Расчет параметров внешнего теплообмена.

Санкт-Петербургский государственный

Политехнический университет

 

 

Факультет технологии и исследования материалов

Кафедра «Пластическая обработка металлов»

 

Пояснительная записка

 

К курсовому проекту

 

На тему: «Тепловой расчёт и конструирование печи»

 

 

Проект выполнил Иванов А.В.

Группа 3065/1 Руководитель Александров А.Э

 

Санкт-Петербург

Введение

В данном курсовом проекте производится тепловой расчет и конструирование печи. Нагрев металла является одной из важнейших стадий производственного процесса, влияющей на производительность, качество и себестоимость продукции.

В машиностроении для нагрева металлических заготовок под прессование, штамповку и термическую обработку используют печи различных конструкций, которые могут быть объединены общим признаком. В большинстве случаев – это камерные печи садочного типа. В таких печах нагрев заготовок производят отдельными садками, с последующим их охлаждением. Широкое применение этих печей объясняется их универсальностью, позволяющей обрабатывать по разным режимам разнообразные по форме и размерам заготовки.

Для того чтобы грамотно выбрать и использовать печь, необходимо ознакомиться с основами её тепловой работы, т.е. совокупности всех процессов, протекающих в печи и определяющих основной процесс – нагрев металла. Сущность тепловой работы нагревательных и термических печей садочного типа определяется сочетанием процессов тепловыделения, теплообмена и теплоусвоения, которые протекают в рабочем пространстве печи. Поэтому задачи расчета таких печей сводят к выявлению условий протекания указанных процессов, которые обеспечат заданный режим нагрева и заданную производительность печи.

1. Расчет горения топлива.

Согласно заданию печь должна отапливаться смесью природного и коксового газов (теплота сгорания: 22500 кДж/м³, влажность 25г/м³). Состав природного (П) и коксового (Д) газов приведен в таблице 1.

Таблица 1

Газ	СО2	СО	Н2	N2	СН4	С2Н4	О2	Н2S
П	0,3	0,6	2,0	3,0	93,0	0,4	0,5	0,2
К	2,8	5,4	50,8	11,4	26,5	1,7	1,0	-

Пересчитаем состав сухого газа на рабочий по формулам:

 

k = (100-Н₂О)/(100-(Н₂О)_Т),

Н₂О = 100*W/(W+803,6)

где (Н₂О)_Т - содержание влаги в топливе по справочным данным, %;

Н₂О – заданное содержание влаги в топливе, %; W - содержание водяных паров в топливе, г/м³.

Н₂О = 100*25/(25+803,6) = 3,02%

K_ПГ =(100-3,02)/100 = 0,967

 

Рабочий состав газов равен:

Природный газ

СО₂^Р = 0,3*0,967 = 0,29% и т.д.

Коксовый газ

СО ₂^Р = 2,8*0,967 = 2,71% и т.д.

Рабочие составы (%) природного и коксового газов приведены в таблице 2.

Таблица 2

Газ	СО2Р	СОР	Н2Р	N2Р	CH4Р	C2H4Р	O2Р	H2SР	H2OР	Сумма
П	0,29	0,58	1,93	2,96	89,93	0,39	0,48	0,19	3,02
К	2,71	5,22	49,12	11,02	25,63	1,64	0,97	-	3,02

 

Теплоту сгорания каждого газа вычисляем по формуле:

Q_H^P = 0,127*CO^P +0,108*H₂^P +0,234*H₂S^P +0,357*CH₄^P +0,596*C₂H₄^P

Q_{H ПГ}^Р = 0,127*0,58+0,108*1,93+0,234*0,19+0,357*89,93+0,596*0,39 =

= 32,663 МДж/м³

Q_{H КГ}^Р = 0,127*5,22+0,108*49,12+0,357*25,63+0,596*1,64 = 16,095 МДж/м³

 

Определим состав смеси.

Доля природного газа в смеси:

X = (Q_СМ- Q_{H КГ}^Р)/(Q_{H ПГ}^Р - Q_{H КГ}^Р) = (22,5-16,095)/(32,663-16,095) =0,387

Доля коксового газа: 1-X = 1- 0,266= 0,734.

 

Рабочий состав смешанного газа определяется по формуле:

(СО ₂)_СМ = Х*(СО ₂)_ПГ + (1-Х)*(СО ₂)_КГ и т.д.

СО₂^Р _СМ=0,29*0,387+2,71*0,734=2,07%…

Рабочий состав (%) смешанного газа приведен в таблице 3.

