Конструкторская разработка копильника расплава

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МОСКВОВСКИЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ, ЭКОЛОГИИ И КАЧЕСТВА

Кафедра теплофизики и экологии металлургического производства

Пояснительная записка

к курсовой работе по курсу: Теплотехника

на тему: ”Конструкторская разработка копильника расплава”.

Студент: Бовыкин А.

Руководитель: Сборщиков Г.С.

Москва 2008

Содержание

1. Задание

2. Конструирование ограждений печи

2.1 Расчет вертикальной стены над уровнем расплава

2.2 Расчет вертикальной стены под уровнем расплава

2.3 Расчет свода

2.4 Расчет подины

3. Расчет процесса сжигания топлива

4. Расчет теплового баланса

5. Расчет сожигательного устройства

6. Заключение

7. Список литературы

1. Задание

Копильник расплава заданного состава имеет площадь сечения AB и высоту в свету H. Высота уровня расплава h.

Для поддержания заданного уровня температуры расплава в рабочем пространстве копильника сжигается органическое топливо заданного состава.

Режим работы копильника - непрерывный.

Расчетная часть.

1.       Разработать конструкцию ограждений печи.

2.       Рассчитать процесс сжигания топлива при заданных температурных условиях печи.

.        Выбрать и рассчитать сожигательные устройства.

Графическая часть.

.        Чертеж узла установки горелочного устройства на печи.

2.       Чертеж узла стыковки свода печи со стеной.

.        Чертеж элемента подины печи.

.        Чертеж элемента кладки вертикальной стены.

Ширина копильника А = 7169 мм

Длина копильника В = 21675 мм

Высота копильника Н = 2960 мм

Высота уровня расплава h = 952 мм

Свод печи - распорно-подвесной

Температура продуктов сгорания = 1533

Температура отходящих газов = 1284

Температура расплава на поверхности - = 1131

Основность расплава О = 3,4

Падение температуры расплава по глубине =105 град. /м

Температура наружной стенки под уровнем расплава t_ст.1= 70

Температура наружной стенки над уровнем расплава t_ст.2 = 90

Температура наружной поверхности свода t_св. = 250

Температура наружной поверхности подины t_под. = 110

Температура окружающей среды t_{о. с.} = 20

Газообразное топливо состава:

копильник расплав печь топливо

2. Конструирование ограждений печи

2.1 Расчет вертикальной стены над уровнем расплава

Так как длина копильника 21675 мм, то для того, чтобы обеспечить прогрев всего пространства печи, необходимо установить горелки типа "труба в трубе", для которых значение коэффициента расхода воздуха равно n=1,15.

В этом случае газовая среда внутри копильника является кислой. Исходя из этого и того, что рабочий слой в этой зоне имеет температуру внутренней поверхности  и работает без теплосмен, определяем его материал.

По таблице 3.7 [1] выбираем динасовый огнеупор и по прил.13 [1] определяем его рабочие свойства: температуру начала деформации под нагрузкой , коэффициент теплопроводности  и предельную рабочую температуру

По таблице 3.14 [1] выбираю толщину рабочего слоя: .

H-h=2960 - 952=2008 мм=2.008 м.

Определяем температуру наружной поверхности рабочего слоя Т₁ огнеупора, приняв температуру внутренней поверхности

Для определения  задаем приближенное значение

;

Тогда

Определяем уточненное значение

Сопоставляем расчетное значение  с принятым значением :

Окончательно принимаем:

,

Приступаем к конструированию теплоизоляции ограждения, принимая предварительное решение выполнить ее двухслойной, предусмотрев в качестве материала второго слоя огнеупор-легковес и третьего слоя - теплоизоляционный материал.

По приложению 14 [1] с учетом таблицы 3.10 [1], принимаем к установке во втором слое шамотный легковес ШКЛ-1,0 со следующими рабочими свойствами:

Принимаем температуру на внешней границе второго слоя : ; толщина второго слоя δ₂ легковеса:

Так как полученная величина 0,356 не кратна значению 0,345, то выбираем толщину второго слоя: .

Уточняем температуру на внешней границе второго слоя:

Окончательно получаем:

,

В качестве теплоизоляционного материала для третьего слоя по приложению 14 [1] выбираем шамотный ультралегковес ШЛ-0,4 со следующими рабочими свойствами:

,

Определяем толщину третьего слоя

Принимаем толщину третьего слоя  и находим температуру на его наружной поверхности:

Так как относительная погрешность расчета больше допустимой (5%), то проводим новую итерацию:

Так как относительная погрешность расчета больше допустимой (5%), то проводим новую итерацию:

Так как относительная погрешность расчета больше допустимой (5%), то проводим новую итерацию:

Окончательно принимаем:

Для обеспечения заданной температуры наружной поверхности стен  необходимо выложить четвертый слой ограждения. По приложению 15 [1] воспользуемся асбузурит мастичный со следующими рабочими свойствами:

,

По формуле определяем толщину четвертого слоя:

Проверяем правильность расчета, определяя значение плотности теплового потока, переносимого через сконструированную многослойную стенку в окружающую среду:

;

Проверяем степень расхождения с принятым в расчетах значением q:

Суммарная толщина вертикальной стены над уровнем расплава:

2.2 Расчет вертикальной стены под уровнем расплава

Определяем материал и толщину рабочего слоя ограждения с учетом заданной основности расплава О = 3,4. Согласно табл.3.8 [1] расплав является ультраосновным. Температура внутренней поверхности рабочего слоя равна температуре расплава , высота стены 2,96 м. По данным табл.3.7 [1] выбираем из табл.8.3 [2] хромитопериклазовый огнеупор со следующими рабочими свойствами:

Толщина рабочего слоя  по данным табл.3.14 [1] равна 0,345м.

По табл.3.14 [1] определяем плотность теплового потока от наружной поверхности нижней части стен в окружающую среду при t_cт1=70ºС: . Определяем температуру наружной поверхности рабочего слоя.

Задаемся приближенным значением . Тогда

Сопоставляем расчетное значение  с принятым значением :

Так как относительная погрешность расчета больше допустимой (5%), то проводим новую итерацию, положив :

Сопоставляем расчетное значение  с принятым значением :

Окончательно принимаем:

,

Перед выбором материала второго слоя, учитываем, что суммарная толщина нижней части стены не может быть меньше суммарной толщины ее верхней части.

По табл.3.10 [1] и приложению 14 [1] устанавливаем шамотный легковес ШКЛ-1,3 со следующими рабочими свойствами:

Принимаем толщину второго слоя  и определяем температуру его наружной поверхности.

Задаем приближенное значение температуры  и определяем соответствующее ей значение коэффициента теплопроводности

Уточняем значение Т₂:

=

Относительная погрешность расчета:

Так как относительная погрешность расчета больше допустимой погрешности (5%), то проводим новую итерацию:

Относительная погрешность расчета:

Окончательно принимаем:

, ,

В качестве материала третьего слоя по приложению 13 [1] принимаем к установке ШТЛ-0.6 со следующими свойствами:

;

Определяем толщину слоя:

Уточняем значение:

Относительная погрешность расчета:

Так как относительная погрешность расчета больше допустимой погрешности (5%), то проводим новую итерацию:

Относительная погрешность расчета:

Окончательно принимаем:

В качестве материала четвертого слоя по приложению 15 [1] принимаем к установке асбузурит мастичный со следующими свойствами:

;

Проверка:

Проверяем степень расхождения с принятым в расчетах значением q:

Суммарная толщина вертикальной стены под уровнем расплава:

2.3 Расчет свода

Так как свод копильника - распорно-подвесной и внутренняя поверхность рабочего слоя свода контактирует с кислой (n = 1,15) газовой средой, по приложению 13 [1] и табл.3.7 [1] целесообразно выбрать хромитопериклазохромитовый огнеупор с температурой начала деформации под нагрузкой , коэффициентом теплопроводности , и предельной рабочей температурой .

