Расчёт камерной печи для термообработки (часть курсовой)

5.Расчет времени нагрева металла с учетом требуемой производительности печи

Расчетная толщина нагреваемых изделий[3,4]: Sрасч = β · dпод, м, где: — β==0,785 — коэффициент, учитывающий форму изделия; - dпод =0,20м — высота поддона с изделиями. Принимается значение Sрасч =0,2 м (равное диаметру заготовок).Критерий массивности нагреваемых изделий: Bi== 1,75(- средний коэффициент теплопроводности металла);

— λмн. ср =21,1и λмк.ср =25,8, Вт/(м∙°К) — коэффициенты теплопроводности нагреваемого металла (для стали 45Л — см. исходные данные) при начальной и конечной средней по массе температуре изделия, определяемые графическим путем при осреднении и экстраполяции табличных значений λ=λ(t℃), см. [4], Приложение 11. Расчет времени нагрева ведется по методике для «массивных» изделий[3]. Температурный критерий поверхности: =0,034, где: tмпов.

к.=tмк=1100℃;tмн.ср.=tмн =20℃.Требуемое время нагрева заготовки для обеспечения заданных темпера-турных режимов: =4,88час. где Fо=2,8- критерий Фурье, определяемый графическими зависимостями Будрина по вычисленным значениям Bi=1,75 и θ=0,034; a =3,6∙λмср/(сt∙ρ) =0,0164

Вт/(м2∙ч) — коэффициент температуропроводности металла; сt=0,66кДж/(м∙°К) -средняя теплоемкость нагреваемого металла; ρ=7800кг/м3 — плотность металла; кзаз.=1,4 — коэффициент, учитывающий влияние на нагрев наличия зазора между заготовками на поддоне[3]. Температурный критерий нагрева низа изделия: θниз = 0,030 (определяется по кривым Будрина[4], прилож.

16) для низа изделия при Fo =3,2 и Bi = 1,37).Температура низа в конце нагрева: tмниз.

к= tгн (к) — θниз (tгн (к) — tмн. ср) =1100˚ С. Период температур в конце нагрева: —=Время нагрева заготовок в печи для обеспечения заданной производительности (ПР =12 000кг/час) при заданных размерах и количестве заготовок (массе садки): = = 3,88час. Напряженность активного пода печи: =992,35кг/м2Поскольку, рассматриваемая печь с Накт=992,35кг/м2 не обеспечивает заданную ПР=12 000кг/час (3,333кг/сек).В связи с этим, исходя из конкретной ситуации, при проектировании печи для выполнения требований по производительности, можно будет использовать следующие приемы или их комбинации: — увеличение числа заготовок (удлинение печи);

длины заготовок (увеличение ширины печи);

поддона второго уровня (увеличение высоты печи, уменьшение ее длины, дополнительная проработка и моделирование процессов массо-теплопереноса в рабочем пространстве печи). 3. Расчет теплового баланса и определение расхода топлива печи

В рассматриваемой печи непрерывного действия (методическая нагрева-тельная печь) тепловой баланс (баланс между приходными и расходными секундными тепловыми потоками) составляется для постоянных по времени температурного и теплового режимов работы агрегата. Здесь тепловой баланс составляется для определения теплотехнических показателей печи, необходимых для ее проектирования, в связи счем уравнение теплового баланса решается относительно расхода топлива (ß).

3.1. Приходные статьи баланса тепла

Тепло, выделяемое при горении топлива: Qг. т = Qрн·ß =35 060∙ß, (кВт), где: — Qрн = 32 800кДж/м3 — удельная теплота сгорания топлива (см. таблицу 2.1);

— ß, (м3/с) — искомый расход топлива печи. Тепло, вносимое подогретым воздухом: Qф.в.=Vв∙ß∙сtв∙tв= 3685,(кВт), где:=300 — температура воздуха, подаваемого на горение после подогрева в рекуператоре (см. разд.

1.2, п.

4.4);

— = 1,318кДж/(м3град) — теплоемкость подогретого воздуха[4]. Тепло, выделяемое при окислении металла в процессе нагрева: Qок = qокуд · ПР·Y=185,31кВт, где: — qокуд =5650кДж/кг — тепло, выделяющееся в процессе окисления 1 кг железа;

= 12 000кг/ч = 3,33кг/с — производительность печи (см. исходные данные); - Y=1% - угар металла.

