Расчёт секционной печи для нагрева труб

Национальный Исследовательский Технологический Университет

МИСиС

Кафедра ТЭМП

Курсовая работа по курсу:

"Теплотехника"

Тема:

"Расчёт секционной печи для нагрева труб"

выполнила студентка

группы Т6-09-2

Мелентьева Л.

Москва 2012

Содержание

 

1. Описание секционной печи

1.1 Общие характеристики секционных печей

1.2 Особенности теплопередачи

1.3 Особенности расчета нагрева металла

2. Расчёты

2.1 Расчёт теплообмена в рабочем пространстве печи

2.2 Расчёт нагрева труб в секции

2.3 Расчёт горения топлива

2.4 Тепловой баланс печи

2.5 Результаты расчета теплового баланса

2.6 Основные размеры и параметры печи

2.7Выбор типа и мощности горелок

Вывод

1. Описание секционной печи

1.1 Общие характеристики секционных печей

Секционные печи скоростного нагрева применяют для нагрева больших партий однородного сортамента трубной заготовки и труб диаметром до 200 мм и длиной не менее 2,5-3 м. Иногда в этих печах нагревают квадратную заготовку небольших размеров.

Секционные печи (рис. 3.1) состоят из установленных в одну линию отапливаемых камер. (секций) и расположенных между ними неотапливаемых тамбуров, в которых находятся транспортирующие ролики. Ролики косо расположены, что обеспечивает непрерывное вращение заготовки во время нагрева. Заготовки можно перемещать в печи в один, два или три ряда (ручья). Каждая секция имеет самостоятельное отопление и дымоотбор; несколько секций объединяют в общую систему регулирования (зону). Длина секции 1,5 - 1,75 м, поперечные размеры на 0,4-0,6 м больше поперечных размеров нагреваемой заготовки длина неотапливаемого тамбура 0,35-0,5 м.

 

1.2 Особенности теплопередачи

Ввиду небольшой длины температура продуктов сгорания и кладки в каждой секции является примерно постоянной. В целом по печи температура в первых по ходу металла секциях может повышаться от секции к секции, ав последних перед выдачей секциях может быть несколько ниже. Для осуществления скоростного нагрева в секционных печах поддерживают более высокую разность температур между рабочим пространством печи и нагреваемой заготовкой, чем в других печах. Нагрев происходит в основном излучением, однако благодаря небольшому объему рабочего пространства продукты сгорания, вылетающие из горелок, сохраняют высокие скорости. Кроме того, их направляют или прямо на заготовку, или по касательной к ней, создавая вокруг нее вращающийся с высокой скоростью поток газов. Поэтому конвекция в секционных печах играет существенную роль и ее необходимо учитывать при расчете.

 

1.3 Особенности расчета нагрева металла

При расчете нагрева металла в секционной печи каждая секция является расчетным участком. Температуру продуктов сгорания и кладки в секции считают постоянной. Расстояние от нагреваемого металла до кладки в секционных печах невелико, поэтому при расчете газовый слой в секциях считают лучепрозрачным. Нагрев рассчитывают только излучением кладки. В результате вращения заготовок во время транспортировки обеспечивается их всесторонний нагрев. При всестороннем нагреве и небольшой толщине нагреваемых заготовок они являются теплотехнически тонкими телами.

Таким образом, расчетная схема нагрева заготовок в секционной печи - всесторонний нагрев тонкого тела при постоянной температуре окружающей среды. Особенностью нагрева металла в секционных печах является то, что между секциями он попадает в неотапливаемые тамбуры. Тепло попадает в тамбур с горячим металлом, а также излучением из секции, а теряется через ролик и стенки тамбура. В зависимости от соотношения поступающего и теряемого тепла заготовка в тамбуре может нагреваться или остывать.

секционная печь тепловой баланс

2. Расчёты

2.1 Расчёт теплообмена в рабочем пространстве печи

Площадь наружной поверхности трубы (на 1 метр длины):

Площадь внутренней поверхности кладки секции (на 1 метр длины):

Угловой коэффициент излучения кладки на трубу:

Приведённый коэффициент излучения:

Вт/ (м²*К⁴)

где C_s=5,77 Вт/ (м²*К⁴) - приведённый коэффициент излучения а. ч. т.; ε_м= ε_кл=0,8 - степени черноты металла и кладки соответственно.

Приведённый коэффициент излучения с учётом конвекции:

 

2.2 Расчёт нагрева труб в секции

Средняя температура трубы

Теплопроводность металла при средней температуре нагрева равна: λ_м=45Вт/ (м*К). Средняя теплоёмкость металла в интервале температур нагрева: C_ср=0.561кДж/ (кг*К). Число Старка:

Расчёт коэффициента теплоотдачи излучением:

Средний коэффициент теплоотдачи излучением:

Коэффициент теплоотдачи излучением и конвекцией

Коэффициент теплоотдачи конвекцией принимаем равным 10 % от коэффициента теплоотдачей излучением

Число Био

При нагреве тел одновременно конвекцией и излучением область тонких тел определяется выражением:

, следовательно, нагреваемое тело является тонким в тепловом отношении.

Коэффициент заполнения печи:

Масса одного метра трубы:

Продолжительность нагрева трубы в секции:

 

2.3 Расчёт горения топлива

Состав исходного топлива (сухого газа):

Природный газ %

Компонент	СН4	C2H6	C3H8	C4H10	СО2	N2	Всего
%	83.5	4.3	0.8	1.6	0,2	9,6	100

Температура подогрева воздуха, ^оC: 389

Коэффициент расхода воздуха n=1,12

Принимаем влажность исходного топлива W=10 г/м³.

X=X,

XX=0,987X

Состав влажного топлива:

Компонент	СН4	C2H6	C3H8	C4H10	СО2	N2	H2O	Всего
%	82.41	4.24	0.79	1.58	0,2	9,48	1.3	100

Расход кислорода на горение при коэффициенте расхода воздуха n=1

0.01*

(2*82.41+3.5*4.24+5*0.79+6.5*1.58) =1.94 м³/м³

Расход сухого воздуха:

Объёмы компонентов продуктов сгорания:

=0.01*

(0.2+82.41+2*4.24+3*0.79+4*1.58) =1м³/м³

=0.01* (1.3+0.5*

(4*82.41+6*4.24+8*0.79+10*1.58)) =1.9м³/м³

=0.01*9.48+1.12*3.762*1.94=8.27м³/м³

= (1.12-1) *1.94=0.233м³/м³

Объём продуктов сгорания:

=1+1.9+8.27+0.233=11.4м³/м³

Процентный состав продуктов сгорания:

Низшая теплота сгорания топлива:

=127,7∙CO+108∙H₂+358∙CH₄+590∙C₂H₄+555∙C₂H₂+636∙C₂H₆+913∙C₃H₈+1185∙C₄H₁₀+1465∙C₅H₁₂+234∙H₂S=358*82.41+636*4.24+913*0.79+1185*1.58=34629,34 кДж/м³=34,79МДж/м³

Калориметрическую температуру сгорания топлива определяем методом последовательного приближения. Теоретически необходимое количество воздуха для горения газообразного топлива:

Действительное количество воздуха на горение топлива:

Определяем физическое тепло, вносимое воздухом:

Калориметрическая энтальпия продуктов сгорания i_k равна:

Калориметрическая температура горения:

= (5186,81*1+4121,79*1,9+3131,96*8,27+3314,85*0,233) /11,4=3481,74 кДж/м³

Поскольку i₂₁₀₀>i₀, то принимаем температуру t_k^’’=2000°Cи снова находим энтальпию продуктов сгорания

= (4910,51*1+3889,72*1,9+2970,25*8,27+3142,76*0,233) /11,4=3298 кДж/м³

Теперь определяем калориметрическую температуру горения:

Действительная температура продуктов сгорания:

Материальный баланс

Поступило		Мол. масса		м3				Кг
CH4	=	16	x	82.41	/	22.4	=	58.86
C2H6	=	30	x	4.24	/	22.4	=	5.68
C3H8	=	44	x	0.79	/	22.4	=	1.55
C4H10	=	58	x	1.58	/	22.4	=	4.09
C5H12	=	72	x	0	/	22.4	=	0
CO2	=	44	x	0.2	/	22.4	=	0.39
N2	=	x	9.48	/	22.4	=	11.85
H2O	=	18	x	1.3	/	22.4	=	1.04
Всего				100				83,46
Воздух
O2	=	32	x	194	/	22.4	=	277,14
N2	=	28	x	827	/	22.4	=	1033,75
Всего				1021				1310,89
Итого				1121				1394,35
Продукты сгорания
CO2	=	44	x	100	/	22.4	=	196,43
H2O	=	18	x	190	/	22.4	=	152,68
O2	=	32	x	23.3	/	22.4	=
N2	=	28	x	827	/	22.4	=	1033,75
Всего				1121				1394,35
Невязка				0				0

2.4 Тепловой баланс печи

Приход тепла

) Тепло, образующееся при сжигании топлива.

_хим=B∙Q^р_н=34,79 ∙В МВт

2) Физическое тепло, вносимое подогретым воздухом:

, где

V_{в -} расход воздуха на 1 м³ топлива i_в=504,75 кДж/м³ - энтальпия воздуха при температуре 380 ^оC.

Так как у нас топливо не подогрето, то Q_т=0.

Расход тепла

1)      Расход тепла на нагрев труб

С_мнач=0.476 кДж/ (кг*К) С_мкон=0.691 кДж/ (кг*К) C_ср=0.584

 

2)      Потери тепла с уходящими продуктами сгорания

Определим температуру газов в зоне теплообмена:

При t=930⁰С

3)      Потери тепла теплопроводностью через кладку T_кл=1100°С

Удельный тепловой поток через кладку:

λ^’=0.25 Вт/ (м*К); α^’=7+0.05*t_нач=21.65 Вт/ (м²*К)

Поверхность кладки:

 

Потери тепла через кладку

4)      Потери тепла излучением в соседние тамбуры

5)     

Площадь полностью открытого проёма:

Площадь проёма, перекрытого трубой:

Коэффициент диафрагмирования для проёма

Для полностью открытого:

Следовательно, Ф₁=0.58

Для перекрытого трубой:

 Следовательно, Ф₂=0.56

Угловой коэффициент излучения для проёма

Полностью открытого

Следовательно, В₁=1

Для перекрытого трубой:

Следовательно, В₂=1,2

6)      Неучтённые потери

Уравнение теплового баланса 1 секции

34790B+5219.09B=206.67+16018.7B+9.39+0.25+21.63

2.5 Результаты расчета теплового баланса

Таблица 1. Приходная часть теплового баланса

кВт

%

Топливо от горения топлива

347.9

86,96

Тепло от подогретого воздуха

52.19

13,04

Итого

400,09

100

Таблица 2. Расходная часть теплового баланса

Статьи расхода	кВт	%
Тепло на нагрев металла	206.67	51.91
Тепло, уносимое продуктами сгорания	160, 19	40.24
Потери тепла теплопроводностью через кладку	9.39	2.49
Потери тепла излучением	0,25	0.06
Неучтенные потери	21.63	5.43
Итого	398.13	100

Удельный расход тепла определяется по формуле:

,

где  - удельный расход тепла на нагрев 1 кг металла, кДж/кг;

 - приход тепла, кВт;

 - производительность печи, кг/с.

Таким образом,

 кДж/кг.

Коэффициент полезного действия печи:

ηкпд=Qпол/Qприх=206.67/400.09=0,5166 (51.66 %)

Коэффициент полезного действия рабочего пространства:

ηкпд=Qпол/ (Qхим+ Qфиз - Qух) =206.67/ (400.09-160.19) =0,8615 (86,15 %)

 

2.6 Основные размеры и параметры печи

Количество секций N=1

Длина печи

Скорость перемещения заготовок

2.7Выбор типа и мощности горелок

 

По расходу газа выбираем 5 скоростных горелок СВП-60

Таблица 3. Краткие характеристики горелки СВП-60

Величина		Значение
Тепловая мощность, МВт		0.072
Расход газа, м3/ч		7.5
Давление газа, кПа		8.97
Расход воздуха, м3/ч		72
Температура воздуха перед горелкой,°С		360
Давление воздуха, кПа		6.37
Коэффициент расхода воздуха		1.09
Коэффициент рабочего регулирования
Средняя скорость продуктов сгорания на срезе выходного отверстия горелки, м/с		200
Конструктивные размеры
Габариты, мм		435х250х205
Присоединительные размеры, мм
Центрального		2.9
Периферийных		2.3
Количество газовых отверстий
Центрального		1
Периферийных		5
Диаметр выходного отверстия камеры
Горения, мм	30

 

Вывод

Согласно проведённым расчётам и исследованиям, можно сделать вывод о том, что данный режим работы печи целесообразен для нагрева труб низкоуглеродистой стали, так как он обеспечит равномерный быстрый нагрев заготовок по всей длине и ширине печи.