Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовой проект

Расчет методической толкательной печи

Введение

Методические толкательные печи до самого последнего времени удовлетворяли требованиям по производительности и удельному расходу тепла. В последнее время наметилась прогрессивная тенденция к увеличению длины заготовок и, как следствия, к увеличению ширины нагревательных печей, что значительно усложняет их эксплуатацию, особенно удаление окалины с пода печи. Поэтому, несмотря на то, что в прокатных цехах в настоящее время основным типом нагревательных печей являются толкательные методические печи, перспективы их дальнейшего распространения ограничены. Расширяется применение более совершенных печей с шагающими балками, которые могут работать так же, как и толкательные печи, в режиме методического нагрева.

При нижнем обогреве вдоль печи прокладывают специальные глиссажные (водоохлаждаемые) трубы, по которым движется металл. Из-за охлаждающего действия глиссажных труб, в нижнюю часть сварочной зоны печи необходимо подавать больше тепла, чем в верхнюю.

Глиссажные трубы выполняют только в методической и сварочной зонах. В местах соприкосновения заготовки с водоохлаждаемыми трубами металл прогревается хуже и на его поверхности образуются темные пятна. Поэтому в трехзонных печах с нижним обогревом томильная зона предназначена не только для выравнивания температуры по толщине металла, но и для ликвидации темных пятен на нижней поверхности заготовки, и в ней глиссажных труб нет.

Задание

Рассчитать и вычертить методическую печь для нагрева заготовок при следующих условиях:

Таблица 1. Данные

- количество отапливаемых зон	3
- марка стали	3СП
- сечение заготовки	300200
- длина заготовки	4,5 м
- температура посада	0 оС
- температура выдачи	1245 оС
- производительность печи	160 т/ч
- температура нагрева газа	0 оС
- температура нагрева воздуха	350 оС
- топливо: смесь коксового и доменного газов
- теплота сгорания топлива	8,793 МДж/м3
- влажность коксового газа	21 г./м3
- влажность доменного газа	27 г./м3
- коэффициент расхода воздуха	1,1

Таблица 2. Процентный состав сухих коксового и доменного газов

Сухие газы, %	CO	CO2	H2	CH4	N2	O2	C2H4	?
коксовый газ	5,83	2,35	51,4	20,55	17,09	1,48	1,3	100
доменный газ	27,35	9,25	3,34	1,10	58,96	-	-	100

1. Расчет горения топлива

Таблица 3. Процентный состав сухих коксового и доменного газов

Сухие газы, %	CO	CO2	H2	CH4	N2	O2	C2H4	?
коксовый газ	5,83	2,35	51,4	20,55	17,09	1,48	1,3	100
доменный газ	27,35	9,25	3,34	1,10	58,96	-	-	100

Учитывая, что влажности газов равны W_кокс. = 21 г./м³ и W_дом.= 27 г./м³, по формулам:

1.1

1.2

Рассчитываем состав влажных газов. Результаты сведены в табл. 4.

Таблица 4. Процентный состав влажных коксового и доменного газов

Влажные газы, %	CO	CO2	H2	CH4	N2	H2O	O2	C2H4	?
коксовый газ	5,68	2,29	50,09	20,03	16,66	2,54	1,44	1,27	100
доменный газ	26,46	8,95	3,23	1,06	57,05	3,25	0	0	100

Низшую теплоту сгорания газов Q находим по формуле:

Q=127,7?CO+108?H₂+358?CH₄+590?C₂H₄+555?C₂H₂+636?C₂H₆+913?C₃H₈+ +1185?C₄H₁₀+1465?C₅H₁₂+234?H₂S 1.3

Q=127,7?5,68+108?50,09+358?20,03+590?1,27 =14,05МДж/м³;

Q= 127,7?26,46+108?3,23+358?1,06 =4,11 МДж/м³.

По условию Q=8,793 МДж/м³, поэтому по формулам:

x_см=x_кокс.·a+x_дом·(1-a), 1.4

где

a = , 1.5

где а - доля коксового газа в смеси;

- низшая теплота сгорания доменного газа;

- низшая теплота сгорания коксового газа;

- низшая теплота сгорания смешанного газа.

.

Находим состав смешанного газа.

Таблица 5. Процентный состав смешанного газа

	CO	CO2	H2	CH4	N2	O2	C2H4	H2O	?
Смешанный газ	16,67	5,81	25,30	9,99	38,02	0,68	0,6	2,93	100

Расход кислорода для сжигания смешанного газа при n=1 равен:

V_O2=0,01·[0,5·(CO+H₂)+?(m+n/4)·C_mH_n] 1.6

V_O2=0,01·[0,5·(16,67+25,30)+(1+4/4)·9,99+(2+4/4)·0,6] = 0,43 м³/м³.

