Расчет динамики нагрева металла и определение основных размеров печи

ВВЕДЕНИЕ

Печь - технологическое оборудование, в котором рабочим видом энергии является тепло, и рабочее пространство которого ограждено от окружающей среды. Разнообразие промышленных печей, используемых в литейном производстве, вызывает необходимость подразделения их на основные группы.

По способу генерации теплоты все печи подразделяют на топливные, где теплота выделяется за счет горения топлива, и электрические, где электроэнергия преобразуется в теплоту электрической дугой, нагревательными элементами сопротивления или индукцией.

По условиям теплопередачи печи подразделяют на печи с теплопередачей преимущественно излучением и конвекцией.

Работа печей характеризуется тепловой мощностью, тепловой нагрузкой, температурным и тепловым режимами.

По тепловому режиму печи подразделяют на печи, работающие по камерному режиму, и печи, работающие по методическому режиму. В печах, работающих по камерному режиму, температура рабочего пространства остается постоянной на протяжении всего времени работы печи. В печах, работающих по методическому режиму, температура в печи изменяется по длине печи или во времени.

Методические нагревательные печи широко применяются в прокатных и кузнечных цехах для нагрева квадратных, прямоугольных, а иногда и круглых заготовок.

По методу транспортировки металла методические печи относятся к так называемым проходным печам. Ряд соприкасающихся друг с другом заготовок заполняет весь под печи и продвигается через печь при помощи толкателя. При загрузке в печь новой заготовки одна нагретая заготовка выдается из печи.

Наиболее важными классификационными признаками методических печей являются:

1) температурный режим печи (по длине);

2) двусторонний или односторонний характер нагрева металла;

3) способ выдачи металла из печи (боковая или торцовая выдача).

Кроме того, классификация выполняется по виду нагреваемых заготовок, методу утилизации тепла отходящих дымовых газов, виду топлива, числу рядов заготовок в печи.

РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

Общие положения

Сгорание топлива может быть полным и неполным. Полное сжигание осуществляется при коэффициенте расхода воздуха α > 1, неполное при α < 1. При горении топлива основным процессом является соединение горючих составляющих топлива с кислородом ( + ; + ; + ).

Газообразное топливо по сравнению с твердым и жидким имеет ряд преимуществ: лучшее смешение топлива с окислителем (кислородом или воздухом), что позволяет проводить процесс сжигания с минимальным коэффициентом расхода воздуха; легкость транспортировки к потребителю;

простота обслуживания.

Природный газ. Основной горючей составляющей природного газа является метан , содержание которого - 92…98%. Остальные горючие составляющие - это непредельные углеводороды C_mH_n. Теплота сгорания природного газа 33 ... 38 МДж/м³, плотность 0,7...0,8 кг/м³.

Доменный (колошниковый) газ. Доменный газ является побочным продуктом в процессе получения чугуна в доменных печах. На 1 кг чугуна образуется 3 м³ доменного газа. Если металлургическое предприятие имеет полный металлургический цикл, то до 40% топливного баланса покрывается за счет доменного газа. Примерный состав доменного газа: 25…31% CO, 2...3% H₂, 9...14% CO₂, 0,3...0,5% CH₄, 57...58% N₂. Теплота сгорания доменного газа 3,5...4,2 МДж/м³.

Для характеристики теплового эффекта реакции сгорания топлива используется понятие теплоты сгорания топлива. Теплота сгорания топлива - это количество теплоты, выделяющейся при сжигании единицы топлива (кг, м³).

Калориметрическая температура горения (t_к) - это температура, которую продукты сгорания получают при условии, что вся теплота, которая выделилась при полном сгорании единицы топлива, пошла на нагрев только продуктов сгорания.

Расчет горения топлива является основой при проектировании теплотехнических установок и состоит из разделов:

1. Перерасчет сухого состава газа в рабочий (влажный);

2. Расчет теплоты сгорания топлива;

3. Расчет теоретического и действительного количества воздуха необходимого для сжигания единицы топлива;

4. Расчет количества и состава продуктов сгорания;

5. Расчет калориметрической температуры горения топлива.

Расчетом горения определяется количество, состав и плотность топлива, воздуха и продуктов сгорания; температура горения, коэффициент использования тепла топлива.

