Расчет методической толкательной печи с односторонним нагревом металла

Расчет методической толкательной печи с односторонним нагревом металла

Введение

Исходные данные:

Тип печи: 3 - печь методическая толкательная с односторонним нагревом.

Топливо: 6 - природный газ; месторождение Мирнинское (Ставропольский край).

Подогрев топлива: отсутствует.

Подогрев воздуха: 230 оС.

Нагреваемый металл: 12ХМ.

Размеры заготовки: 70х90х3500 мм.

Производительность печи: 140 т/ч.

Тип рекуператора: 2 - керамический.

1. Расчет горения топлива

Примечание: Все формулы и ссылки взяты из литературы под номером 1 в библиографическом списке.

Состав сухого природного газа: 83,05 CH₄, 9,13 C₂H₄, 1,42 C₃H₈, 1,0 C₄H₁₀, 4,09CO₂, 1,31N₂.

Для сжигания газа выбираем горелку типа «труба в трубе», для данной конструкции горелки коэффициент расхода воздуха n = 1,1.

Влажность природного газа принимаем W = 30 г/м³. Произведем пересчет состава сухого газа на влажное (рабочее) состояние.

Состав влажных газов рассчитываем по формулам:

;

,

где W^P- процентное содержание влаги в рабочем топливе; Х^Р, Х^С - процентное содержание компонентов природного газа соответственно в рабочей и сухой массах,

;

;

;

;

;

;

.

Тогда состав влажных газов: 80,067 % СН₄; 8,802 % С₂Н₄; 1,37 % С₃Н₈; 0,964 % С₄Н₁₀; 3,943 % СО₂; 1,263 % N₂; 3,726 % W^P.

Низшую теплоту сгорания находим по формуле

 кДж/м³.

Находим расход кислорода при сжигании природного газа при коэффициенте расхода воздуха n = 1,1 по

м³/м³.

Расход сухого воздуха при n = 1,1:

 м³/м³.

Находим объемы компонентов продуктов сгорания:

 м³/м³;

 м³/м³;

Суммарный состав продуктов сгорания:

 м³/м³.

Процентный состав продуктов сгорания:

;

.

Правильность расчета проверяем составлением материального баланса.

Поступило, кг: Получено, кг:

СН₄   0,80067 ∙ 0,714 = 0,572;        СО₂ 1,0958 ∙ 1,964 = 2,152;

С₂Н₄  0,08802 ∙ 1,250 = 0,110;        N₂    8,275 ∙ 1,250 = 10,344;

С₃Н₈   0,0137 ∙ 1,964 = 0,0269;

С₄Н₁₀ 0,09640 ∙ 2,589 = 0,250;

N₂0,01263 ∙ 1,25 = 0,0158;

СО₂     0,03964 ∙ 1,964 = 0,0779.

Всего         1,0526. Всего 12,496.

Воздух 10,45838 ∙ 1,293 = 13,523.

Итого 14,5756. Невязка        2,0796.

Плотность газа

кг/м³.

Плотность продуктов сгорания вычислим по формуле кг/м³.

Для определения калориметрической температуры горения найдем энтальпию продуктов сгорания с учетом подогрева воздуха (подогрева газа нет):

кДж/м³

где i_В = 301,231 кДж/м³ при t_В = 230 ^°С (прил. 13).

Зададим температуру t’_К = 2300 ^°С и при этой температуре находим энтальпию продуктов сгорания (см. прил. 13):

кДж/м³

Находим калориметрическую температуру горения газа заданного состава по следующей формуле:

°С.

Действительная температура горения

где  - пирометрический коэффициент. Для методических печей он равен 0,7…0,75.

 °С.

2. Определение размеров рабочего пространства печи

Ширина рабочего пространства назначается с таким расчетом, чтобы обеспечить свободное продвижение заготовок:

,

где n - количество рядов заготовок по ширине печи (для данных размеров заготовки и типа печи n целесообразно принять равным 1 или 2); a - зазор между рядами заготовок и между заготовками и стенками печи (а = (0,25...0,30) м).

Примем n = 1, тогда

м.

Высоту зон принимаем, руководствуясь опытными данными [2]: в методической зоне  м; в сварочной зоне  м.

3. Расчет нагрева металла

Двухзонная методическая печь имеет двухступенчатый температурный режим нагрева. Рассмотрим изменение температуры продуктов горения по зонам. Для этого определим температуры газа , , . Температуру  принимают по практическим данным в зависимости от марки стали (прил. 1). Для стали У8ГА °С.

Значения и  принимаем по опытным данным [1-3, 6-11]:

 °С;

 °С.