Расход воздуха при б=1,10 равен:

V_В=б·(1+k)·V_О2, 1.7

где k - отношение объемных содержаний N₂ и O₂ в дутье (для воздуха k=79/21=3,762).

V_В=1,10·(1+3,762)·0,43=2,24 м³/м³.

По формулам находим состав продуктов сгорания

V_СO2=0,01·(CO₂^см+SO₂^см+CO+H₂S+?m·C_mH_n), 1.8

где RO₂=CO₂+SO₂ - смесь газов CO₂ и SO₂.

V_H2O=0,01·[H₂O+H₂+H₂S+0,5·(?n·C_mH_n)]; 1.9

V_N2=0,01·N₂+б·k·Vо₂; 1.10

V'_O2=(б-1)·Vо₂; 1.11

V_СO2=0,01·(5,81+16,67+9,99+2·0,6)=0,34 м³/м³;

V_H2O=0,01·[2,93+25,3+0,5·(4·9,99+4·0,6)]=0,49 м³/м³;

V_N2=0,01·38,02+1,10·3,762·0,43=2,15 м³/м³;

V'_О2=(1,10-1)·0,43=0,04 м³/м³.

Суммарный объем продуктов сгорания равен:

V_п.с=V_RO2+V_H2O+V_N2+V'_O2 1.12

V_п.с=0,34 + 0,49 + 2,15 + 0,04 = 3,02 м³/м³.

Таблица 6. Процентный состав продуктов сгорания

Газ	%
СО2	11,14
Н2О	16,34
N2	71,11
O2	1,41

Правильность расчета проверяем составлением материального баланса.

Таблица 7. Материальный баланс

Поступило	с, кг/м3	кг	Получено	с, кг/м3	кг
O2	1,428	0,01	СО2	1,963	0,661
СН4см	0,716	0,072	Н2О	0,804	0,397
СОсм	1,25	0,21	N2	1,25	2,69
СО2см	1,963	0,114	O2	1,428	0,061
Н2см	0,09	0,023	Всего		3,809
N2см	1,25	0,48	Невязка		0,019
H2Oсм	0,804	0,022
C2H4см	1,25	0,007
Всего		0,938
Воздух	1,29	2,89
Итого		3,828

Для определения калориметрической температуры горения необходимо найти энтальпию продуктов сгорания:

, 1.13

где i_в - энтальпия воздуха при температуре 350 ^оС, 463,75 кДж/м³.

кДж/м³.

Зададим температуру t_к'=1900 ^оC и при этой температуре находим энтальпию продуктов сгорания:

1.14

Таблица 8. Энтальпия продуктов сгорания при t=1900 ^оC

i	кДж/м3
СО2	4634,76
Н2О	3657,85
N2	2808,22
O2	2971,30

 кДж/м³.

Зададим температуру t_к''=2000 ^оC и при этой температуре находим энтальпию продуктов сгорания (формула 14 при t=2000 ^оC):

Таблица 9. Энтальпия продуктов сгорания при t=2000^оC

i	кДж/м3
СО2	4910,51
Н2О	3889,72
N2	2970,25
O2	3142,76

кДж/м³.

Теперь определим калориметрическую температуру горения смешанного газа рассматриваемого состава в заданных условиях:

1.15

Приняв пирометрический коэффициент равным =0,75, находим действительную температуру горения топлива:

t_дейст=·t_к 1.16

t_дейст=0,75·1945,41=1459,06 ^оC.

2. Расчет нагрева металла и теплообмена в печи

2.1 Время нагрева металла

металл нагрев рекуператор печь

Температуру уходящих из печи дымовых газов принимаем равной t_ух=1050 ^оC; температуру печи в томильной зоне на 50 ^оC выше температуры нагрева металла, т.е. 1295 ^оC. Распределение температур по длине печи представлено на рис. 1.

Рис. 1 Распределение температур по длине печи

Поскольку основным назначением методической зоны является медленный нагрев металла до состояния пластичности, то температура в центре металла при переходе из методической в сварочную зону должна быть порядка 400-500 ^оC.

Разность температур между поверхностью и серединой заготовки для методической зоны печей прокатного производства можно принять равной:

Дt=t_(ПОВ)-t_(Ц)=(700-800)·S, 2.1.1

где S - расчетная толщина изделия, м.