3.2. Расходные статьи баланса тепла. Тепло, необходимое для нагрева металла:=2375,76кВт.Затраты тепла на аккумуляцию кладки: Qакк.={[Vкл∙ρкл∙скл∙(tкср.

м — tнср.

м)]шам.+[Vкл∙ρкл∙скл∙(tкср.

м — tнср.

м)]диат.}/τ=2370,31кВт, где: — для шамотного кирпича: — кладки; - =0,25м — толщина кладки; - Vкл=Fш∙δш=21,49м3 — объем кладки; - ρкл=1850кг/м3 — плотность шамота кл. А; - скл=0,865 +0,21∙tср∙10−3=1,023кДж/кг∙гр — теплоемкость шамота; - tкср.

м=1138℃ - средняя температура внутренней поверхности кладки в конце процесса нагрева; - tнср.

м= 300℃ - условная средняя температура внутренней поверхностикладки в начале процесса нагрева; - tср=750℃ - приблизительное значение средней температуры шамотного слоя кладки для диапазона температур между наружной и внутренней стенами печи 40 — 770℃ и теплового сопротивления слоя Sш/λш=0,132Вт/м2∙с (рассчитано по методике[3,4], Приложения 20 и 22); - для диатонитного кирпича: -кладки; - =0,25м — толщина кладки; - Vкл=Fд.кл∙δд=27,92 м³; - ρкл=450кг/м3; - скл=0,116+0,15∙tср∙10−3=0,175кДж/кг∙гр; - tкср.

м=750℃; - tнср.

м=40℃; - tср=395℃ - для диатонитового слоя кладки с Sд/λд=2,000м2∙гр/Вт.Потери тепла через кладку за счет теплопроводности кладочного материала:

где: — tвоз=20℃- температура окружающего воздуха;

— tвнкл =1138℃ - температура внутренней поверхности кладки;=0,06 — тепловое сопротивление при передаче тепла от наружной стенки печи к окружающему воздуху Вт/м2·К°; - Σ s/λ - сумма тепловых сопротивлений огнеупорной и теплоизоляционной части стенки: — теплопроводность конструкционных материалов и толщина стенок печи, соответственно в Вт/(м∙°К) и метрах : — λш — теплопроводность шамота (λш = 0,65); - Sш — толщина шамотной стенки (Sш = 0,250); - λд — теплопроводность диатомита (λд = 0,125); -Sд — толщина диатомитовой стенки (Sд = 0,250); =97,98м2 — поверхность стенок, определяющих теплоотдачу печи; Наружные размеры печи с учетом огнеупорных и теплоизоляционных материалов: -Lн = L + 2 ·ш + 2 · д = 10,21 м; -Bн = B + 2 ·ш + 2 · д = 6,50 м; -Hн = H + ш + д = 1,45 м; -Fнст = (BнLн + LнHн + BнHн) · 2 = 181,19 м². Расчет подогрева кладки рассматриваемой печи произведен с использованием экстраполяции данных[4] (прилож.

22, табл.

1−22) на область температур до 1138℃для значенияτ=3,43ч. Результаты расчетов для τ=0ч и τ=3,43ч сведены в таблицу 3.

1. Таблица 3.

1. Подогрев кладки печи

Материал кладки Шамот Диатомит Толщина кладки0,0000,0580,2500,0000,0520,1040,1560,2080,250τ=0чtвнкл3 002 892 782 782 301 599 694 848τ=3,43ч1 138 942 716 716 539 328 008 814 592

Потери тепла излучением через открытые окна и щели:

где: -f =(Lпод +0,2)∙(Bпод +0,3) = 49,45м2 — открытая площадь отверстия;

— Ф=0,6 — коэффициент диафрагмирования;

— (1 — ψ) =0,05 — доля времени, в течение которого открыто окно печи. Тепло, уносимое отходящими продуктами горения: Qпг= ß·Vпг·Спгср · tпгср =11 480,10∙ß, кВт, где: — tпгср0,5∙(- средняя температура продуктов горения; - =740 -температура выходящих продуктов горения с учетом возможных конструктивных мероприятий, повышающих эффективность процесса сжигания и регенерацию тепла отходящих газов (примерно 30−40%); - Cпгср =1,552кДж/(м3∙°К) — средняя теплоемкость продуктов горения. С учетом возможных конструктивных мероприятий, повышающих эффективность процесса сжигания газа и регенерации тепла отходящих газов (примерно 30−40%), принимается Qпр.гор.=15 114∙М, кВт. Потери тепла из-за химической неполноты горения: Qх.н. = ß·Vпг ∙ [126,45 (% CO) + 107,6 (% H2)]=2790,32∙MТ, кВт, где: — qco =12 645кДж/м3 — тепловой эффект реакции горения СО; - qH2 =10 760кДж/м3 — то же Н2; - (%СО)=1,5% - содержание СОв продуктах горения при пламенном сжигании природного газа в высокотемпературных печах [3]; - (%Н2)=0,75% - то же для Н2 .