В сварочной зоне максимальная температура газов  °С. При сжигании заданного топлива может быть получена действительная температура горения °С, что вполне обеспечивает нагрев металла до 1150 °С.

Распределение температур по длине методической зоны показано на рис. 1,б.

Поскольку основным назначением методической зоны является медленный нагрев металла до состояния пластичности, то температура в центре металла при переходе из методической в сварочную зону должна быть порядка (400…500)°С. Принимаем  °С. Разность температур между поверхностью и серединой заготовки для методической зоны печей прокатного производства можно принять равной , где S- прогреваемая (расчетная) толщина изделия (так как заготовка имеет размеры 70×90×3500 мм, то, следовательно, м):

 (прил. 9);

 °С.

Примем температуру поверхности заготовки в конце методической зоны, равной 500 °С.

Теперь находим степень развития кладки (на 1 м длины заготовки) по следующей формуле:

.

Для методической зоны ;

для сварочной зоны .

Определим эффективную длину луча по следующей формуле:

 м.

В методической зоне

м;

в сварочной зоне

 м.

3.1 Определение времени нагрева металла в методической зоне

Находим степень черноты дымовых газов  при средней температуре:

 °С.

Парциальные давления СО₂ и H₂О равны (второй множитель определяется как процентный состав продуктов сгорания деленный на 100):

кПа;

кПа∙м;

По номограммам (см. прил. 3) находим степень черноты дымовых газов в начале методической зоны:

;  .

Тогда

.

Приведенная степень черноты системы (газ-кладка-металл) определится по формуле

.

Средний по длине методической зоны коэффициент теплоотдачи излучением определяем по формуле

Вт/(м² ∙ К).

Определяем температурный критерий  и критерий Bi по формулам:

;

,

где  - теплопроводность стали 12ХМ (см. прил. 4).

Определим среднюю температуру металла по формуле

 °С;

.

По найденным значениям  и  по номограмме для поверхности заготовки (см. прил. 5) находим критерий Фурье:

.

Время нагрева металла в методической зоне печи определим по формуле

,

где а - температуропроводность, примем равной 9,305∙10^-6 м²/с при средней температуре металла 252,5 °С (см. прил. 4);

.

Определяем температуру центра заготовки в конце методической зоны. Согласно номограмме (см. прил. 7) для центра плиты при , , температурный критерий .

°С.

3.2 Определение времени нагрева металла в сварочной зоне

В сварочной зоне температуру газов будем считать постоянной и равной °С.

Определим степень черноты дымовых газов:

кПа;

кПа∙м;

По номограммам (см.прил. 3) находим:

; .

Тогда

.

Приведенная степень черноты газов сварочной зоны

.

 Вт/(м² ∙ К).

Находим среднюю по сечению температуру металла в начале сварочной (в конце методической) зоны по следующей формуле:

°С.

Определяем температурный критерий для поверхности заготовки в конце сварочной зоны [5]:

.

При средней температуре металла

°С

Вт/(м ∙ К) и  м²/с (см. прил. 4).

Определяем критерий Bi:

.

По номограмме (см. прил. 7) находим . Определим время нагрева металла в сварочной зоне:

.

Тогда

 °С.

3.3 Определение времени нагрева металла в томильной зоне

Перепад температур по толщине металла в начале томильной зоны

 °С.

Допустимый перепад температур в конце нагрева

 °С.

Так как перепад температур по толщине металла в начале томильной зоны меньше допустимого перепада температур в конце нагрева, то томильная зона в данной печи не нужна.

Полное время нагрева металла

.

4. Определение основных размеров печи

Для обеспечения производительности 38,89 кг/с в печи одновременно должно находиться следующее количество металла:

 кг.

Масса одной заготовки

 кг.

Количество заготовок, одновременно находящихся в печи

 шт.

Принимаем  штук. При двухрядном расположении заготовок общая длина печи

 м.

При ширине печи  м площадь пода

 м².

Высоты зон оставляем теми же, что были приняты при ориентировочном расчете. Длину печи разбиваем на зоны пропорционально времени нагрева металла в каждой зоне.

Длина методической зоны

 м;

длина сварочной зоны

 м.

5. Футеровка печи

Учитывая температурный режим и непрерывную работу методической печи, выбираем огнеупорные и теплоизоляционные материалы для футеровки.

Свод печи выполняем подвесного типа из каолинового кирпича толщиной 300 мм.

Под выполняем трехслойным: тальковый кирпич толщиной 230 мм; шамот толщиной 230 мм и тепловая изоляция (шамотный легковес ШЛ-1,0) толщиной 115 мм. Толщина пода 575 мм.