Расчет расхода топлива, воздуха и продуктов сгорания основан на уравнениях химических реакций окисления горючих компонентов:

СО + 0,5О₂ = СО₂

Н₂ + 0,5 О₂ = Н₂О

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О

С₃Н₈ + 5О₂ = 3СО₂ + 4Н₂О

Горение топлива в металлургических печах происходит, как правило, в атмосфере газообразного окислителя, что является смесью кислорода, азота и водяных паров (содержанием других компонентов, таких как СО, СО₂обычно пренебрегают). Количество воздуха и продуктов сгорания зависит при других равных условиях от соотношения объемов азота и кислорода

где – соответственно содержание азота и кислорода в воздухе_, в объемных процентах.

Если в сухом воздухе содержание ,то это обогащенный кислородом воздух. Обогащение воздуха кислородом содействует повышению температуры горения и коэффициента использования тепла топлива (КИТ).

Расчет температуры горения ведется на основе баланса процесса горения, расчет КИТ – на основе теплового баланса печи.

Расчет горения топлива

Начальные данные:

Вид топлива – смесь природного и доменного газов с теплотой сгорания Коэффициент расхода воздуха α = 1,1, воздух, обогащенный кислородом . Состав сухих газов приведен в таблице 1.1

Таблица 1.1 – Состав сухих газов, %

Компоненты	Природный	Доменный
		3,2
CO	0,6	27,5
		0,8
	0,4
	0,3
	0,7
W, г/м3

Необходимо определить: состав смеси влажных газов, количество воздуха, количество продуктов сгорания, составить материальный баланс горения, калориметрическую температуру горения, коэффициент использования тепла топлива.

Определение состава влажных газов (рабочего состава).

Рабочий состав газов определяется как произведение каждого компонента сухого топлива и коэффициента пересчета, например

Коэффициент пересчета сухого состава газа на рабочий:

Для природного газа:

Дальше пересчитаем каждый компонент газа во влажный состав

Сумма всех компонентов влажного топлива составляет 100 %.

Для доменного газа:

Дальше пересчитаем каждый компонент газа во влажный состав

Низшая теплота сгорания газообразного топлива - это количество теплоты, выделяющееся при сжигании единицы топлива, определяется по формуле:

Состав смешанногогаза.

Доля доменного газа в смеси:

Доля природного газа в смеси:

Состав смешанного газа:

Теплота сгорания смеси газов:

Расчетная теплота сгорания смешанного газа от заданной должна отличаться не более чем на 1%.

Определение теоретически необходимого количества воздуха рассчитываться по формуле:

где 0,5; 0,5; 2 и т.д. – это коэффициенты, которые стоят перед кислородом в стехиометрических уравнениях горения соответственных компонентов топлива;

(1 + 0,00124 · d_в) – поправка на влажность;

d_в – влажность воздуха в зависимости от температуры, г/м³;

, – содержание азота и кислорода в воздухе; (в не обогащенном сухом воздухе ,

Действительное количество воздуха:

Состав влажного воздуха определяется через произведение компонентов сухого воздуха и коэффициента пересчета на влажный воздух:

Тогда состав влажного воздуха определяется по формулам:

.

Объем продуктов сгорания (дыма) определяется по формуле:

Объем составляющих продуктов сгорания, образующихся при сжигании единицы газообразного топлива, определяется по уравнениям реакций горения:

- углекислый газ:

- вода:

- оксиды серы:

- азот:

- кислород:

Объем продуктов сгорания:

Состав дыма определяется по следующим формулам:

Суммарный состав продуктов сгорания должен равняться 100%. Если сумма отличается от 100% не более чем на 0,5%, то ее необходимо скорректировать. Коррекция обычно проводится по компоненту, содержание которого в продуктах сгорания максимально.

После выполнения расчета горения необходимо составить материальный баланс процесса горения.

Уравнение материального баланса процесса горения имеет вид:

где m_{т –} масса топлива, при сжигании газообразного топлива

При этом плотность смешанного газа определяется по формуле:

где – молекулярная масса компонента, кг;

r_i – содержание компонента в смеси, %.

– масса воздуха, подаваемого для процесса горения, определяется по формуле:

Плотностьвлажного воздуха:

– масса продуктов сгорания, определяется по формуле:

Плотностьпродуктовсгорания:

– невязка материального баланса, определяется по формуле:

Калориметрическая температура рассчитывается из предположения, что все тепло, поступаемое в зону горения, расходуется только на нагрев продуктов горения:

При =320 ^оС

кДж/м³

кДж/м³

кДж/м³

Теплоемкость продуктов горения является функцией калориметрической температуры, которая рассчитывается, поэтому необходимо определить ориентированную величину по i-t диаграмме, , - калориметрическая теплоемкость продуктов горения.