В рассматриваемом случае двухстороннего нагрева S=0,55=0,550,20=0,11 м.

Дt=700·0,11=77 ^оC.

Т.е. следует принять температуру поверхности металла в конце методической зоны равной 500 ^оC.

Определим ориентировочные размеры печи. При двурядном расположении заготовок ширина печи будет равна:

B=2•l+3•a, 2.1.2

где a=0,2 - зазоры между блюмами и стенками печи, м;

l - длина блюма, м.

B=2•4,5+3•0,2=9,6 м.

В соответствии с рекомендациями высоту печи принимаем равной:

в методической зоне - 1,6 м,

в сварочной зоне - 2,8 м,

в томильной зоне - 1,65 м.

Находим степени развития кладки (на 1 м длины печи) по формуле:

, 2.1.3

где H - высота печи для различных зон, м.

Для методической зоны _м.=(2·1,6+9,6)/4,5=2,84 м.

Для сварочной зоны _св.=(2·2,8+9,6)/4,5=3,38 м.

Для томильной зоны _т.=(2·1,65+9,6)/4,5=2,87 м.

Определим эффективную длину луча по формуле:

2.1.4

методическая зона м;

сварочная зона м;

томильная зона м.

2.2 Определение времени нагрева металла в методической зоне

Находим степень черноты дымовых газов ?_г^м при средней температуре

t_г=0,5·(1459,06+1050)= 1255 ^оС.

Парциальные давления CO₂ и H₂O равны:

p_CO2=98,1·0,1114=10,93 кПа;

p_H2O=98,1·0,1634=16,03 кПа;

p_CO2·S_эф^м =10,93·2,47=27,0 кПа·м;

p_H2O·S_эф^м =16,03·2,47=39,57 кПа·м.

По номограммам на рис. 9-11 [2] находим: [_CO2=0,12; ['_H2O=0,16; в=1,059.

[_г^м=[_CO2+ в·['_H2O 2.2.1

[_г^м =0,12+1,059·0,16=0,3.

Приведенная степень черноты рассматриваемой системы равна:

, 2.2.2

Степень черноты металла принимаем равной [_м=0,8.

.

Средний по длине методической зоны коэффициент теплоотдачи определяем по формуле:

, 2.2.3

где C₀=5,7 Вт/(м²·K) - константа излучения абсолютно черного тела.

Вт/(м²·K).

Для среднеуглеродистой стали при средней по массе температуре металла:

2.2.4

.

По приложению VIII [2] находим коэффициенты теплопроводности л=47,45 Вт/(м·K) и температуропроводности а=10,20·10^-6 м²/с.

Определяем температурный критерий и критерий Bi по формулам:

_пов 2.2.5

_пов=.

, 2.2.6

где S - прогреваемый слой, м.

.

По найденным значениям и Bi по номограммам на рис. 17 [2] для поверхности пластины находим критерий Фурье F₀=0,90. Тогда время нагрева металла в методической зоне печи равно:

2.2.7

с., 0,3 ч.

Находим температуру центра блюма в конце методической зоны. Согласно номограмме на рис. 19 [2] для центра пластины при F₀=0,90 и Bi=0,41 температурный критерий _ц=0,76. Теперь найдем температуру центра блюма в конце зоны:

t_Ц^кон=t_Г-_Ц·(t_Г-t_Ц^нач) 2.2.8

t_Ц^кон=1255-0,76·(1255-0)=301,2 ^оC.

2.3 Определение времени нагрева металла в сварочной зоне

Находим степень черноты дымовых газов ?_г^св при температуре t_г=1459,06 ^оС.

Парциальные давления CO₂ и H₂O равны:

p_CO2=98,1·0,1114=10,93 кПа;

p_H2O=98,1·0,1634=16,03 кПа;

p_CO2·S_эф^м =10,93·3,9=42,63 кПа·м;

p_H2O·S_эф^м =16,03·3,9=62,54 кПа·м.

По номограммам на рис. 9-11 [2] находим: [_CO2=0,12; ['_H2O=0,19; в=1,06.

[_г^св=[_CO2+в·['_H2O 2.3.1

[_г^св=0,12+1,06·0,19=0,32.

Приведенную степень черноты сварочной зоны находим по формуле:

, 2.3.2

Степень черноты металла принята равной ?_м=0,8.

.

Примем температуру металла в конце сварочной зоны: t_пов^кон=1245 ^оC, t_ц^кон=1145 ^оC.

Средний по длине методической зоны коэффициент теплоотдачи определяем по формуле:

, 2.3.3

Вт/(м²·K).

Находим среднюю по сечению температуру металла в начале сварочной (в конце методической) зоны:

=t_пов- ·(t_пов-t_ц) 2.3.4

=500- ·(500-301,2)=367,49 ^оC.

Находим температурный критерий для поверхности блюмов по формуле:

_пов 2.3.5

_пов=.

При средней температуре металла:

2.3.6

^оC.

Согласно приложению VIII [2] находим теплопроводность среднеуглеродистой стали л=26,2 Вт/(м·K) и температуропроводность а=5,0·10^-6 м²/с.

Отсюда по формуле:

2.3.7

.

По найденным значениям и Bi по номограммам рис. 17 [2] для поверхности пластины находим критерий Фурье F₀=0,95. Тогда время нагрева металла в сварочной зоне печи равно по формуле:

2.3.8

=2299,0 с.=0,64 ч.

Находим температуру центра блюма в конце сварочной зоны. Согласно номограмме рис. 19 [2] для центра пластины при F₀=0,95 и Bi=2,0 температурный критерий _ц=0,40. Теперь найдем температуру центра блюма в конце сварочной зоны по формуле:

t_ц^кон=t_Г-_ц·(t_Г-t_ц^нач) 2.3.9

t_ц^кон=1459,06-0,40·(1459,06-367,49)=1021,72 ^оC.

2.4 Определение времени томления металла

Перепад температур по толщине металла в начале томильной зоны составляет Дt_нач=1245-1021,72=223,28 ^оC. Допустимый перепад температур в конце нагрева составляет Дt_кон=50 ^оC. Степень выравнивания температур равна:

2.4.1

.

При коэффициенте несимметричности нагрева, равном м=0,55 критерий F₀ для томильной зоны согласно номограмме на рис. 14 (кривая 3) [2] равен F₀=1,15. При средней температуре металла в томильной зоне равной:

2.4.2

^оC.

Согласно приложению VIII [2] находим теплопроводность среднеуглеродистой стали л=29,7 Вт/(м·K) и коэффициент температуропроводности а=5,57·10^-6 м²/с.

Тогда время томления металла равно:

2.4.3

=2488,11 с.=0,69 ч.

Полное время пребывания металла в печи равно:

ф=ф_м+ф_св+ф_т=1067,65+2299,0+2488,11=5854,76 с.= 1,63 ч.

3. Определение основных размеров печи

Для обеспечения производительности 160 т/ч=44,44 кг/с, в печи одновременно должно находится следующее количество металла:

G=P·ф 3.1

G=44,44·5854,76 =260186 кг.

Масса одной заготовки равна:

g=b·д·l·с, 3.2

где l=4,5 м - длина заготовки,

b=0,3 м - ширина заготовки,

д=0,2 м - толщина заготовки,

с=7850 кг/м³ - плотность заготовки.

g=0,3·0,2·4,5·7850=2120 кг.

Количество заготовок, одновременно находящихся в печи:

n=G/g 3.3

n=260186/2120=123 штук.

При двурядном расположении заготовок общая длина печи равна:

L=b•n/2 3.4

L=0,2•123/2=12,3 м.

Площадь пода равна:

F=B·L 3.5

F=9,6·12,3=118,08 м².

Высоты отдельных зон печи оставляем теми же, что были приняты при ориентировочном расчете. Длину печи разбиваем на зоны пропорционально времени нагрева металла в каждой зоне.

3.6

Длина методической зоны L_м= м.

Длина сварочной зоны L_св= м.

Длина томильной зоны L_т= м.

4. Тепловой баланс

При проектировании печи за определением основных размеров следует конструктивная проработка деталей. Поскольку в данной работе такая проработка не проводится, некоторые статьи расхода тепла, не превышающие 5% от всего расхода, будем опускать.

4.1 Приход тепла

Тепло от горения топлива

Q_хим=B·Q_н^р, 4.1.1.1

где B - неизвестная величина расход топлива, м³/с, при нормальных условиях.

Q_хим=8793·B кВт.

Тепло, вносимое подогретым воздухом

Q_в=B·i_в·V_в 4.1.2.1

Q_в=463,75 ·2,24·B =1038,8·B кВт.

Тепло экзотермических реакций

Принимая, что угар металла составляет 1% имеем

Q_экз=5650·P·a, 4.1.3.1

где a - угар металла,

P - производительность печи.

Q_экз=5650·44,44·0,01 =2510,86 кВт.