Стены - шамот класса Б (рабочий слой), а изоляционный слой составляет легковесный шамот ШЛ-1,0. Примем толщину шамотного слоя равной 345 мм, а толщину изоляционного слоя равной 180 мм. Стены имеют толщину 525 мм.

6. Тепловой баланс печи

.1 Приход тепла

Тепло от горения топлива

,

где В - расход топлива, м³/с;

 кВт.

Тепло, вносимое подогретым воздухом

,

где i_В - энтальпия воздуха при температуре t_В = 230 °С (см. прил. 13); V_В - расход сухого воздуха, рассчитанный в п. 2.1;

 кВт.

Тепло экзотермических реакций (принимаем, что угар металла составляет 1%, а при окислении 1 кг металла выделяется 5652 кДж)

,

где Р - производительность печи, кг/с; а - угар металла;

 кВт.

6.2 Расход тепла

Тепло, затраченное на нагрев металла

,

где  - энтальпии малоуглеродистой (12ХМ) стали (см. прил. 4);

 кВт.

Тепло, уносимое уходящими дымовыми газами

 кВт.

Находим энтальпию продуктов сгорания i_П.С при температуре t_0Г = 700°С (см. прил. 13):

 кДж/м³;

 кДж/м³;

i_П.С = 815,715 кДж/м³.

Потери тепла теплопроводностью через кладку. Потерями тепла через под в данном примере пренебрегаем.

6.3 Потери тепла через свод печи

 °C.

Примем температуру окружающей среды равной t_ОК = 20°С, а температуру наружной поверхности свода t_НАР = 300°С.

При средней по толщине температуре свода

 °С

коэффициент теплопроводности каолина (см. прил. 10)

 Вт/(м∙К).

Тогда потери тепла через свод печи

 кВт.

6.4 Потери тепла через стены печи

Стены печи состоят из слоя шамота класса Б толщиной  = 0,345 м и слоя легковесного шамота ШЛ-1,0 толщиной  = 0,180 м.

Наружная поверхность стен:

методической зоны

 м²;

сварочной зоны

 м²;

торцов печи

м².

Полная площадь стен

 м².

Теплопроводность шамотного (класс Б) кирпича (см. прил. 10)

 Вт/(м ∙ К);

теплопроводность легковесного шамота класса ШЛ-1,0 (см. прил. 10)

 Вт/(м ∙ К).

Пусть t’ - температура на границе раздела слоёв, тогда

 и .

Принимаем температуру наружной поверхности стенки  °C.

При стационарном режиме плотность теплового потока через шамотную кладку и кладку легковесного шамота будет одинаковой:

.

Или с учётом зависимости коэффициентов теплопроводности от температуры:

.

Получили квадратное уравнение:

.

Решив его, получим:

 °С.

Тогда

 °С;

 °С;

 Вт/(м∙К);

 Вт/(м∙К).

Тепловой поток через стенку печи при стационарном режиме

 Вт/м².

Проверяем принятое значение температуры наружной поверхности стенки:

 °С;

;

 кВт.

Общее количество тепла, теряемое теплопроводностью через кладку

 кВт.

Потери тепла с охлаждающей водой по практическим данным принимаются равными 10% от тепла, вносимого топливом и воздухом:

 кВт.

Неучтенные потери тепла определяем по следующей формуле:

 кВт.

Уравнение теплового баланса будет иметь вид

.

Расход топлива для методической печи

 м³/с.

Тепловой баланс методической печи представлен в табл. 1.

Таблица 1. Тепловой баланс методической печи:

7. Расчет керамического рекуператора для подогрева воздуха

методический односторонний нагрев печь

Примечание: Все формулы и ссылки взяты из литературы под номером 3 в библиографическом списке.

Исходные данные для расчета: на входе в рекуператор ^оC, на выходе^оC. Температура дыма на входе в рекуператор^оC. Расход газа на отопление печи м³/с. Расход воздуха на горение топлива м³/с. Количество дымовых газов на входе в рекуператор м³/с. Состав дымовых газов CO₂11,694%, N₂ 88,306%.

Выбираем керамический блочный рекуператор. Материал блоков - шамот, марка кирпича Б-4 и Б-6 (табл. 32). Величину утечки воздуха в дымовые каналы принимаем равной 10%. Тогда в рекуператор необходимо подать следующее количество воздуха 10,9426 / 0,9 = 12,158 м³/с.

Количество потерянного в рекуператоре воздуха.

 м³/с.

Среднее количество воздуха.

 м³/с

Количество дымовых газов, покидающих рекуператор (с учетом утечки воздуха) равно.

 м³/с

Среднее количество дымовых газов.

 м³/с

Составим уравнение теплового баланса рекуператора, учитывая потери тепла в окружающую среду, равные 10% и утечку воздуха в дымовые каналы (формула 116). Для этого необходимо определить удельную теплоемкость дымовых газов на входе и выходе из рекуператора.

Зададим температуру дымовых газов на выходе из рекуператора^оC. При этой температуре теплоемкость дымовых газов.

CO₂ = 0,11694 _* 2,1077 = 0,2465

N₂ = 0,88306 _* 1,3553 = 1,1968

кДж/(м³_*К)

Теплоемкость дыма на выходе в рекуператор^оC.

CO₂ = 0,11694 _* 2,24295 = 0,2623

N₂ = 0,88306 _* 1,3997 = 1,236

 кДж/(м³_*К)

Теперь

где -  кДж/(м³_*К) теплоемкость воздуха при^оC.

Решая это уравнение относительно, получим ^оC.

В принятой конструкции рекуператора схема движения теплоносителей - перекрестный ток (см. рис. 62). Среднюю разновидность температур находим по формуле 118, определив среднелогарифмическую разновидность температур для противоточной схемы движения теплоносителей по формуле 117.

Найдя поправочные коэффициенты.

 и

по номограмме на рис. 47 находим.

Тогда ^оC.

Для определения суммарного коэффициента теплопередачи согласно табл. 28 примем среднюю скорость движения дымовых газов м/с, а среднюю скорость движения воздуха м/с.

Учитывая, что эквивалентный диаметр воздушных каналов равен (табл. 32) м, по графику 50 находим значение коэффициента теплоотдачи конвекцией на воздушной стороне.

 Вт/(м² _* К)

Учитывая шероховатость стен, получим.

 Вт/(м² _* К)

Коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне находим по формуле.

Учитывая, что гидравлический диаметр канала, по которому движутся дымовые газы равен (см. табл. 32) м, по графику на рис. 50 находим коэффициент теплоотдачи конвекцией на дымовой стороне

 Вт/(м² _* К)

 Вт/(м² _* К)

Величину коэффициента теплоотдачи излучением на дымовой стороне определяем для средней температуры дымовых газов в рекуператоре, равной

 Вт/(м² _* К).

Среднюю температуру стенок рекуператора принимаем равной

^оС.

Эффективная длина луча в канале равна

 м.

По номограммам на рис. 13-15 при  ^оС находим

При  ^оС по формуле 65 находим

Учитывая, что при степени черноты стен рекуператора, их эффективная степень черноты равна, по формуле 67 с учетов формулы 64 (а), находим коэффициент теплоотдачи излучением

 Вт/(м² _* К).

Суммарный коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне равен

 Вт/(м² _* К).

При температуре стенки ^оС коэффициент теплопроводности шамота равен (приложение XI)

 Вт/(м _* К).

С учетом толщины стенки элемента рекуператора м находим суммарный коэффициент теплопередачи по формуле

 Вт/(м² _* К),

где F и F_Ф - соответственно основная поверхность теплообмена и оребренная, м².

 Вт/(м² _* К).

Определяем поверхность нагрева и основные размеры рекуператора. Количество тепла, передаваемого через поверхность теплообмена, равно (формула 116)

 кВт.

По формуле 115 находим величину поверхности нагрева рекуператора

 м².

Так как удельная поверхность нагрева рекуператора, выполненного из кирпичей Б=4 и Б=6, равна м²/м³(табл. 33), можно найти объем рекуператора

 м³.

Необходимая площадь сечений для прохода дыма равна

 м².

Учитывая, что площадь дымовых каналов составляет 44% общей площади вертикального сечения рекуператора, найдем величину последнего

 м².

Принимая ширину рекуператора равной ширине печи, т.е. м, находим высоту рекуператора

 м.

Длина рекуператора

 м.

8. Аэродинамический расчет дымового тракта печи

Примечание: Все формулы и ссылки взяты из литературы под номером 4 в библиографическом списке.

Количество продуктов сгорания  м³/ч,  м³/ч. Температуры дыма в конце печи^оC; за регулирующим шибером^оС; за рекуператором^оС. Плотность дыма  кг/м³. Схема дымового тракта печи представлена на рис. 5,41. Принимаем давление в конце печи равным нулю.

