Главная | Обратная связь
МегаЛекции

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%

KПГ =(100-3,02)/100 = 0,967

 

Рабочий состав газов равен:

Природный газ

СО2Р = 0,3*0,967 = 0,29% и т.д.

Коксовый газ

СО 2Р = 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:

QHP = 0,127*COP +0,108*H2P +0,234*H2SP +0,357*CH4P +0,596*C2H4P

QH ПГР = 0,127*0,58+0,108*1,93+0,234*0,19+0,357*89,93+0,596*0,39 =

= 32,663 МДж/м3

QH КГР = 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 = (QСМ- QH КГР)/(QH ПГР - QH КГР) = (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:

(СО2)СМ = Х*(СО2)ПГ + (1-Х)*(СО2)КГ и т.д.

СО2Р 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*(0,5COP +0,5H2P +2CH4P +3C2H4P +1,5H2SP -O2P)(1+0,00124dВ),

 

где dВ - 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:

 

LД = a*L0 = 1,1*5,295 = 5,834 м3.

 

Количество продуктов сгорания (м3) рассчитываем по формулам:

 

VCO2 = 0,01*(CO2P+COP+CH4P+2C2H4P)

VCO2 = 0,01*(2,07+3,99+42,73+2*1,3) = 0,514 м3

 

VN2 = 0,01*(N2 +79*LД)

VN2 = 0,01*(8,87+79*5,834) = 4,70 м3

 

VH2O = 0,01*(2CH4P +2C2H4P +H2P + H2OP +H2SP + 0.124LD*dВ)

VH2O = 0,01*(2*56,4+2*0,24+2,4+2,4+0,12+0,124*6,34*10)=1,35м3

VO2 = 0,21*(a-1)*L0 = 0,21*(1,1-1)* 5,295 = 0,11 м3

VSO2 = 0,01*H2SP =0,01*0,05 = 0,0005 м3

Общее количество продуктов сгорания равно:

VD = VSO2 +VO2 +VN2 +VH2O +VCO2 = 0,0005 +0,11+4,70+1,35+0,514 = 6,675м3

 

Рассчитаем состав продуктов сгорания смешанного газа по формулам:

Х = 100*VX/VD

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:

rД = (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 qизл – 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

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

Определим геометрические параметры излучения. Поверхность кладки

FКЛ = FТОРЦ СТЕН +FБОК.СТЕН +FСВОДА +FПОДА = 2ВhСР + 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

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

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

Объем рабочего пространства печи

VПЧ = BLhCP = 1,82*4*1,698= 12,36 м3.

Объем металла

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

Эффективную длину луча определим согласно формуле:

 

SЭФ = 3,5*(VПЧ - VМ)/(FМ +FКЛ) = 3,5*(12,36-1,53)/(9,58+33,69) = 0,876 м.

 

Угловые коэффициенты

jКМ = jММ = FМ/(FМ +FКЛ) = 9,58/(9,58+33,69) = 0,22

jМК = 1 - jММ = 1-0,22 = 0,78

 

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

СПМ = 5,67*eМ*jМК/(1-jММ*(1-eМ))

СПМ = 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 рСО2 = 0,077*0,0981 = 0,0076 МПа, а паров воды рН2О=0,202*0,0981= 0,0198 МПа.

Определим степень черноты газов при трех значениях температур:

tГ1 = tПК = 1220˚С, tГ2 = 1320˚С, tГ3 = 1420˚С.

Коэффициент ослабления можно найти по формуле:

 

K = .

Для TГ1 = 1220+273 = 1493 К:

K = = 0,99

 

Для TГ2 = 1320+273 = 1593 К:

K = = 0,90

 

Для TГ3 = 1420 + 273 = 1693 К:

K = = 0,81

 

 

Степень черноты газов находим по формуле:

eГ = 1-exp(-10КрSЭФ).

Для TГ1 = 1493К:

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

Для TГ2 = 1593К:

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

Для TГ3 = 1693К:

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

 

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

СГМ = 5,67*eМ *eГ / (eГ + jКМ (1 - eГ))

Для TГ1 = 1493К:

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

Для TГ2 = 1593К:

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

Для TГ3 = 1693К:

СГМ = 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:

СКМ = .

Для TГ1 = 1493К:

СКМ = = 5,31Вт/м2К4

Для TГ2 = 1593К:

СКМ = = 5,33 Вт/м2К4

Для TГ3 = 1693К:

 

СКМ = = 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

 





Рекомендуемые страницы:

Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015- 2021 megalektsii.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.