4.2 Расход тепла

Тепло, затраченное на нагрев металла

Q_пол=P·(i_м^кон-i_м^нач), 4.2.1.1

где i_м^кон=851,6 кДж/кг - энтальпия среднеуглеродистой стали при t_м^кон=1245 ^оC

i_м^нач=0 кДж/кг - энтальпия среднеуглеродистой стали при t_м^нач=0 ^оC.

Q_пол=44,44·(851,6-0)=37845 кВт.

Тепло, уносимое уходящими дымовыми газами

Q_ух=B·V_п.с·i_п.с. 4.2.2.1

Энтальпию продуктов сгорания при температуре t_ух=1050 ^оC находим с использованием приложения II [2].

Таблица 10. Энтальпия дыма и его составляющих при t_ух=1050 ^оC

Газ	Энтальпия, кДж/(м3)
CO2	345,63
H2O	213,11
N2	1119,35
O2	27,24
Суммарная энтальпия, iп.с	1705,33

Q_ух=3,02·1705,33· B =5150,1·B кВт.

Потери тепла теплопроводностью через кладку

Потерями тепла через под в данной работе пренебрегаем. Рассчитываем только потери тепла через свод и стены печи.

Потери тепла через свод

Площадь свода принимаем равной площади пода F_св=118,08 м²; толщина свода д_к=0,3 м, материал - каолин. Принимаем, что температура внутренней поверхности свода равна средней по длине печи температуре газов, которая равна:

_Г=(1050+1459,06+1245+20)/3= 1258,02 ^оC.

Если считать температуру окружающей среды равной t_ок=30 ^оC, то температуру поверхности однослойного свода можно принять равной t_нар=340 ^оC.

При средней по толщине температуре свода t_к=0,5·(1258,02+340)= 799,21 ^оC коэффициент теплопроводности каолина согласно приложения XI [1] равен: л_к=1,75+0,00086·t_к=1,75+0,00086·799,21=2,44 Вт/(м·K).

Тогда потери тепла определим по формуле

, 4.2.3.1.1

где б определяется по формуле:

б=1,3·(10+0,06·t_нар) 4.2.3.1.2

б=1,3·(10+0,06·340)=39,52 Вт/(м²·К).

кВт.

Потери тепла через стены печи

Стены печи состоят из слоя шамота толщиной д_ш=0,345 м и слоя диатомита толщиной д_д=0,115 м.

Наружная поверхность стен определяется по формуле:

F=2·L·2?h 4.2.3.2.1

методическая зона: F_м=2·2,24·2?1,6=14,34 м²;

сварочная зона: F_св=2·4,83·2?2,8=54,1 м²;

томильная зона: F_т=2·5,23·2?1,65= 34,52 м².

Площадь торцов печи определяется по формуле:

F_торц=[B+2·(д_ш+д_д)]·(2·h_м+h_т) 4.2.3.2.2

F_торц= [9,6+2·(0,345+0,115)]·(2·1,6+1,65)=51,02 м².

Полная площадь стен равна:

F_ст=14,34+54,1+34,52+51,02=153,98 м².

Для вычисления коэффициентов теплопроводности, зависящих от температуры, необходимо найти среднее значение температуры слоев. Средние температуры слоев шамота и диатомита равны:

, 4.2.3.2.3

, 4.2.3.2.4

где t' - температура на границе раздела слоев, ^оC;

t_кл^нар - температура наружной поверхности стен, которую можно принять равной 160 ^оC.

Коэффициент теплопроводности шамота равен л_ш=0,7+0,00064·t_ш, а диатомита л_д=0,163+0,00043·t_д, Вт/(м?К).

В стационарном режиме:

4.2.3.2.5

Подставляя значения коэффициентов теплопроводности, имеем

В результате решения получим уравнение вида A·(t')² + B·t' + C = 0

Решение этого уравнения дает значение t'=798,99 ^оC. Тогда:

=(1258,02+798,99)/2=1028,5 ^оC;

=(160+798,99)/2=479,5 ^оC.

Окончательно получаем: л_ш=0,7+0,00064·1028,5 =1,36 Вт/(м·K) и л_д=0,163+0,00043·479,5=0,37 Вт/(м·K).

Количество тепла, теряемое теплопроводностью через стены печи, равно:

, 4.2.3.2.6

где б определяется по формуле:

б=10+0,06·t_кл^нар 4.2.3.2.7

Отсюда б=10+0,06·160=19,6 Вт/(м²·К);

кВт.

Общее количество тепла, теряемого теплопроводностью через кладку:

Q_тепл=Q_св+Q_ст=852,84+306,72=1159,57 кВт.

Потери тепла с охлаждающей водой

Потери тепла с охлаждающей водой по практическим данным принимаем равными 10% от тепла, вносимого топливом и воздухом.

Q_охл=0,1·В·(Q_хим+Q_в) 4.2.4.1

Q_охл=0,1·В·(8793+1039,04)=983,2·B кВт.

Неучтенные потери

Неучтенные потери определяем по формуле:

Q_неучт=0,15·(Q_тепл+Q_охл·B) 4.2.5.1

Q_неучт=0,15·(1159,57+983,2·B) кВт.=173,93+147,48·В кВт.

Определение расхода топлива

Уравнение теплового баланса:

Q_хим+Q_в+Q_экз=Q_пол+Q_ух+Q_тепл+Q_охл+Q_неучт 4.2.6.1

8793·В+1038,8·В+2510,86=37845+5150,1·В+1159,57+983,2·В+173,93+147,48·В

3551,02·B=36667,64

Решая это уравнение, находим B: B=10,33 м³/с.

Результаты расчетов сведем в таблицу 11.

Таблица 11. Тепловой баланс методической печи

Статья прихода	кВт (%)	Статья расхода	кВт (%)
Тепло от горения топлива	90831,69 (87,27)	Тепло на нагрев металла	37845 (36,37)
Физическое тепло воздуха	10733,24 (10,31)	Тепло, уносимое уходящими газами	53200,53 (51,13)
Тепло экзотермических реакций	2511 (2,42)	Потери тепла теплопроводностью через кладку	1159,57 (1,11)
		Потери тепла с охлаждающей водой	10156,46 (9,76)
		Неучтенные потери	1697,4 (1,63)
Итого	104076,041 (100)	Итого	104058,43 (100)

Удельный расход тепла на нагрев 1 кг металла:

 4.2.6.2

кДж/кг.

5. Расчет рекуператора для подогрева воздуха

Исходные данные для расчета: на входе в рекуператор t_в^н=0 ^оC, на выходе t_в^к=350 ^оC. Температура дыма на входе в рекуператор t_д^н=1050 ^оC.

Расход газа на отопление печи B=10,33 м³/с. Расход воздуха на горение топлива V_в=10,33·2,24=23,14 м³/с. Количество дымовых газов на входе в рекуператор V_д=10,33·3,02=31,24 м³/с.

Таблица 12. Процентный состав дымовых газов

	CO2	H2O	N2	O2
%	11,14	16,34	71,11	1,41

Выбираем керамический блочный рекуператор. Материал блоков - шамот, марка кирпича Б-4 и Б-6 (табл. 19 [2]). Величину утечки воздуха в дымовые каналы принимаем равной 10%.

Тогда в рекуператор необходимо подать следующее количество воздуха:

V_в^н=V_в/0,9 5.1

V_в^н=23,14/(1-0,1)=25,72 м³/с.

Количество потерянного в рекуператоре воздуха:

ДV_в= V_в^н -V_в 5.2

ДV_в=25,72-23,14=2,57 м³/с.

Среднее количество воздуха:

=(V_в^н +V_в)/2 5.3

=(25,72+23,14)/2=24,43 м³/с.

Количество дымовых газов, покидающих рекуператор (с учетом утечки воздуха) равно:

V_д^к=V_д+ДV_в 5.4

V_д^к=31,24+2,57=33,81 м³/с.

Среднее количество дымовых газов:

=(V_д+ V_д^к)/2 5.5

=(31,24+33,81)/2=32,52 м³/с.

Составим уравнение теплового баланса рекуператора, учитывая потери тепла в окружающую среду, равные 10% и утечку воздуха в дымовые каналы, используя формулу:

Q=0,9··(c_д^н·t_д^н-c_д^к·t_д^к)=·(c_в^к·t_в^к-c_в^н·t_в^н)+ДV_в·(c_в^д·t_д^к-c_в^н·t_в^н), 5.6

где c_в^н, c_в^к - удельные теплоемкости воздуха при t_в^н и t_в^к соответственно;

c_в^д - удельная теплоемкость воздуха при температуре t_д^к.

Для решения этого уравнения необходимо определить удельную теплоемкость дымовых газов на входе и на выходе из рекуператора.

Находим удельные теплоемкости дымовых газов при заданных температурах (приложение I [2]).

Зададим температуру дымовых газов на выходе из рекуператора: t_д^к=650 ^оC.

Таблица 13. Теплоемкость дыма и его составляющих при t_д^к=650 ^оC

Газ	Теплоемкость, кДж/(м3·K)
CO2	0,23
H2O	0,26
N2	0,96
O2	0,02
Суммарная теплоемкость, cдк	1,48

Таблица 14. Теплоемкость дыма и его составляющих при t_д^н=1050 ^оC

Газ	Теплоемкость, кДж/(м3·K)
CO2	0,25
H2O	0,28
N2	0,99
O2	0,02
Суммарная теплоемкость, cдн	1,54

c_в^к=1,32415 кДж/(м³·К), c_в^н=1,3009 кДж/(м³·К), c_в^д=1,3654 кДж/(м³·К).

Теперь решая уравнение относительно t_д^к получим:

0,9·32,52·(1,54·1050-1,48·t_д^к)=24,43·1,32415·350+2,57·1,3654·t_д^к

t_д^к=768,9^оС.

В принятой конструкции рекуператора схема движения теплоносителей - перекрестный ток. Среднюю разность температур находим по формуле:

Дt=Дt_прот·е_Дt, 5.7

Определив среднелогарифмическую разность температур для противоточной схемы движения теплоносителей по формуле:

5.8

.

Найдя поправочные коэффициенты

, ,

по номограмме на рис. 23 [2] находим еДt=0,98.

Тогда 733,4·0,98=718,73 ^оC.

Для определения суммарного коэффициента теплопередачи согласно табл. 28 [1] примем среднюю скорость движения дымовых газов щ_д0=1,2 м/с, а среднюю скорость движения воздуха щ_в0=1,5 м/с.

Учитывая, что эквивалентный диаметр воздушных каналов равен (табл. 19 [2]) d_в=0,055 м=55 мм, по графику 26 [2] находим значение коэффициента теплоотдачи конвекцией на воздушной стороне:

б_в^конв'=12,14 Вт/(м²?К).

Или с учетом шероховатости стен:

б_в^конв=1,1·12,14=13,4 Вт/(м²?К).

Коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне находим по формуле:

б_д=б_д^конв+б_д^изл 5.9

Учитывая, что гидравлический диаметр канала, по которому движутся дымовые газы равен (табл. 19 [2]) d_д=0,21 м, по графику на рис. 26 [2] находим

коэффициент теплоотдачи конвекцией на дымовой стороне:

б_д^конв'=6,4 Вт/(м²?К).

Или с учетом шероховатости стен:

б_д^конв=1,1·6,4=7,04 Вт/(м²?К).

Величину коэффициента теплоотдачи излучением на дымовой стороне определяем для средней температуры дымовых газов в рекуператоре, равной: 0,5·(1050 + 768,9)=909,5 ^оС.

Среднюю температуру стенок рекуператора принимаем равной:

0,25·[(1050+768,9)+(350+0)]=542 ^оС.

Эффективная длина луча в канале равна:

0,9·0,21=0,189 м.

Получим:

p_CO2·S_эф=10,93·0,189=2,66 кПа·м;

p_H2O·S_эф=16,03·0,189=3,03 кПа·м.

По номограммам на рис. 9-11 [2] при 909,5^оС находим

=0,066; =0,055; в=1,08;

=0,066+1,08·0,055=0,13.

Коэффициент Агаза-стенок:

5.10

.

Учитывая, что при степени черноты стен рекуператора 0,8, их эффективная степень черноты равна 0,5·(1+0,8)=0,9, по формуле находим коэффициент теплоотдачи излучением:

5.11

Вт/(м²?К).

Суммарный коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне равен:

б_д=7,04+25,03 =32,07 Вт/(м²?К).

При температуре стенки 542 ^оС коэффициент теплопроводности шамота равен (приложение Х [2]):

542=1,001 Вт/(м?К).

С учетом толщины стенки элемента рекуператора д=0,019 м находим суммарный коэффициент теплопередачи по формуле:

, 5.12

где F и F- соответственно основная поверхность теплообмена и оребренная, м².

При F/(F+F)=0,8:

Вт/(м²·К).

Определяем поверхность нагрева и основные размеры рекуператора. Количество тепла, передаваемого через поверхность теплообмена, равно по формуле:

, 5.13

где з=0,9 - поправка, учитывающая потери тепла в окружающую среду.

Q=кВт.

Величина поверхности нагрева рекуператора:

F=Q/(K·) 5.14

м².

Так как удельная поверхность нагрева рекуператора, выполненного из кирпичей Б=4 и Б=6, равна м²/м³ (табл. 19 [2]), можно найти объем рекуператора:

5.15

м³.

Необходимая площадь сечений для прохода дыма равна:

5.16

м².

Учитывая, что площадь дымовых каналов составляет 44% общей площади вертикального сечения рекуператора, найдем величину последнего:

м².

Принимая ширину рекуператора равной ширине печи, т.е. =9,6 м, находим высоту рекуператора:

5.17

м.

Длина рекуператора:

5.18

м.

6. Выбор горелок

В многозонных методических печах подводимая тепловая мощность (а, следовательно, и расход топлива) распределяется по зонам печи следующим образом: верхняя часть сварочной зоны 30-40%; нижняя часть сварочной зоны 35-45% и томильная зона 15-25%.

Распределяя расход топлива по зонам пропорционально тепловой мощности, получим:

B^в_св.з= 40% В=4,132 м³/с.

B^н_св.з= 45% В=4,649 м³/с.

B_том.з= 20% В=2,066 м³/с.

Принимая, что в печи установлены горелки типа «труба в трубе» в верхней сварочной зоне 10 штук, в нижней сварочной зоне 12 штук, а в томильной зоне 8 штук находим расход топлива на одну горелку:

B^1в_св.з= 4,132/10=0,41 м³/с.

B^1н_св.з= 4,649/12=0,39 м³/с.

B¹_том.з= 2,066/8=0,26 м³/с.

Выбор горелок производится по методике, изложенной в табл. 23 [2].

Плотность газа 1,0956 кг/м³, расход воздуха при коэффициенте расхода n=1,1 равен 2,24 м³/м³ газа.

Пропускная способность горелок по воздуху:

V¹_в=V_в·B¹ 6.1

верхняя сварочная зона

V¹_в=2,24·0,41=0,92 м³/с.

нижняя сварочная зона

V¹_в=2,24·0,39=0,87 м³/с.

томильная зона

V¹_в=2,24·0,26=0,58 м³/с.

Расчетное количество воздуха, определяем по формуле:

6.2

верхняя сварочная зона

м³/с;

нижняя сварочная зона

м³/с;

томильная зона

м³/с.

Принимая давление воздуха перед горелками равным 1,0 кПа, по графику на рис. 28 [2] находим, что при этом давлении требуемые расходы воздуха обеспечивают следующие типы горелок «труба в трубе» большой тепловой мощности: верхняя сварочная зона - ДНБ-375, нижняя сварочная зона - ДНБ-300 I, томильная зона - ДНБ-275.

Расчетное количество газа определяем по формуле:

6.3

верхняя сварочная зона

м³/с;

нижняя сварочная зона

м³/с;

томильная зона

м³/с.

Принимая давление газа перед горелками равным 3,0 кПа, по графику на рис. 29 [2] находим, диаметр газового сопла для горелок: верхние сварочные зоны - 160 мм, нижние сварочные зоны - 160 мм, томильная зона - 130 мм.

Окончательно принимаем горелки для верхней сварочной зоны ДНБ 375/160, нижней сварочной зоны ДНБ 300 I/160, томильной зоны ДНБ 275/130.

Заключение

Выбор конструкции методической печи и графика нагрева зависит от толщины заготовки, пластичности металла в холодном состоянии и теплофизических свойств нагреваемого металла. Ограничение скорости нагрева холодного металла в интервале температур от 0 до 500 ^оС распространяется в основном на качественные и высоколегированные стали. Этим сталям свойственны относительно низкие коэффициенты теплопроводности и температуропроводности, в результате чего чрезмерная скорость нагрева может привести к недопустимому перепаду температур по толщине заготовки. Скорость повышения температуры металла в начале его нагрева в первую очередь зависит от того, какова температура в начале методической зоны, при которой проводится посад холодного металла. Выбор этой температуры, а следовательно, температурного режима печи и ее конструкции во многом зависит от того, какая начальная температура печи допустима для той или иной марки стали. Существует большое число, весьма ходовых марок стали (углеродистые, низколегированные, рельсовые и др.), для которых эта температура практически неограниченна. Однако для ряда других марок стали должны быть введены достаточно строгие ограничения, вплоть до того, что некоторые стали можно помещать в печь, температура которой не превышает 600-650 ^оС. Ограничения подобного рода, достаточно четко определены и приведены в соответствующей справочной литературе.

Библиографический список

1. Мастрюков Б.С. Теория, конструкции и расчёты металлургических печей: в 2-х томах. 2-е изд. перераб. и доп. т. 2. М.: Металлургия, 1986. 376 с.

2. Расчет методической толкательной печи: исх. дан. и метод. указания к выполнению курсового проекта / сост. Ю.И. Алексеев; - Нижний Тагил: НТИ(ф) УГТУ-УПИ, 2006.-120 с.

Размещено на Allbest.ru