 |
Основные теплотехнические показатели работы печи.
|
|
|
|
ГОУ ВПО Череповецкий Государственный Университет
Кафедра промышленной теплоэнергетики
Курсовой проект
По теме:
«Расчет двухзонной методической печи»
| Выполнил студент |
| Группы 9ОМ-31 Данилов М.В. |
| Поверил: Синицын Н.Н. |
| Дата: |
| Отметка о зачете: |
Череповец, 2007- 2008 учебный год.
Содержание
| Задание | 2 |
| 1 Расчет горения топлива | 3 |
| 1.1 Пересчет состава топлива | 3 |
| 1.2 Объем воздуха и продуктов полного сгорания | 3 |
| 1.3 Низшая теплота сгорания | 5 |
| 1.4 Температура горения топлива | 6 |
| 2 Расчет теплообмена в рабочем пространстве печи | 9 |
| 2.1 Режим нагрева заготовок | 9 |
| 2.2 Расчет внешнего теплообмена в рабочем пространстве печи | 9 |
| 2.3 Расчет нагрева металла | 13 |
| 2.4 Расчет основных параметров | 20 |
| 3 Тепловой баланс печи | 21 |
| 4 Основные теплотехнические показатели рабочей печи | 31 |
| 5 Аэродинамический расчет | 33 |
| 5.1 Расчет дымового тракта | 33 |
| 5.2 Расчет дымовой трубы | 36 |
| 6 Расчет топливосжигающих устройств | 38 |
| Вывод | 49 |
| Литература | 40 |
 |
Техническое задание.
Выполнить проектный расчет методической печи, работающей по двухзонному температурному режиму.
Исходные данные:
1. Производительность печи P=177т/ч
2. Нагреваемый металл: Заготовки квадратного сечения размером 0.100м х 0.100м и длиной 10.5м.
3. Параметры нагрева металла: конечная температура поверхности металла tконпл=1250оС, переход температур по поверности сляба Δtкон=30оС
4. Топливо – природный газ. Состав топлива, в%:
| СН4 | С2Н6 | С3Н8 | С4Н10 | С5Н12 | N2 | CO2 |
| 91,9 | 2,1 | 1,3 | 0,4 | 0,1 | 3 | 1.2 |
5. Температура подогрева воздуха 
1 Расчет горения топлива
|
|
|
1.1 Пересчет состава топлива
Для газового топлива пересчет объемного состава газа с сухого на влажный проводится по формуле:
где dr – влагосодержание газа, г/м3, х – содержание компонента, %
1.2 Объем воздуха и продуктов полного сгорания.
Теоретический расход сухого кислорода:
Теоретический расход сухого окислителя:
где O2ок – объемное содержание O2 в окислителе, %
Расход сухого окислителя при 
Расход сухих трехатомных газов:
Теоретический выход азота:
где N2ок – объемное содержание азота в окислителе, %
Теоретический выход водяных паров:
где dок – влагосодержание окислителя, г/м3
Выход продуктов полного сгорания при
Объемный состав продуктов полного сгорания:
 |
Плотность продуктов сгорания при нормальных условиях:
1.3 Низшая теплота сгорания
Для газообразного топлива определяется по формуле:
1.4 Температура горения топлива
Энтальпия продуктов сгорания:
где 
– химическая энтальпия продуктов сгорания:
где 
– недожог топлива, кДж/м3 ( =0% 
)
– физическое тепло, вносимое воздухом и газом
Из приложения 4 при t=400 0С изобарная теплоемкость воздуха:
Сp = 1,328 кДж/(м3*К);
Тогда энтальпия воздуха:
Выбираем для расчета температуру продуктов сгорания 500о 
По полученным значениям строим график зависимости энтальпии 1м3 продуктов сгорания от температуры (рис. 1)
Графически определяем, что iобщ =3558 кДж/м3 соответствует расчетная температура tрасч.=2150 oC
Действительная температура горения:
где 
– опытный пирометрический коэффициент (
)
 |
2. Расчет теплообмена в рабочем пространстве печи.
2.1 Режим нагрева заготовок.
Расчет нагрева заготовок проводится в предположении:
· симметричного температурного поля в заготовке в зонах с двухсторонним обогревом;
|
|
|
· постоянной температуры газов в сварочной зоне.
2.2 Расчет внешнего теплообмена в рабочем пространстве печи.
Ширина рабочего пространства:
где n – число рядов заготовок
– расстояние между рядами заготовок или между торцами заготовок и боковыми стенками печи, м.
l – длина заготовки, м.
Средняя высота рабочего пространства печи:
в сварочной зоне – hсв = 2 м.
В методической зоне – hмет = 1,5 м.
Площадь пода печи:
где Lсв, Lмет. – соответственно длины сварочной и методической зон., м.
Внутренняя поверхность стен и свода:
Суммарная поверхность кладки и металла, окружающих газовый объем:
Объем заполняемого газом рабочего пространства
Средняя эффективная длина луча:
Парциальное давление газов:
Степень черноты газов 
и 
в сварочной и методической зонах определяем по приложениям 5 и 6.
Температура газов в сварочной зоне:
Средняя температура газов в методической зоне:
температура уходящих газов
Степень черноты продуктов сгорания:
где 
- поправочный коэффициент, определяем по приложению 7.
Угловой коэффициент излучения кладки на металл
Общая степень черноты системы газ-кладка-металл:
в сварочной зоне:
в методической зоне:
Приведенный коэффициент излучения от газов и кладки металла:
2.3 Расчет нагрева металла
Среднемассовая конечная температура заготовки:
где 
– заданный конечный перепад температур в заготовке
Удельный тепловой поток к поверхности металла в конце нагрева 
где 
– коэффициент теплопроводности металла при 
Определяем из рис. 6: 
2S – полная толщина металла, м.
Рис.2 Зависимость 
Рис.3 Зависимость 
Расчетная температура газов в сварочной зоне:
Коэффициент использования химической энергии топлива (КИТ) в сварочной зоне:
где 
– количество тепла, уносимого уходящими газами из сварочной зоны.
где 
– энтальпия продуктов сгорания, соответствующая температуре. 
– количество тепла излучаемого из сварочной зоны в методическую.
– удельный тепловой поток излучения ( = 100 кВт/м2)
|
|
|
– площадь поперечного сечения рабочего пространства на границе сварочной и методической зон.
 |
– общая тепловая мощность печи
– удельный расход тепла (b = 2500 кДж/кг)
G – производительность печи, кг/ч
КИТ в печи:
– количество тепла уносимое уходящими газами из печи
– энтальпия продуктов сгорания, соответствующая 
Изменение теплосодержания металла в печи:
Изменение теплосодержания металла вместе с образовавшейся окалиной:
– угар металла, % ( =2%)
Сок – теплоемкость окалины, Сок = 1 кДж/(кг*К)
m = 1,38
Приращение теплосодержания металла в методической зоне:
Приращение теплосодержания в сварочной зоне:
Нагрев металла в методической зоне
Удельный тепловой поток в начале зоны:
Удельный тепловой поток в конце зоны:
– средняя температура металла в конце методической зоны, соответствующая: 
Из рис.5: ТМ1=400 К
Уравнение для 
решается методом последовательных приближений: полагаем 
Температура поверхности металла в конце зоны:
Переход температур по сечению металла в конце зоны:
Температура оси металла в конце зоны:
Средний тепловой поток в методической зоне:
Время нагрева металла в методической зоне:
Участок сварочной зоны с монолитным подом. Время нагрева металла на этом участке:
– длина монолитного пода ( = 5 м)
Критерий Фурье:
Теплоемкость металла: 
Коэффициент теплопроводности:
Из рис.6 источника 1 
Критерий Био:
Коэффициент теплоотдачи в конце нагрева:
Из приложения 9
Перепад температур в начале участка:
Удельный тепловой поток в начале участка:
Температура поверхности металла при переходе на монолитный под:
Среднемассовая температура металла:
Температура на оси заготовки:
Участок сварочной зоны с двухсторонним обогревом.
Средний тепловой поток на участке:
, соответствующие tМ2 определяем по рис.5
Приращение теплосодержания:
|
|
|
Время нагрева на участке:
Общее время нагрева:
Удельная продолжительность нагрева:
2.4 Расчет основных размеров.
Емкость печи:
Длина активного пода:
Длина методической зоны:
Длина сварочной зоны с монолитным подом:
Длина сварочной зоны с двухсторонним обогревом:
Площадь активного пода:
Площадь полезного пода:
Напряженность активного пода:
Расстояние между опорными трубами составляет 1000 мм. Смотровые и рабочие окна располагаются симметрично с обеих сторон печи.
В сварочной зоне на участке с двухсторонним обогревом располагается 28 смотровых окон;
а на участке с монолитным подом – 14 рабочих окон. Количество окон выбирается в зависимости от расстояния между осями окон, которое принимается для рабочих окон 1250 мм, для смотровых окон – 1700 мм.
Общая площадь окон в сварочной зоне:
в методической зоне располагается 2 смотровых окна. Расстояние между осями 1,8 м.
Общая площадь окон в методической зоне:
Размеры торцевых окон посада и выдачи:
– высота окна, м
3. Тепловой баланс печи:
Приход тепла:
1. Тепло горения топлива:
где В – расход топлива, кг/с
2. Тепло, внесенное подогретым воздухом и топливом (газом):
3. Тепло, выделившееся при окислении железа:
Расход тепла.
1. Полезное тепло на нагрев металла:
2. Потери тепла с уходящими газами:
3. Потери тепла теплопроводностью:
где 
– средняя температура внутренней поверхности кладки, оС
– температура окружающего воздуха, оС
и 
– соответственно толщина огнеупорной кладки и изоляции, м.
и 
– соответственно коэффициенты теплопроводности огнеупорной кладки и изоляции, Вт/м*К
– коэффициенты конвективной теплоотдачи от стенок и окружающего воздуха. (
)
– площадь поверхности кладки, м2.
Потери тепла теплопроводностью определяются как сумма потерь свода и стен сварочной и методической зон:
Средняя температура внутренней поверхности кладки tкл определяется следующим образом:
Безразмерные температуры:
Методическая зона:
Средняя температура поверхности металла6
Средняя температура газов в методической зоне:
Безразмерные температуры:
Тепловые потери через свод в сварочной зоне.
Температура на границе слоев огнеупора и изоляции.
Средняя температура слоя огнеупора:
Средняя температура слоя изоляции:
Коэффициенты теплопроводности динаса:
Коэффициенты теплопроводности изоляции:
Потери тепла теплопроводностью 
|
|
|
где 
Температура на границе слоев огнеупора изоляции:
Правильность принятых средних температур слоев:
Расхождение между принятым значением средних температур и подсчитанным по
формулам допустимо.
Тепловые потери через стены сварочной зоны:
где 
Температура по границе слоев огнеупора и изоляции:
Проверка правильности принятых средних температур слоев:
Расхождение между принятым значением средних температур и подсчитанным по формулам допустимо.
4.Потери тепла через окна печи:
Потери тепла через закрытые окна печи:
в сварочной зоне:
где n – число окон;
– площадь окна, м2;
S – толщина стенки в 1 кирпич, м (S=0,203м)
– коэффициент теплопроводности материала окна при 
в методической зоне:
Потери тепла излучением через открытые окна:
в сварочной зоне:
где 
– коэффициент диафрагмирования (
=0,7)
Окончательно имеем:
5.Потери тепла с окалиной:
6.Потери тепла с охлаждающей водой:
7.Неучтенные потери:
Приравняв приходные и расходные статьи теплового баланса, определяем секундный расход топлива В, кг/с:
Приходные и расходные статьи теплового баланса сводятся в таблицу 2:
Табл.2 Тепловой баланс печи.
| Статья | Приход тепла | Статья | Расход тепла | ||
| кВт | % | кВт | % | ||
| 1. Тепло горения топлива | 
| 80,9 | 1. Полезное тепло на нагрев металла | 
| 45,22 |
| 2. Тепло, внесенное подогретым воздухом и топливом (газом) | 
| 12,7 | 2. Потери тепла с уходящими газами. | 
| 32,08 |
| 3. Тепло, выделившееся при окислении железа. | 
| 6,4 | 3. Потери тепла теплопроводностью через кладку. | 
| 0,28 |
| Итого: | 88367,29 | 100 | 4. Потери тепла через окна печи. | 
| 2,07 |
|
| 5. Потери тепла с окалиной. | 
| 1,88 | ||
| 6. Потери тепла с охлаждающей водой. | 
| 9,38 | |||
| 7. Неучтенные потери. | 
| 9,09 | |||
| Итого: | 88433,425 | 100 | |||
Основные теплотехнические показатели работы печи.
Коэффициент использования химической энергии топлива 
, показывающий, какая доля химической энергии топлива остается в рабочем пространстве печи:
Общая тепловая мощность Мобщ печи:
Общая тепловая мощность складывается из полезной мощности Мпол и мощности холостого хода Мхх:
– количество тепла, выделенного при сжигании топлива, усвоенное металлом в печи, кВт.
– тепло, усвоенное металлом от окисления железа, кВт
Мощность холостого хода:
Удельный расход тепла:
Удельный расход условного топлива:
Коэффициент полезного действия печи:
Аэродинамический расчет.
5.1 Расчет дымового тракта.
При расчете дымового тракта потери давления на преодоление сопротивления трения газов о стенки рабочего пространства печи не учитываются.
1. Потери давления в вертикальных каналах.
Приведенная скорость дымовых газов при выходе из печи:
где m – коэффициент, учитывающий потери дыма на выбивании.
Приведенная скорость в вертикальных каналах принимается:
Сечение одного канала:
n – количество каналов
где 
= 1,8м
= 1,8м
Эквивалентный диаметр канала:
Высота канала: 
Потери на трение в вертикальном канале:
где 
– коэффициент трения 
– коэффициент объемного расширения газа, 
Местные потери давления при входе газового потока в вертикальные каналы:
где 
– коэффициент местного сопротивления. Из приложения 11: 
=0,47
Потери на преодоление геометрического напора:
2. Потери давления в борове.
Приведенная скорость дымовых газов: 
Сечение борова:
выбирая ширину борова больше ширины вертикальных каналов 
,
определяем второй размер:
Эквивалентный диаметр борова:
Принимаем длину борова 
от вертикальных каналов до трубы 20 м, в том числе до рекуператора 10 м, 
Температура перед рекуператором:
Средняя температура на участке:
Температура перед трубой:
Средняя температура на участке:
потери давления на преодоление трения:
Местные потери давления при двух поворотах на 
на пути от вертикальных каналов до рекуператора:
, где - коэффициент местного сопротивления
Потери давления в рекуператоре: 
Местные потери давления при повороте на 
на входе в дымовую трубу:
Общие потери при движении продуктов горения из рабочего пространства печи к основанию дымовой трубы:
5.2 Расчет дымовой трубы.
Действительное разряжение, создаваемое трубой:
По приложению 12 определяем высоту трубы: Н=35м
Температура в устье трубы:
Средняя температура газов в трубе:
Приведенную скорость газов в устье дымовой трубы принимаем: 
Диаметр в устье:
Диаметр трубы у основания:
Средний диаметр трубы:
Приведенная скорость дымовых газов у основания трубы:
Высота дымовой трубы:
.
– барометрическое давление, минимальное для данной местности, кПа (99 кПа)
– нормальное атмосферное давление (101,32 кПа);
6.Расчет топливосжигающих устройств.
Расстояние между осями топливосжигающих устройств принимается 1 м.
Производительность одной горелки:
где n – количество горелок;
Расчет диффузионных горелок низкого давления.
Принимаем скорости выхода из горелок (приведенные к нормальным условиям): газа 
воздуха 
Площадь сечения для прохода газа:
Диаметр газового сопла:
Площадь сечения для прохода воздуха:
Диаметр воздушного сопл
|
|
|
