Конструирование ограждений печи

ФЕДАРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ»

ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ, ЭКОЛОГИИ И КАЧЕСТВА

КАФЕДРА ТЕПЛОФИЗИКИ И ЭКОЛОГИИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ТЕПЛОТЕХНИКА»

ТЕМА: РАСЧЁТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ КОПИЛЬНИКА РАСПЛАВА

Работу выполнил:

студент группы МЦМ – 05-1

Работу принял: Сборщиков Г.С.

МОСКВА 2008

Содержание

1. Задание……………………………………………………………………3

2. Конструирование ограждений печи……………………………………4

Расчет вертикальной стены над уровнем расплава…………………...4

Расчет вертикальной стены под уровнем расплава…………………...6

Расчет свода……………………………………………………………..8

Расчет подины…………………………………………………………..9

3. Расчет процесса сжигания топлива……………………………………..11

4. Расчет теплового баланса ……………………………………………….13

5. Расчет сожигательного устройства……………………………………..15

6. Заключение ………………………………………………………………17

7. Список литературы………………………………………………………18

1.

Копильник расплава заданного состава имеет площадь сечения A B и высоту в свету H. Высота уровня расплава h.

Для поддержания заданного уровня температуры расплава в рабочем пространстве копильника сжигается органическое топливо заданного состава.

Режим работы копильника – непрерывный.

Расчетная часть.

1. Разработать конструкцию ограждений печи.

2. Рассчитать процесс сжигания топлива при заданных температурных условиях печи.

3. Составить тепловой баланс копильника и определить расход топлива.

4. Выбрать и рассчитать сожигательные устройства.

Графическая часть.

1. Чертеж узла установки горелочного устройства на печи.

2. Чертеж узла стыковки свода печи со стеной.

3. Чертеж элемента подины печи.

4. Чертеж элемента кладки вертикальной стены.

Ширина копильника ………………………………………….. А = 5695 мм

Длина копильника ……………………………………………. В = 14655мм

Высота копильника …………………………………………... Н = 2440мм

Высота уровня расплава ……………………………………….h = 796 мм

Свод печи …………………………………………………….... распорный

Температура продуктов сгорания ……………………………. = 1429

Температура отходящих газов ………………………………... = 1232

Температура расплава на поверхности ……………………… = 1079

Основность расплава …………………………………………. .О = 1

Падение температуры расплава по глубине ………………..... =105 град./м

Температура наружной стенки под уровнем расплава ……… t_ст.1= 70

Температура наружной стенки над уровнем расплава ……… t_ст.2 = 90

Температура наружной поверхности свода …………………...t_св.= 250

Температура наружной поверхности подины ………………...t_под.= 110

Температура окружающей среды ……………………………....t_о.с.= 20

Газовая среда внутри копильника кислая

Газообразное топливо состава:

Компонент	CO2C	CH4C	N2C	CmHnC
Содержание, % объем.	0,5	82,1	7,5	8,8

Конструирование ограждений печи.

2.1. Расчет вертикальной стены над уровнем расплава

Так как длина копильника 14655 мм, то для того, чтобы обеспечить прогрев всего пространства печи, необходимо установить горелки типа «труба в трубе», для которых значение коэффициента расхода воздуха равно n=1,15. В этом случае газовая среда внутри копильника является кислой. Исходя из этого и того, что рабочий слой в этой зоне имеет температуру внутренней поверхности и работает без теплосмен, определяем его материал. По табл.3.7[1] выбираем динасовый огнеупор и по прил.13[1] определяем его рабочие свойства: температуру начала деформации под нагрузкой , коэффициент теплопроводности и предельную рабочую температуру

По таблице 3.14 [1] выбираю толщину рабочего слоя: .

В соответствии с условием температура наружной поверхности стенки над уровнем расплава не должна превышать 90ºС. По таблице 3.13 [1] определяем плотность теплового потока от наружной поверхности верхней части стен:

при ;

Определяем температуру наружной поверхности рабочего слоя Т₁ огнеупора, приняв температуру внутренней поверхности

Для определения задаем приближенное значение

;

Тогда

Определяем уточненное значение

Сопоставляем расчетное значение с принятым значением :

Так как относительная погрешность расчета больше допустимой (5%), то проводим новую итерацию, положив :

Сопоставляем последующее приближение с предыдущим :

Окончательно принимаем:

Приступаем к конструированию теплоизоляции ограждения, принимая предварительное решение выполнить ее двухслойной, предусмотрев в качестве материала второго слоя огнеупор-легковес и третьего слоя – теплоизоляционный материал. По приложению 14 [1] с учетом таблицы 3.10 [1], принимаем к установке во втором слое шамотный легковес ШКЛ-1.0 со следующими рабочими свойствами:

В качестве теплоизоляционного материала для третьего слоя по приложению 14 [1] выбираем шамотный ультралегковес ШЛ-0,4 со следующими рабочими свойствами:

Принимаем температуру на внешней границе второго слоя :

Толщина второго слоя δ₂ легковеса:

Выбираем толщину второго слоя: . Уточняем температуру на внешней границе второго слоя:

Так как относительная погрешность расчета больше допустимой (5%), то проводим новую итерацию, положив :

Окончательно получаем:

Определяем толщину третьего слоя

Принимаем толщину третьего слоя и находим температуру на его наружной поверхности:

По принятой толщине третьего слоя уточняем значения и :

Определяем относительную погрешность расчета:

Окончательно получаем:

Для обеспечения заданной температуры наружной поверхности стен необходимо выложить четвертый слой ограждения. По приложению 15[1] воспользуемся асбузурит мастичный со следующими рабочими свойствами:

По формуле определяем толщину четвертого слоя:

Проверяем правильность расчета, определяя значение плотности теплового потока, переносимого через сконструированную многослойную стенку в окружающую среду:

;

Проверяем степень расхождения с принятым в расчетах значением q:

Суммарная толщина вертикальной стены над уровнем расплава:

м

2.2. Расчет вертикальной стены под уровнем расплава

Определяем материал и толщину рабочего слоя ограждения с учетом заданной основности расплава О = 1. Согласно табл. 3.8[1] расплав является средним, причем ближе к ультраосновным, чем к средним. Температура внутренней поверхности рабочего слоя равна температуре расплава , высота стены 2,44м. По данным табл. 3.7[1] выбираем из табл. 8.3[2] форстеритовый огнеупор со следующими рабочими свойствами:

Толщина рабочего слоя по данным табл. 3.14[1] равна 0,345м.

По табл. 3.13[1] определяем плотность теплового потока от наружной поверхности нижней части стен в окружающую среду при t_cт1=70ºС:

Определяем температуру наружной поверхности рабочего слоя.

Задаемся приближенным значением . Тогда

Уточняем значение :

Сопоставляем расчетное значение с принятым значением :

Так как относительная погрешность расчета больше допустимой (5%), то проводим новую итерацию, положив :

Сопоставляем последующее приближение с предыдущим :

Окончательно принимаем:

Перед выбором материала второго слоя, учитываем, что суммарная толщина нижней части стены не может быть меньше суммарной толщины ее верхней части. По табл. 3.10[1] и приложению 14 [1] устанавливаем шамотный легковес ШЛ-0,9со следующими рабочими свойствами:

Принимаем толщину второго слоя и определяем температуру его наружной поверхности. Задаем приближенное значение температуры и определяем соответствующее ей значение коэффициента теплопроводности

Окончательно получим:

В качестве материала третьего слоя по приложению 15 [1] принимаем к установке асбазурит мастичный со следующими свойствами:

,

Определяем толщину слоя:

Проверяем правильность расчета, определяя значение плотности теплового потока, переносимого через сконструированную многослойную стенку в окружающую среду:

;

Проверяем степень расхождения с принятым в расчетах значением q:

Суммарная толщина вертикальной стены под уровнем расплава:

2.3. Расчет свода

Так как свод копильника – распорный и внутренняя поверхность рабочего слоя свода контактирует с кислой (n = 1,15) газовой средой, по приложению 13[1] и табл. 3.7[1] целесообразно выбрать динасовый огнеупор с температурой начала деформации под нагрузкой , коэффициентом теплопроводности , и предельной рабочей температурой

Из конструкционных соображений принимаем .