Таблица 3

СО2РСМ	СОРСМ	Н2РСМ	N2РСМ	СН4РСМ	С2Н4РСМ	О2РСМ	Н2SРСМ	Н2ОРСМ	Сумма
2,07	3,99	36,57	8,87	42,73	1,3	0,84	0,05	3,02

Теоретически необходимое количество воздуха (м³) определяем по формуле:

 

L₀ = 0,0476*(0,5CO^P +0,5H₂^P +2CH₄^P +3C₂H₄^P +1,5H₂S^P -O₂^P)(1+0,00124d_В),

 

где d_В - влагосодержание сухого воздуха, г/м³, равное 10г/м³.

L₀ = 0,0476*(0,5*3,99+0,5*36,57+2*42,73+3*1,3+1,5*0,05-

-0,84)*(1+0.00124*10)= 5,295 м³.

Действительное количество воздуха при a = 1,1(газообразное топливо) вычисляется по формуле:

 

L_Д = a*L₀ = 1,1*5,295 = 5,834 м³.

 

Количество продуктов сгорания (м³) рассчитываем по формулам:

 

V_CO2 = 0,01*(CO₂^P+CO^P+CH₄^P+2C₂H₄^P)

V_CO2 = 0,01*(2,07+3,99+42,73+2*1,3) = 0,514 м³

 

V_N2 = 0,01*(N₂ +79*L_Д)

V_N2 = 0,01*(8,87+79*5,834) = 4,70 м³

 

V_H2O = 0,01*(2CH₄^P +2C₂H₄^P +H₂^P + H₂O^P +H₂S^P + 0.124L_D*d_В)

V_H2O = 0,01*(2*56,4+2*0,24+2,4+2,4+0,12+0,124*6,34*10)=1,35м³

V_O2 = 0,21*(a-1)*L₀ = 0,21*(1,1-1)* 5,295 = 0,11 м³

V_SO2 = 0,01*H₂S^P =0,01*0,05 = 0,0005 м³

Общее количество продуктов сгорания равно:

V_D = V_SO2 +V_O2 +V_N2 +V_H2O +V_CO2 = 0,0005 +0,11+4,70+1,35+0,514 = 6,675м³

 

Рассчитаем состав продуктов сгорания смешанного газа по формулам:

Х = 100*V_X/V_D

CO₂ = 0,514*100/6,675 = 7,7%

H₂O = 1,35*100/6,675 = 20,2%

SO₂ = 0,0005*100/6,675 = 0,007%

N₂ = 4,70*100/6,675 = 70,4%

O₂ = 0,11*100/6,675 = 1,6%

 

 

Плотность продуктов сгорания вычисляем по формуле:

r_Д = (0,44*CO₂+0,18*H₂O+0,28*N₂+0,32*O₂+0,64*SO₂)/22,4 = =(0,44*7,7+0,18*20,2+0,28*70,4+0,32*1,6+0,64*0,007)/22,4 = 1,22кг/м³

 

Расчет параметров внешнего теплообмена.

Согласно заданию садка печи состоит из двух слитков диаметром D= 820 мм и длиной l = 1450 мм.

Расположим слитки в ряд по ширине пода(рис. 2.1).

 

 

Рис. 2.1. Расположение слитков в печи

 

На поверхность нагреваемого в печи материала теплота передаётся за счёт излучения и конвекции:

где q _конв и q_изл – тепловые потоки, переданные соответственно конвекцией и излучением. Следует иметь ввиду, что доля теплоты, передаваемой конвекцией в печах с рабочей температурой более 700°С, не превышает 15…20% и падает с увеличением температуры. Существующие методики расчёта конвективного теплообмена дают относительную погрешность около 20…30%, поэтому в дальнейшем будем считать, что конвективный тепловой поток составляет 10% от лучистого теплового потока: qконв=0.1 qизл. Тогда общий поток теплоты, передаваемый на поверхность металла: qм=1.1 qизл. Теловой поток

излучением на поверхность нагреваемого материала может быть вычислен по формуле:

 

где qизл - тепловой поток излучением; Тср, Тпов – температуры среды и поверхности нагреваемого материала, К; Спр – приведённый коэффициент излучения, В/м²К⁴.

При расчёте теплового потока на поверхность садки в качестве источника излучения может быть выбрана печь, газ или кладка. В реальных условиях режим нагрева контролируется по показаниям печной термопары. Температура, фиксируемая горячим спаем такой термопары, даёт промежуточное значение между температурой газа (наиболее высокой температурой печи), кладки и металла. Принято считать, что на поверхность печной термопары и металла передаются равные тепловые потоки, поэтому вдальнейшем при его определении принимаем в

качестве источника излучения печь. Тогда с учётом конвекции тепловой поток на металл:

где Спм – приведённый коэффициент излучения в системе печь – металл, В/м²К⁴; Тпч – температура печи, К.

Исходя из того что тепловой поток излучением на металл одинаков независимо от того, что мы выбираем в качестве источника излучения, то qм, можно определить температуру газов и кладки из выражений:

 

Тогда длина рабочего пространства

L = 0,5*2+2*1,45+0,1 = 4 м; ширина В = 0,82+1=1,82 м.