кДж/м³

Для кДж/м^{3 о}С.

Энтальпия смеси газов (продуктов сгорания) определяется по температуре по формуле:

< <

^оС.

Основные результаты расчета горения топлива представлены ниже в таблице 1.2.

Таблица 1.2 – Основные результаты расчета горения топлива:

Наименование величины	Обозначение	Численное значение
Теплота сгорания смешанного газа		21,49 МДж/м3
Теоретически необходимое кол-во воздуха		5,005 м3/м3
Действительное количество воздуха	Lд	5,506 м3/м3
Объем продуктов сгорания	Vд	6,407 м3/м3
Состав продуктов сгорания:	СО2	11,05%
О2	1,826%
N2	67,442%
H2O	19,681%
Масса воздуха	mв	7,057 кг
Плотность воздуха	ρв	1,282 кг/м3
Масса дыма	mд	7,972 кг
Плотность дыма	ρд	1,244 кг/м3
Масса топлива	mт	0,941 кг
Плотность топлива	ρт	0,941 кг/м3
Невязка материального баланса	∆m	0,03%
Калориметрическая температура	tкал	2120 °C

РАСЧЕТ ВНЕШНЕГО ТЕПЛООБМЕНА

Методическиетолкательныепечиотносятсяк высокотемпературнымпечам,вкоторыхтеплопередаетсяк поверхностинагрева восновномизлучением.

Удельный тепловойпоток, передаваемыйизлучениемотгазовикладкиметалла, можнорассчитатьпо формуле:

Расчет внешнего теплообмена состоит в определении приведенного коэффициента излучения, Вт/(м²К⁴):

где - степеньчернотыметалла;

- степеньчернотыгазов;

- степеньразвитиякладки.

Приведенный коэффициентизлучения определяетсядлякаждойзоны.

Численное значениеωпримерноравноотношениюсуммарнойвнутреннейповерхности всехстенисводапечи квоспринимающейтепловое излучениеповерхности металлаF_м,то есть:

При этом поверхность нагрева (металла) считается как сплошная плита, нагреваемая с одной стороны.

Расчет ведется в такой последовательности:

1. Предварительное определение размеров печи:

Ширина печи

где z – число рядов заготовок в печи (принимаем z = 1);

– ширина зазора между торцами заготовок и кладкой,

l – длина заготовок, l = 2,65 м.

Расстояние от высшей точки свода до уровня пода выбирается из таблицы 2.1.

Таблица 2.1 Расстояние от высшей точки свода до уровня пода по зонам печи.

Расстояние, м
В месте посада металла	Верхних сварочных зон	Нижних сварочных зон	Томильной зоны
0,8…1,5	2,2…2,6	2,4…3,0	1,5…1,7

2. Задание температур по длине печи

Температура уходящих газов задается в зависимости от вида тепловой обработки металла.

При нагреве металла под прокатку температуру уходящих газов можно принять , а при нагреве металла с целью термообработки .

В сварочной (нагревательной) зоне нагрев осуществляется при постоянной температуре печи, а в томильной зоне при постоянной температуре поверхности. Температуру в сварочной (нагревательной) зоне рекомендуется выбирать на 150 – 250 °С выше конечной температуры металла, то есть а температуру газов в конце томильной зоны в первом приближении можно принять на 50 °С выше конечной температуры металла, то есть (рис. 2.1).

3.Степень черноты окисленной поверхности металла принимают в пределах 0,8 – 0,85.

Рис. 2.1 Схема изменения температур по длине методической печи

4. Определение степени развития кладки

Для методической зоны:

где – средняя высота методической зоны,

Для сварочной зоны:

где – средняя высота методической зоны,

Для томильной зоны:

где – средняя высота методической зоны,

5. Расчет степени черноты газов

где и определяют по номограммам [1, рис154 – 156].

Парциальное давление излучающих газов, кН/м2:

Эффективная длина луча, м:

где V – объем, занимаемый газом, м3;

F – суммарная поверхность, ограничивающая газовый объем, м2.

Для методической зоны:

Для сварочной зоны:

Для томильной зоны:

Расчет дымового тракта

Потеривместных сопротивленияхигидростатическиепотерирассчитываютсяпо формуламприведенным выше.Коэффициентыместныхсопротивленийопределяютсяс помощьюграфиков, приведенныхвсправочнойлитературе. Расчетдымовоготрактаведетсясиспользованиемрисунка 5.1.

Расходгаза, м³/с, подлинебетонногоиликирпичногогазоходаувеличивается засчетприсосоватмосферноговоздуха, поэтомусредний расходна каждом участкеопределяетсякак:

Скоростьгазапринормальныхусловиях налюбом участке:

Результатом резкого сужения на выходе из печи является местное сопротивление. Местное сопротивление определяется по формуле

где

где расход газа, м³/с;

теоретический выход продуктов горения, м³/с;

Тогдапотеридавленияна этом участкебудут составлять:

где

А конечное давление:

где Р_н – давление продуктов сгорания в печи. ПринимаемР_н = 0 Па.

Трение на участке l₁ = 1,9 м.

Гидравлическийдиаметрканалаикоэффициентсопротивления трения:

Расход научастке(в серединедлиныучастка)можнонайтипо формуле:

Температура на участке изменится по такой формуле:

Расчетная скоростьидинамическое давление:

Тогдапотеридавленияна трениена этом участке:

Давление в конце участка:

Резкий поворот на 90°.

Расход научастке:

Температура на участке:

Расчетная скоростьидинамическое давление:

Тогдапотеридавленияна этом участкебудут составлять:

где

А конечное давление:

Гидростатические потери при опускании на глубину h₁ = l₂ = 6,5 м.

Температура на участке изменится по такой формуле:

Плотность окружающего воздуха:

Плотность газа в канале:

Потери геометрического давления:

Разряжение на участке:

Аналогично проводятся расчеты и для других участков. Все полученные данные сведены в таблицу 5.1

Таблица 5.1 – результаты расчета гидравлических сопротивлений дымового тракта

Вид сопротивления	Расчетный расход газа,V м3/с	Температураt, °С	Расчетное сечение, Fрасч, м²	Расчетная скорость W0, м/с	Динамическое давление,Pдин Па	Км.с.	Потери давления, , Па	Конечное давление P, Па
Резкое сужение на выходе из печи	6,407		1,9625	3,265	5,027	0,385	1,933	-1,933
Трение на участке ℓ1	6,421	798,5	1,9625	3,272	5,043	0,028	0,272	-2,205
Резкий поворот на 90°	6,436	798,5	1,9625	3,279	5,065	1,32	6,680	-8,891
Гидростатические потери h1	6,439	792,2	1,9625	3,288	5,131	-	11,61	-74,288
Трение на участке ℓ2	6,496	785,9	1,9625	3,31	5,128	0,23		-75,449
Резкий поворот на 90°	6,558	785,9	1,9625	3,325	5,016	1,32	6,9	-82,349
Трение на участке ℓ3	6,572	784,4	1,9625	3,349	5,213	0,059	0,281	-82,63
Вход в рекуператор	6,586	627,2	1,9625	3,356	4,458		13,373	-96,0034
Плавноесужение на ℓ4	6,626		3,649	0,01998	1,29	0,099	0,141	-96,0034
Трение на участке ℓ5	6,651	467,5	1,228	6,0193	11,793	0,122	1,434	-97,437
Вид сопротивления	Расчетный расход газа м3/с	Температура t, °С	Расчетное сечение, Fрасч, м²	Расчетная скорость W0, м/с	Динамическое давление, PдинПа	Км.с.	Потери давления, ∆Р, Па	Конечное давление P, Па
Резкий поворот на 45°	6,676	467,5	1,228	6,0418	11,882	0,27	3,208	-100,646
Трение на участке ℓ6	6,707	464,4	1,228	6,07	11,942	0,151	1,801	-102,446
Резкий поворот на 45°	6,738	464,4	-	6,738	12,053	0,27	3,254	-105,701
Трение на участке ℓ7	6,126		1,228	6,512	12,114	0,151	1,827	-107,527
Гидростатические потери h2	6,126	455,562	1,228	6,512	12,987	-	57,979	-160,424
Резкий поворот на 90°	6,801	455,562	1,228	6,155	12,131	1,32	16,013	-176,438
Трение на участке ℓ8	6,864	455,562	1,228	6,211	12,356	0,1	1,236	-177,673
Дымовой шибер	6,906	451,46	1,228	6,25	12,438	0,199	2,480	-180,154
Слияние потоков	6.954	451.46	1,105	5,611	10,025		10,025	-340,025
Трение на участке ℓ9	11,341	449,362	1,105	5,629	10,059	0,074	11,115	-340,772
Вид сопротивления	Расчетный расход газа м3/с	Температура t, °С	Расчетное сечение, Fрасч, м²	Расчетная скорость W0, м/с	Динамическое давление, PдинПа	Км.с.	Потери давления, ∆Р, Па	Конечное давление P, Па
Резкий поворот на 90°	11,377	449,362	1,842	5,646	10,122	1,45	54,352	-355,45
Трение на участке ℓ10	11,447	445,262	1,842	5,681	10,189	0,145	5,844	-356,927
Вход в дым.трубу	11,517	445,262	1,842	5,716	10,314		76,422	-377,555