По табл. 3.13[1] определяем плотность теплового потока от наружной поверхности свода в окружающую среду при :

=5380 Вт/м²

Находим температуру наружной поверхности рабочего слоя Т₁, приняв . Тогда

Определяем уточненное значение

= =848,13 ºС

Сопоставляем расчетное значение с принятым значением :

Так как относительная погрешность расчета больше допустимой (5%), то проводим новую итерацию, положив :

Сопоставляем последующее приближение с предыдущим :

Окончательно принимаем:

По таблице 9.2.[2] выбираю в качестве теплоизоляционного слоя каолиновую вату 2…8 мкм со следующими рабочими свойствами:

=1100ºС

Определяем толщину слоя теплоизоляции:

=0,015 м

Проверяем правильность расчета, определяя значение плотности теплового потока, переносимого через сконструированный двухслойный свод в окружающую среду:

;

Проверяем степень расхождения с принятым в расчетах значением q:

Суммарная толщина свода:

Расчет подины

Внутренняя поверхность рабочего слоя подины копильника контактирует с основным расплавом. При высоте расплава 0,796 м и падении его температуры по глубине 105 град./м находим температуру расплава на поверхности рабочего слоя подины:

Подина подвергается механической нагрузке. Таким образом, основной задачей при проектировании подины является обеспечение ее герметичности и механической прочности.

По табл. 8.3[2] и табл. 3.7. [1] выбираем в качестве рабочего форстеритовыйогнеупорсо следующими свойствами:

Толщину рабочего слоя принимаем равной 0,230 м.

Поскольку =110 ºС, по таблице 3.13.[1] определяем плотность теплового потока от наружной поверхности подины к слою огнеупорного бетона фундамента:

Вт/м²

Определяем температуру наружной поверхности рабочего слоя , приняв =

=796,34ºС

Вт/(м·К)

Определяем уточненное значение :

= =828,4 ºС

Сопоставляем расчетное значение с принятым значением :

Окончательно принимаем:

Для обеспечения механической прочности и герметичности подины в качестве материала второго слоя по приложению 13 [1] выбираем шамотный огнеупор ШВ со следующими рабочими свойствами:

=1250…1400 ºС

Принимаем толщину слоя шамота =0,345 м (5 кирпичей на плашку) и определяем температуру наружной поверхности слоя шамота Т₂. Для этого задаем и определяем значение :

Вт/(м·К)

Уточняем значение Т₂:

= 451,73 ºС

Сопоставляем расчетное значение с принятым значением :

Так как относительная погрешность расчета больше допустимой (5%), то проводим новую итерацию, положив :

Сопоставляем последующее приближение с предыдущим :

Окончательно принимаем:

Для обеспечения заданной температуры наружной поверхности подины t_под=110ºС между наружной поверхностью второго слоя подины и поверхностью огнеупорного бетона фундамента необходимо положить дополнительный теплоизоляционный слой. Для этого по приложению 15[1] принимаем диатомитовую обожженную крошкув засыпке со следующими рабочими свойствами:

= 900 ºС

Определяем толщину слоя теплоизоляции:

=0,06 Вт/(м·К)

Проверяем правильность расчета, определяя значение плотности теплового потока, переносимого через сконструированную многослойную подину:

;

Проверяем степень расхождения с принятым в расчетах значением q:

Суммарная толщина подины:

3.Расчет процесса сжигания топлива.

Минимальное (теоретическое) количество воздуха, необходимое для полного сжигания одного кубометра газообразного топлива (при ):

Где C_mH_n принимаем C₂H_4.

Определяем объем продуктов сгорания:

Так как сжигание газообразного топлива ведется в горелке без предварительного смешения с (по табл. 2.1[1]), определяем действительный расход воздуха и объем продуктов сгорания:

Определяем действительный объем продуктов сгорания:

Выполняем проверку:

Определяем ошибку:

Рассчитываем низшую теплоту сгорания газообразного топлива заданного состава:

Определяем удельную энтальпию продуктов сгорания при n =1,15 и отсутствии предварительного подогрева топлива и воздуха:

Рассчитываем калориметрическую температуру горения, соответствующую заданной по условию действительной температуре горения = 1429 , принимая эмпирический пирометрический коэффициент равным 0,80277:

.

По приложению 8[1] определяем удельную энтальпию компонентов продуктов сгорания при :

Для принятия решения подогревать воздух или нет, сопоставляем полученное значение удельной энтальпии продуктов сгорания при калориметрической температуре с полученным ранее значением :

> – это значит, что обеспечить заданную температуру продуктов сгорания можно только при условии ввода в зону горения дополнительного количества тепла путём подогрева воздуха до T_В, при которой удельная энтальпия воздуха:

По приложению 8[1] нахожу температуру воздуха, соответствующую значению i_В:

=102

Для достижения заданной температуры продуктов сгорания, сжигание газа при коэффициенте расхода воздуха n=1,15 необходимо производить в воздухе, подогретом до температуры =102

4. Расчет теплового баланса.

Для нашего случая потери тепла в окружающую среду состоят из потерь тепла через ограждения печи и с отходящими газами. Определяем потери тепла через ограждения копильника:

Площадь вертикальных стен над уровнем расплава:

м²

Площадь вертикальных стен под уровнем расплава:

м²

Площадь подины:

=79.53 м²

Площадь распорного свода:

м²

Потери тепла в окружающую среду:

= 747.7кВт

По приложению 8 [1] определяем удельную энтальпию компонентов продуктов сгорания при температуре отходящих газов = 1232 :

=

=2830,965кДж/м³

=1750,317кДж/м³

=2185,734кДж/м³

=1855,013кДж/м³

=

=1931.6 кДж/м³

Отсюда расход топлива:

= 0.055 м³/с = 198 м³/ч

Потери тепла с отходящими газами:

1153.74 кВт

Так как воздух для сжигания топлива не подогревается, то в статье прихода тепла учитываем только то тепло, которое образовалось в результате сжигания топлива (химическое тепло топлива):

кВт

кВт;

кВт;

Q_В=0,055*10.86*1931.6=1153.74 кВт

Тепловой баланс печи.

Приход тепла	Расход тепла
№ статьи	Статья	Q, кВт	%	№ статьи	Статья	Q, кВт	%
	Тепло сгорания топлива	1902,6	62,25		Тепло в окружающую среду	747,7	24,46
	Тепло отходящих газов	2062,16	67,47
	Тепло воздуха	1153,74	37,75
	Невязка баланса	246,47	8,06
	Всего	3056,333			Всего	3056,333

5.Расчет сожигательного устройства.

ДАНО:

Расход топлива: В=198м³/ч = 0,055 м³/с

Теплота сгорания топлива: Q^р_н= кДж/м³

Действительное количество воздуха необходимое для сжигания 1м³ газа: V^д_в=8, 31 м³/м³

Плотность воздуха при н.у.: ρ⁰_в=1,293 кг/м³

Избыточное давление газа перед горелкой: P’_г=5300 Па

Избыточное давление воздуха перед горелкой: P’_в=500 Па

Температура газа на входе в горелку Т_г=293 К

Температура воздуха на входе в горелку Т_в=375 К

Коэффициент расхода воздуха n=1,15

Коэффициент гидравлического сопротивления газового канала горелки (для горелок типа «труба в трубе») ξ_г=1,5

Коэффициент гидравлического сопротивления воздушного канала горелки (для горелок типа «труба в трубе») ξ_в=1

Плотность газа при н.у. находим по формуле (стр.11 [1]):

РЕШЕНИЕ:

Т.к. ширина печи составляет 5,427 м, а целесообразно устанавливать одну горелку на 3 м, принимаю решение установить 2 диффузионные горелки средней тепловой мощности типа «труба в трубе».

Находим расход топлива на одну горелку м³/с

Определяем расход воздуха при нормальных условиях: м³/м³

Определяем приведенные к нормальным условиям скорости истечения газа и воздуха в выходном сечении:

м/с

м/с

Рассчитываем площади выходных сечений газового и воздушного каналов:

Определяем диаметр выходного сечения газового канала:

Принимая по табл. 2.2[1] скорость газа определяем внутренний диаметр газового канала:

Определяем наружный диаметр газового канала внутри горелки(при толщине стенки ):

Определяем диаметр воздушного канала:

Принимая по табл. 2.2[1] приведенную к нормальным условиям скорость газовоздушной смеси в носике горелки , определяем площадь сечения носика горелки:

Определяем диаметр носика горелки:

Определяем температуру смеси на выходе из носика горелки:

Находим действительную скорость смеси на выходе из носика горелки:

Определяем длину факела (при К=1,5 для природного газа):

Таким образом, факел перекрывает: длины копильника

Определяем максимальный диаметр факела:

С учетом рассчитанных диаметров носика горелки и газового сопла по приложению 9 [1] выбираем горелку ДВС–120/21.

Т.к факел короткий, то принимаю решение разместить горелку на торцевых стенах печи в шахматном порядке с отводом продуктов сгорания через центр свода.