Потери тепла из-за механических потерь: Qмех. = ß·Qрн · а= 876,50∙ß, кВт, где, а ~2,5% - механические потери топлива. Неучтенные потери: Qну = 0,20∙ [(Qх.н. + Qмех.)∙ß+Qкл + Qокизл]=(733,36∙ß +107,36), кВт. Расход топлива:ß = 0,247 м3/с (в соответствии с уравнением теплового баланса):Qг.т. +Qф.в.+Qок = Qм +Qакк +Qкл + Qщизл + Qпр. гор + Qх.н. + Qмех. + Qнеучт).Данные топливного баланса приведены в таблице 3.

2. Теплотехнические показатели печи:

КПД печи: ηп =QM/Qгт =0,25;

— расход тепла для идеальных условий: qид=Qгт/ßуд =2,715, где ßуд =ПР/ =3499кг/ч — удельный расход условного топлива;

— расход тепла для нагрева 1 кг металла до заданной температуры: q= = 2430кДж/кг.Таблица 3.

2. Данные теплового баланса

Приход тепла

Расход тепла

Статьи приходак

Вт%Статьи Расходак

Вт%1.Тепло, выделяемое при горении топлива8659,8288,81. Нагрев металла2375,7625,62.Тепло на аккумуляцию кладки2370,3125,52. Тепло от подогретого воздуха910,209,33.Потери через кладку за счет теплопроводн.

53,860,6Относительная погрешность: =4,63%3. Тепло от окисления металла185,311,94. Излучение через откр. окна и щели482,965,25.Потери с уходящими продуктами горения2835,4730,66. Химическая неполнотасгорания689,187,47. Механич. потери216,482,38. Неучтенные потери278,983,0Всего9755,33 100

Всего9304,100

Заключение

В данной работе решены следующие расчетные задачи реконструирования камерной садочной печи для термообработки изделий из стали. 1. Выполнен расчет горения топлива заданного месторождения (состава), в котором определены: — теоретический расход воздуха на горение — 9,32м3/м3; - количество продуктов горения, образующихся при сжигании топлива — 10,32м3/м3; - низшая теплота сгорания топлива — 35 060кДж/м3; - температура горения природного газа заданного состава — 1699. 2. Определены основные размеры печи, в том числе: — размеры рабочего пространства (длина 9,21 м; ширина 5,5 м; высота пода 1,2м);

— наружные размеры печи с учетом огнеупорного и теплоизоляционного слоев (длина 10,21 м; ширина 6,5 м; высота 1,45м). 3. Произведен расчет теплового баланса рабочего пространства печи, на основе которого определены: — расход газового топлива -0,247м3/с; - коэффициент полезного действия печи — 25%; - удельный расход условного топлива — 3499кг/ч; - расход тепла для нагрева 1 кг металла до заданной температуры — 2430,00кДж/кг; - расход тепла для идеальных условий процесса — 2,715 .

Литература

1. Эстеркин Р. И. Котельные установки. Курсовое и дипломное проектирование: Учеб.

пособие.

СПб.: Энергоиздат, 1989.-280с. 2. Характеристика газов. Средние составы и характеристики ПГ месторождений СССР.;

http://www.yanvictor.ru/transport/index-1/htm3.Зеньковский А. Г. Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию «Расчет пламенных нагревательных печей. М., Типография МГП «Эвтектика», 1991. 4. Зеньковский А. Г. Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию «Расчет пламенных нагревательных печей (Приложения). М., Типография МГП «Эвтектика», 1991. 5. Телегин А. С., Лебедев А.

Н. Конструкция и расчет нагревательных устройств. — М.: Машиностроение, 1975.

6. Сомов В. В. Котельные установки / ВИСИ.

СПб., 1996. 7. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. — М.:Энергия, 1973. -295 с.

8. Урушев М. В. Теплофизические свойства рабочих тел и материалов / ЛВВИСУ. — СПб., 1978