
Таблица 3. Краткие характеристики горелки СВП-60
Величина | Значение | |
Тепловая мощность, МВт | 0.072 | |
Расход газа, м3/ч | 7.5 | |
Давление газа, кПа | 8.97 | |
Расход воздуха, м3/ч | ||
Температура воздуха перед горелкой,°С | ||
Давление воздуха, кПа | 6.37 | |
Коэффициент расхода воздуха | 1.09 | |
Коэффициент рабочего регулирования | 6.7 | |
Средняя скорость продуктов сгорания на срезе выходного отверстия горелки, м/с | ||
Конструктивные размеры | ||
Габариты, мм | 435×250×205 | |
Присоединительные размеры, мм | ||
Центрального | 2.9 | |
Периферийных | 2.3 | |
Количество газовых отверстий | ||
Центрального | ||
Периферийных | ||
Диаметр выходного отверстия камеры | ||
Горения, мм | ||
Вывод
Согласно проведённым расчётам и исследованиям, можно сделать вывод о том, что данный режим работы печи целесообразен для нагрева труб низкоуглеродистой стали, так как он обеспечит равномерный быстрый нагрев заготовок по всей длине и ширине печи.