Расчет дымовой трубы

Дымовыетрубымогутвыполнятьсяжелезобетонными, металлическими, кирпичнымиисо стволомскремнебетона. Основным типомтрубявляются железобетонныескирпичнойфутеровкойвнутри.

Расчетдымовойтрубысостоитв определениивысоты, атакжедиаметровнижнегоиверхнегосечений.Уточненное значениеHрассчитываетсясучетомдавлениявтрубе, изменениятемпературыгазовповысотетрубы, конусностистволатрубы:

где средняя по высоте трубы температура наружного воздуха, К,

температура продуктов горения у основания и у устья трубы, К,

где δ = 1°С/м – падение температурыпродуктов сгорания наодинметрвысотытрубы;

средний диаметр трубы,

из соображений удобства обслуживания,

Расчет диаметра устья проводится по суммарному расходу дымовых газов

скорость продуктов горения у основания трубы, м/с,

Окончательная высота дымовой трубы Н = 60 м.

ВЫВОДЫ

В курсовом проекте проведен расчет трёхзонной методической печи и определены следующие ее параметры: основные размеры печи, рассчитано время нагрева металла в каждой зоне, рассчитаны основные потери и на основании этого расчета определен расход топлива на печь, составлен материальный баланс печи, определен технологический КПД печи и коэффициент использования топлива. Также было рассчитано разрежение дымовых газов в дымовом тракте и в соответствии с этим были получены данные для расчета высоты дымовой трубы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Казанцев Е.И. Промышленные печи. - М.: Металлургия, 1975.-368 с.

2. Аксельруд Л.Г, Нагревательные печи. - М.: Металлургиздат, 1962.-276 с.

3. Тайц Н.Ю. Технология нагрева стали. -М.: Металлургиздат, 1962.-568 с.

4. Филимонов Ю.П., Старк С.Б., Морозов В.А. Металлургическая теплотехника. - М.: Металлургия, 1962.-350 с.

5. Кривандин В.А., Марков Б.Л. Металлургические печи, - М.: Металлургия, 1977.-464 с.

6. Мастрюков B.C. Теория, конструкции и расчёты металлурги­ческих печей. - М.; Металлургия, I977.-T.2, - 272 с.

7. Атлас металлургических печей / Под ред. В.А. Кривандина, - М.: Металлургия,1978. - 364 с.

8. Методичні вказівки до виконання курсового проекту з дисципліни «Теплотехнологічні процеси та установки» / Сапронова О.В. - Донецьк: ДонНТУ, 2014. -69с.

ВВЕДЕНИЕ

Печь - технологическое оборудование, в котором рабочим видом энергии является тепло, и рабочее пространство которого ограждено от окружающей среды. Разнообразие промышленных печей, используемых в литейном производстве, вызывает необходимость подразделения их на основные группы.

По способу генерации теплоты все печи подразделяют на топливные, где теплота выделяется за счет горения топлива, и электрические, где электроэнергия преобразуется в теплоту электрической дугой, нагревательными элементами сопротивления или индукцией.

По условиям теплопередачи печи подразделяют на печи с теплопередачей преимущественно излучением и конвекцией.

Работа печей характеризуется тепловой мощностью, тепловой нагрузкой, температурным и тепловым режимами.

По тепловому режиму печи подразделяют на печи, работающие по камерному режиму, и печи, работающие по