8.1 Потери давления при входе дымового потока в вертикальные дымовые каналы (поворот на 90о с изменением скорости)

Принимаем скорость дыма в вертикальных дымовых каналах  м/с. Скорость дыма перед каналами

 м³/ч,

где m = 0,7 - коэффициент, учитывающий потери дыма на выбивание; F - площадь поперечного сечения методической зоны:

 м².

Имеем

м/с; ;

 Па;

;  (см. т. 1, ч. 1, гл. 2);

 Па.

8.2 Потери геометрического давления в вертикальных дымовых каналах

Высота дымовых каналов h = 2 м. Плотность окружающего воздуха  кг/м³. Плотность дымовых газов

 кг/м³.

Тогда

 Па.

8.3 Потери давления в борове до рекуператора на трение

      ,

где - коэффициент трения; l = 10 м - длина борова до рекуператора; d_эквэквивалентный диаметр борова: . Пусть - площадь поперечного сечения борова, м²; П - периметр борова, м.

Принимаем скорость дымовых газов в борове м/с, тогда

 м².

Принимаем высоту борова h_б = 2,5 м, тогда его ширина

 м.

Периметр борова м.

Эквивалентный диаметр

 м.

 Па;

 Па.

8.4 Потери давления на два поворота на 90^о

         (см. т. 1, ч. 1, гл. 2)      Па.

На шибер

Принимаем открытие шибера 75%. Тогда ии

 Па.

8.5 Потери давления в рекуператор

Находим по формуле

; ; ; .

Находим :

^оС;  К;

 Па;

 Па.

8.6 Потери давления в борове за рекуператором на трение

Длина борова l = 15 м.

 Па;  Па.

8.7 Потери давления на три поворота на 90^о

Па.

На шибер

 Па.

Суммарные потери давления

 Па.

8.8 Расчет дымовой трубы

Дымовая труба должна рассчитываться с учетом возможности повышения тепловой мощности печи. Принимаем запас мощности равным 1,25, тогда увеличение потерь давления составит 1,25² = 1,56 ~ 1,6.

Расчетное разряжение, создаваемое трубой:

 Па.

Приведенную скорость газов в устье дымовой трубы принимаем м/с.

Тогда диаметр трубы в устье

где  м³/ч- количество продуктов сгорания перед рекуператором; - коэффициент, учитывающий подсос воздуха в дымовой тракт за рекуператором и в свободном борове. Выполним подстановку:

 м.

Принимаем 2 м.

Диаметр трубы у основания запишется

 м.

Средний диаметр трубы

 м.

Приведенная скорость дыма у основания трубы

 м/с.

Ориентировочная высота дымовой трубы

 м.

Принимая охлаждение дымовых газов в трубе рамным 1^о на 1 м, находим температуру дыма в устье:

,

где - температура дыма у основания трубы. С учетом обвода части дыма мимо рекуператора (20%) и подсоса воздуха

^оС.

Тогда

 ^оС

Средняя температура дыма в трубе

^оС

Высота дымовой трубы определяется по формуле

Здесь  Па;  ^оС;  кг/м³;  ^оС;  ^оС;  ^оС; ;  м;  м/с;  кг/м³. Тогда

 м.

Рис. Общий вид трёхзонной толкательной методической печи: I - методическая зона; II - сварочная зона; III - томильная зона; 1 - толкатель; 2 - горелка; 3 - охлаждаемые подовые трубы; 4 - нагреваемые заготовки; 5 - вертикальный канал для отвода продуктов сгорания (дымопад); 6 - дымовой боров; 7 - рекуператор; 8 - дымовая труба; 9 - воздушный вентилятор

Схема дымового тракта печи

Библиографический список

1.      Теплотехника и теплоэнергетика металлургического производства: учебное пособие к курсовому проектированию / О.В. Сухотина; под ред. И.В. Чуманова; Издательство ЮУрГУ, 2007.

.        Расчёт нагревательных и термических печей: справочное издание / С.Б. Василькова, М.М. Генкина, В.Л. Гусовский и др.; под ред. В.М. Тымчака и В.Л. Гусовского. - М.: Металлургия, 1983. - 480 с.

.        Мастрюков, Б.С. Теория, конструкция и расчёты металлургических печей: учебник для техникумов. В 2 т. Т. 2: Расчёты металлургических печей / Б.С. Мастрюков. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1986. - 376 с.

.        Теплотехника металлургического производства: учебник для вузов. В 2 т. Т. 2: Конструкция и работа печей / В.А. Кривандин, В.В. Белоусов, Г.С. Сборщиков и др.; под ред. В.А. Кривандина. - М.: МИСИС, 2002. - 733 с.

5.