Из конструкционных соображений принимаем . По табл. 3.13 [1] определяем плотность теплового потока от наружной поверхности свода в окружающую среду при :

Находим температуру наружной поверхности рабочего слоя Т_1,Тогда

Определяем уточненное значение

Так как относительная погрешность расчета больше допустимой (5%), то проводим новую итерацию, положив :

Сопоставляем последующее приближение с предыдущим:

Окончательно принимаем:

,

По таблице 9.2 [2] выбираю в качестве теплоизоляционного слоя асбузурит мастичный со следующими рабочими свойствами:

=900ºС,

Определяем толщину слоя теплоизоляции:

Проверяем правильность расчета, определяя значение плотности теплового потока, переносимого через сконструированный двухслойный свод в окружающую среду:

;

Проверяем степень расхождения с принятым в расчетах значением q:

Суммарная толщина свода:

2.4 Расчет подины

Внутренняя поверхность рабочего слоя подины копильника контактирует с основным расплавом. При высоте расплава 0,952 м и падении его температуры по глубине 105 град. /м находим температуру расплава на поверхности рабочего слоя подины:

По табл.8.3 [2] и табл.3.7 [1] выбираем в качестве рабочего хромитопериклазовый огнеупор со следующими свойствами:

Толщину рабочего слоя  принимаем равной 0,23 м.

Поскольку =110 ºС, по таблице 3.13. [1] определяем плотность теплового потока от наружной поверхности подины к слою огнеупорного бетона фундамента:  Вт/м²

Определяем температуру наружной поверхности рабочего слоя , приняв =

Определяем уточненное значение :

Сопоставляем расчетное значение  с принятым значением :

Окончательно принимаем:

Для обеспечения механической прочности и герметичности подины в качестве материала второго слоя по приложению 13 [1] выбираем шамотный огнеупор ШВ со следующими рабочими свойствами:

=1250…1400 ºС

Принимаем толщину слоя шамота =0,325 м (5 кирпичей на плашку) и определяем температуру наружной поверхности слоя шамота Т₂. Для этого задаем  и определяем значение :

Уточняем значение Т₂:

Сопоставляем расчетное значение  с принятым значением :

Окончательно принимаем:

Для обеспечения заданной температуры наружной поверхности подины t_под=110ºС между наружной поверхностью второго слоя подины и поверхностью огнеупорного бетона фундамента необходимо положить дополнительный теплоизоляционный слой. Для этого по приложению 15 [1] принимаем диатомитовую обожженную крошку в засыпке со следующими рабочими свойствами:

= 900 ºС,

Определяем толщину слоя теплоизоляции:

Проверяем правильность расчета, определяя значение плотности теплового потока, переносимого через сконструированную многослойную подину:

;

Проверяем степень расхождения с принятым в расчетах значением q:

Суммарная толщина подины:

3. Расчет процесса сжигания топлива

Минимальное (теоретическое) количество воздуха, необходимое для полного сжигания одного кубометра газообразного топлива (при ):

Определяем объем продуктов сгорания:

Так как сжигание газообразного топлива ведется в горелке без предварительного смешения с  (по табл.2.1 [1]), определяем действительный расход воздуха и объем продуктов сгорания:

Определяем действительный объем продуктов сгорания:

Выполняем проверку:

Рассчитываем низшую теплоту сгорания газообразного топлива заданного состава:

Определяем удельную энтальпию продуктов сгорания при n =1,15 и отсутствии предварительного подогрева топлива и воздуха:

Рассчитываем калориметрическую температуру горения, соответствующую заданной по условию действительной температуре горения = 1533, принимая эмпирический пирометрический коэффициент равным 0,82:

.

По приложению 8 [1] определяем удельную энтальпию компонентов продуктов сгорания при :

Для принятия решения подогревать воздух или нет, сопоставляем полученное значение удельной энтальпии продуктов сгорания при калориметрической температуре  с полученным ранее значением :

Следовательно, для достижения заданной температуры продуктов сгорания сжигания топлива принимаем решение о вводе в зону горения необходимого количества тепла путем подогрева воздуха до температуры Т, при которой удельная энтальпия воздуха:

По приложению 8 методом интерполяции находим температуру воздуха, соответствующую этому значению

.

4. Расчет теплового баланса

Для нашего случая потери тепла в окружающую среду состоят из потерь тепла через ограждения печи и с отходящими газами. Определяем потери тепла через ограждения копильника:

Площадь вертикальных стен над уровнем расплава:

м²

Площадь вертикальных стен под уровнем расплава:

м²

Площадь подины:

 м²

Площадь распорного свода:

 м²

Потери тепла через ограждения стенки в окружающую среду:

 Вт

1228,98 кВт

По приложению 8 [1] определяем удельную энтальпию компонентов продуктов сгорания при температуре отходящих газов = 1284:

=

2968,32 кДж/м³ 1862,46 кДж/м³ =2294,53 кДж/м³

=1939,92кДж/м³

Действительный объем продуктов сгорания:

=0,337 м³/ м³

=1,46м³/ м³ =0,1665 м³/ м³ 0,0324 м³/ м³

==

=2064,43 кДж/м³ .

Тепловой баланс: тепло, вносимое подогревом воздуха и самим топливом:

 кВт

Тепло, уносимое через ограждения стенки и отходящими газами:

5. Расчет сожигательного устройства

Перед началом расчета необходимо задать следующие параметры:

плотность воздуха при н. у. ;

температура газа и воздуха на входе в горелку: ;

избыточное давление газа перед горелкой: ;

избыточное давление воздуха на входе в горелку: ;

коэффициент гидравлического сопротивления газового канала горелки (для горелок типа "труба в трубе”): ;

коэффициент гидравлического сопротивления воздушного канала горелки (для горелок типа "труба в трубе”): ;

Плотность газа при н. у. находим из следующих выражений:

Так как ширина печи 7169 мм, принимаем решение установить 3 диффузионные горелки типа "труба в трубе”.

Находим расход топлива на одну горелку м³/с.

Определяем расход воздуха при нормальных условиях: м³/с.

Определяем приведенные к нормальным условиям скорости истечения газа и воздуха в выходном сечении:

 м/с

Рассчитываем площади выходных сечений газового и воздушного каналов:

,

Определяем диаметр выходного сечения газового канала:

Принимая по табл. 2.2 [1] скорость газа определяем внутренний диаметр газового канала:

Определяем наружный диаметр газового канала внутри горелки (при толщине стенки ):

Определяем диаметр воздушного канала:

Принимая по табл.2.2 [1] приведенную к нормальным условиям скорость газовоздушной смеси в носике горелки , определяем площадь сечения носика горелки:

Определяем диаметр носика горелки:

Объемная доля воздуха в смеси на выходе из носика горелки:

Удельная энтальпия воздуха при Т_в=682,09⁰С:

Удельная энтальпия смеси:

Удельная энтальпия смеси при Т =600⁰С.

Удельная энтальпия смеси при Т =682,09⁰С.

Определяем температуру:

Находим действительную скорость смеси на выходе из носика горелки:

Определяем длину факела (при К=1,5 для природного газа):

Определяем максимальный диаметр факела:

С учетом теплоты сгорания природного газа  и рассчитанных диаметров носика горелки  и газового сопла  по приложению 9 [1] выбираем горелку ДВС-130/51.

6. Заключение

Результат расчета ограждений:

Рабочий  Динасовый огнеупор перепад температур

- 1380,23 ^оСХромитопериклазо

вый огнепор

 перепад температур

- 996,15^оСХромитопериклазовый

огнеупор

перепад температур

- 786,42 ^оСХромитопериклазовый огнеупор

 перепад температур

Второй    Шамотный легковес ШКЛ-1,3 перепад температур

,23 - 907,28 ^оСШамотный легковес ШЛ-1,3

перепад температур

,15 - 687,94^оСАсбузурит мастичный

перепад температур

,42 - 250^оСШамотный огнеупор ШВ

(ГОСТ 390-83)

перепад температур

Третий     Шамотный ультралегковес ШЛ-0,4 перепад температур

,28 ^- 152,63^оСШамотный легковес ШТЛ-0,6

перепад температур

,94 - 244,93^оС

Диатомитовая засыпка

 перепад температур

Четвертый              Асбузурит мастичный  перепад температур

,63 - 90^оСАсбузурит мастичный