В камерных печах рабочее пространство перекрывают арочным сводом с центральным углом j = 60⁰. При таком центральном угле свода R=B, а высота боковой стены

h = R*cos(j/2) = 1,82*cos30⁰ = 1,576 м.

Средняя высота печи

h_СР = (h+H)/2 = (1,576+1,82)/2 = 1,698 м.

Определим геометрические параметры излучения. Поверхность кладки

F_КЛ = F_{ТОРЦ СТЕН} +F_{БОК.СТЕН} +F_СВОДА +F_ПОДА = 2Вh_СР + 2Lh+ pRjL/180+LB = =2*1,82*1,698+2*4*1,576+3,14*1,82*60*4/180+4*1,82 = 33,69 м²

Излучающую поверхность металла определим по формуле

F_М = n*(2πr*(l+r)), где n - число слитков; r и l – диаметр и длина слитка;

F_М = 2*(2*3,14*0,41*(1,45+0,41)) = 9,58 м².

Объем рабочего пространства печи

V_ПЧ = BLh_CP = 1,82*4*1,698= 12,36 м³.

Объем металла

V_М = n*π*r²*l = 2*3,14*0,41²*1,45 = 1,53 м³.

Эффективную длину луча определим согласно формуле:

 

S_ЭФ = 3,5*(V_ПЧ - V_М)/(F_М +F_КЛ) = 3,5*(12,36-1,53)/(9,58+33,69) = 0,876 м.

 

Угловые коэффициенты

j_КМ = j_ММ = F_М/(F_М +F_КЛ) = 9,58/(9,58+33,69) = 0,22

j_МК = 1 - j_ММ = 1-0,22 = 0,78

 

Приведенный коэффициент С_ПМ при степени черноты окисленной стали, равной e_М = 0,8 согласно формуле равен:

С_ПМ = 5,67*e_М*j_МК/(1-j_ММ*(1-e_М))

С_ПМ = 5,67*0,8*0,78/(1-0,22*(1-0,8)) = 3,70 Вт/м²К⁴

 

Так как в продуктах сгорания содержится 7,7% СО₂ и 20,2% Н₂О, парциальное давление углекислого газа р_СО2 = 0,077*0,0981 = 0,0076 МПа, а паров воды р_Н2О=0,202*0,0981= 0,0198 МПа.

Определим степень черноты газов при трех значениях температур:

t_Г1 = t_ПК = 1220˚С, t_Г2 = 1320˚С, t_Г3 = 1420˚С.

Коэффициент ослабления можно найти по формуле:

 

K = .

Для T_Г1 = 1220+273 = 1493 К:

K = = 0,99

 

Для T_Г2 = 1320+273 = 1593 К:

K = = 0,90

 

Для T_Г3 = 1420 + 273 = 1693 К:

K = = 0,81

 

 

Степень черноты газов находим по формуле:

e_Г = 1-exp(-10КрS_ЭФ).

Для T_Г1 = 1493К:

e_Г = 1-exp(-10*0,99*0,0274*0,876) = 0,211

Для T_Г2 = 1593К:

e_Г = 1-exp(-10*0,90*0,0274*0,876) = 0,194

Для T_Г3 = 1693К:

e_Г = 1-exp(-10*0,81*0,0274*0,876) = 0,177

 

Приведенный коэффициент излучения в системе газ - металл - по формуле:

С_ГМ = 5,67*e_М *e_Г / (e_Г + j_КМ (1 - e_Г))

Для T_Г1 = 1493К:

С_ГМ = 5,67*0,8*0,211/(0,211+0,22*(1-0,211)) = 2,49 Вт/м²К⁴

Для T_Г2 = 1593К:

С_ГМ = 5,67*0,8*0,194/(0,194+0,22*(1-0,194)) = 2,28Вт/м²К⁴

Для T_Г3 = 1693К:

С_ГМ = 5,67*0,8*0,177/(0,177+0,22*(1-0,177)) = 2,24 Вт/м²К⁴

 

Приведенный коэффициент излучения в системе кладка - металл - по формуле:

С_КМ = .

Для T_Г1 = 1493К:

С_КМ = = 5,31Вт/м²К⁴

Для T_Г2 = 1593К:

С_КМ = = 5,33 Вт/м²К⁴

Для T_Г3 = 1693К:

 

С_КМ = = 5,34 Вт/м²К⁴

 

 

В таблице 4 приведены результаты расчета для трех различных температур.

Таблица 4

Т, К	eГ	СГМ Вт/м2К4	СКМ Вт/м2К4	СПМ Вт/м2К4
	0,211	2,49	5,31	3,70
	0,194	2,28	5,33
	0,177	2,24	5,34

 

1234Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: