Варианты и принципы расположения топливосжигающих устройств в рабочем пространстве печей
КУРСОВАЯ
РАБОТА
по
дисциплине (специализации) «Тепломассообмен»
Варианты
и принципы расположения топливосжигающих устройств в рабочем пространстве печей
СОДЕРЖАНИЕ
1.
Теоретическая часть
Введение
.1
Методические печи
.2
Камерные термические печи
.3
Общие принципы выбора рациональных методов сжигания топлива в печах
.4
Устройства для сжигания газа (горелки)
.5
Устройства для сжигания жидкого топлива (форсунки)
Заключение
.
Практическая часть
Список
использованных источников и литературы
печь горелка форсунка сжигание
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
ВВЕДЕНИЕ
Промышленная печь - технологическое
оборудование, устройство для тепловой обработки материалов, в котором рабочим
видом энергии является тепло и рабочее пространство которого ограждено от окружающей
среды.
Тепловыделение в печах представляет собой
процесс превращения какого-либо вида энергии в тепловую энергию. Источниками
получения тепла являются: а) химическая энергия топлива (топливные печи); б)
химическая энергия жидкого металла или шихты; в) электрическая энергия.
Превращение химической энергии топлива в тепловую происходит в результате
сгорания топлива в топливных печах.
По способу генерации теплоты все печи
подразделяют на топливные, где теплота выделяется за счет горения топлива, и
электрические, где электроэнергия преобразуется в теплоту электрической дугой,
нагревательными элементами сопротивления или индукцией.
Выбор рационального вида печей для нагревания
определенных изделий под операцию термической обработки является довольно
сложной задачей, так как при этом приходится учитывать большое число факторов и
показателей, характеризующих, с одной стороны, условия термической обработки и,
с другой - дающих оценку самой печи как нагревательного аппарата.
Значительное число нагревательных печей
применяют для термической обработки, чтобы изменить внутреннее строение и
структуру металла. В нагревательных печах металлы и материалы не меняют своего
агрегатного состояния.
Но раньше, чем выбрать тип печи, необходимо
решить вопрос о роде топлива, которое наиболее рационально применять в данных
условиях производства, учитывая при этом возможность применения для нагрева
электроэнергии. При выборе рода топлива приходится учитывать технические
преимущества и недостатки, которые связаны с применением данного топлива в
соответственной печи.
В печах постоянного действия температура во
времени остается неизменной. Вместе с тем температура по длине рабочего
пространства может изменяться в соответствии с необходимостью создания
целесообразного режима нагрева. В таких нагревательных печах возможно
осуществление как постепенного (методического) режима нагрева, так и весьма
форсированного камерного нагрева.
1.1 Методические печи
Методическая печь - проходная печь для нагрева
металлических заготовок перед обработкой давлением (прокатка, ковка,
штамповка). В методической печи заготовки обычно передвигаются навстречу
движению продуктов сгорания топлива; при таком противоточном движении
достигается высокая степень использования теплоты, подаваемой в печь. Печи отапливают
газообразным или жидким топливом с помощью горелок или форсунок.
Заготовки проходят последовательно три
теплотехнические зоны: методическую (зону предварительного подогрева),
сварочную (зону нагрева) и томильную (зону выравнивания температур в заготовке).
Иногда томильная зона может отсутствовать.
Методические печи классифицируют: а) по числу
зон отопления в сварочной зоне плюс методическая зона, и, если есть, томильная
зона (2-,3-, 4-, 5-зонные); б) по способу транспортирования заготовок
(толкательные, с подвижными балками и др.); в) по конструктивным особенностям
(с нижним обогревом, с наклонным подом, с плоским сводом и т.д.).
Конструкция методической печи зависит от
характеристик нагреваемого металла, производительности стана и вида топлива, на
котором работает печь.
Вид применяемого топлива обусловливает выбор
таких конструктивных элементов печи, как рекуператоры и горелки. В качестве
топлива для методических печей используются смеси коксового и доменного газов с
различной теплотой сгорания, природный газ и различные смеси природного,
коксового и доменного газов, а также жидкое топливо - мазут.
Наиболее важными классификационными признаками
методических печей являются:
) температурный режим печи (по длине);
) двусторонний или односторонний характер
нагрева металла;
) способ выдачи металла из печи (боковая или
торцовая выдача).
Кроме того, классификация выполняется по виду
нагреваемых заготовок, методу утилизации тепла отходящих дымовых газов, виду
топлива, числу рядов заготовок в печи.
.2 Камерные термические печи
Камерная печь - печь с близкими по значению
длиной, шириной и высотой рабочего пространства и с одинаковой во всех его
точках температурой, предназначенная для нагрева или термической обработки
материалов. Типичный представитель камерной печи для нагрева - нагревательный
колодец.
Преимущество камерных печей - их универсальность
в создании разнообразных температурно-временных условий. Камерные печи
применяются там, где нельзя использовать проходные печи, например, при сложных
режимах термообработки, типа отжига. В процессе термической обработки
повышается качество изделий или сообщаются дополнительные свойства, что
обеспечивает сокращение расхода металла в процессе эксплуатации. Термической
обработке подвергаются все виды горячекатаного и холоднокатаного проката: лист,
уголок, проволока, рельс, труба, швеллер, лента и др.
Печи этой группы имеют небольшой объем рабочей
камеры, в которую печные газы должны поступать с вполне законченным процессом
горения, чтобы избежать перегрева. Наиболее подходящим топливом для этих печей
является газ, позволяющий легче осуществить в горелках совершенное смещение с
воздухом и обеспечить беспламенное горение, создавая при этом такую атмосферу в
печи, которая хотя дает небольшое окисление поверхности, но под окалиной не
обезуглероживает ее.
Следует отметить особенности работы горелок в
камерных термических печах:
в рабочем пространстве наблюдаются низкие
рабочие температуры, находящиеся на уровне температуры воспламенения топлива и
ниже. Поэтому для обеспечения стабильной работы горелок их надо оснащать
запальниками (чаще электрическими);
в камерной термической печи сильно изменяется (в
10-20 и более раз) тепловая мощность и, соответственно, расход топлива. В
период нагрева мощность максимальна, а в период выдержки может упасть почти до
нуля. Стандартные же горелки нагревательных печей допускают регулирование
расхода газа в диапазоне 1:4. Поэтому на камерных термических печах должны
устанавливаться специальные горелки с широким диапазоном регулирования (1:10, 1:20
и выше);
в камерных термических печах, как правило,
недопустима работа горелок непосредственно в рабочем пространстве, т.к. это
вызывает неравномерность нагрева садки от факела. Поэтому горелки устанавливают
или в подподовых топках или в форкамерных топках. Форкамерные топки - небольшие
топки в боковых стенах для предварительного сжигания топлива с коэффициентом
расхода возду- ха 0,8. От этих топок дым вводится в рабочее пространство с
помощью инжекционных устройств за счёт высокоскоростных струй воздуха, что
создаёт хорошую циркуляцию дыма, омывающего садку.
Большие и средние камерные печи в отношении
способов подвода тепла к рабочим камерам, то есть в отношении расположения и
конструкций топок или камер горения, строятся весьма различных вариатов. Большинство
печей отапливается форсунками и горелками, дающими беспламенное горение, и в
этом случае печь обычно снабжается несколькими такими горелками или форсунками,
расположенными в шахматном порядке в боковых стенках печи на той или иной
высоте от пода.
1.3 Общие принципы выбора рациональных методов
сжигания топлива в печах
Устройства для сжигания топлива предназначены
для того, чтобы обеспечить превращение химической энергии топлива в тепловую
энергию, необходимую для осуществления технологических операций в рабочем
пространстве печи. Метод сжигания топлива выбирают в зависимости от вида
топлива и назначения печи.
Выбирая и размещая устройства для сжигания
топлива для конкретной конструкции печи, необходимо обеспечить:
в рабочем пространстве печи необходимую
действительную температуру;
необходимый характер изменения температуры по
длине и ширине печи;
подвод топлива, который соответствовал бы
выбранному распределению температуры;
такой характер движения газов и теплообмена,
который для данной печи является наиболее целесообразным.
Кроме перечисленных задач, при выборе устройств
для сжигания топлива и систем отопления учитывают также следующие факторы:
возможность использования подогретых газа и воздуха, надежность эксплуатации и
удобство обслуживания, возможность применения автоматического регулирования и
ряд других факторов, связанных с особенностями конструкции печей.
.4 Устройства для сжигания газа (горелки)
Основным назначением горелок является
организация процесса горения топлива так, чтобы обеспечить заданный,
экономически целесообразный режим работы печи. Для достижения этой цели горелка
должна обеспечить:
подвод и смешение между собой необходимых
количеств топлива и воздуха;
полноту сжигания топлива в пределах рабочего
пространства печи;
сжигание топлива с образованием такого пламени,
которое может обеспечить требуемый по технологическим условиям уровень
теплопередачи в рабочем пространстве печи.
Таким образом, весь цикл, который составляет
процесс сжигания топлива (смешение - горение - теплопередача), должен быть
выполнен с наивысшей эффективностью, с наивысшим коэффициентом полезного
действия.
Основным классификационным признаком горелок
является способ смешения газа с воздухом. По этому признаку горелки делят на
три большие группы:
с полным предварительным смешением газа и
воздуха (беспламенные горелки);
с частичным предварительным смешением газа и
воздуха (горелки с улучшенным смешение);
горелки без предварительного смешения или с
внешним смешением (пламенные горелки).
К первой группе относятся такие горелки, которые
обеспечивают полное смешение топлива и воздуха еще до выхода в печь. В печь (в
зону горения) подают заранее подготовленную горячую смесь; процесс горения
имеет кинетический характер. Такие горелки часто называют беспламенными, так как
заранее подготовленная топливновоздушная смесь, сгорая, почти не дает видимого
пламени. Беспламенные горелки дают факел с малой излучательной способностью,
радиация такого факела быстро падает по мере удаления от горелки.
В горелках с частичным предварительным смешением
к топливу предварительно (до выхода в печь) подмешивается только часть воздуха,
необходимого для горения.
В горелках с внешним смешением образование смеси
происходит в одном объеме с горением, которое имеет диффузионный характер. В
результате при сжигании топлива, содержащего углеводороды, образуется хорошо
видимое пламя. Поэтому эти горелки часто называют пламенными.
1.5 Устройства для сжигания жидкого топлива
(форсунки)
Подача и распыливание мазута в топках может
производиться одним из способов:
механическое распыливание мазута форсунками;
распыливание мазута паром, вводимым через
форсунку одновременно с мазутом, который поступает с небольшим давлением;
распыливание воздухом высокого давления,
поступающим в форсунку одновременно с мазутом.
хорошее распыливание и перемешивание топлива с
воздухом;
обеспечения устойчивого горения незатухающего
факела нужной длины;
надежность в эксплуатации, простота и прочность
конструкции, незасоряемость, удобство чистки.
Все форсунки разделяют на две группы: низкого и
высокого давления. Различие между форсунками низкого и высокого давления
состоит в том, что в форсунках низкого давления растворителем служит
вентиляторный воздух со сравнительно невысоким давлением, в то время как в
форсунках высокого давления распылителем служит компрессорный воздух или пар
высокого давления. При этом в форсунках низкого давления весь воздух,
необходимый для горения, поступает через форсунку.
В форсунках высокого давления расход
компрессорного воздуха составляет 7-12% всего количества воздуха, необходимого
для горения. Остальной воздух, вторичный, через форсунку не проходит, а
поступает к форсунке по специальным керамическим каналам.
Если распылителем является пар, то весь
необходимый для горения воздух подают в виде вторичного. Это обстоятельство в
значительной мере и определяет область применения различных форсунок. Поскольку
вторичный воздух может подогреваться до высоких температур (1373-1473 К),
форсунки высокого давления применяют на таких печах, где для достижения высоких
температур в рабочем пространстве необходимо подогревать воздух до высокой
температуры.
Форсунки низкого давления, в которых применяют
воздух, подогретый до 573 К, используют на нагревательных печах различного
типа. Преимущество форсунок низкого давления - несколько более полное сгорание
мазута, что достигается благодаря участию большой массы воздуха в распыливании.
В форсунках высокого давления подача основной массы воздуха, помимо форсунки,
приводит к снижению качества смешения и является причиной несколько повышенного
расхода воздуха.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Широко используемым в технике процессом, идущим
с выделением энергии, является горение топлива, при котором получается тепловая
энергия. Топливо, используемое в нагревательных печах, должно удовлетворять
следующим условиям:
достаточность запасов в природе и дешевизна его;
газообразность продуктов горения;
безвредность продуктов горения.
Обеспечение того или иного температурного режима
работы печей достигается выбором метода отопления и соответствующего
расположения горелочных устройств и дымоотводящих каналов.
В промышленных печах для сжигания газообразного
топлива применяют горелки, а для сжигания жидкого топлива - форсунки. В
термических печах. Где необходимо предохранить металл от окисления, топливо
сжигают в радиационных трубах, а рабочее пространство печи заполняют защитным
газом.
Целью выбора устройства для сжигания топлива
является определение его типоразмера и давления газа (мазута) и воздуха перед
устройством по заданной пропускной способности устройства по газу (мазуту).
Для обеспечения камерного режима необходимо
горелки (форсунки) и дымоотборные каналы равномерно распределить по длине
рабочего пространства.
Методический режим нагрева металла имеет место в
тех случаях, когда при встречном движении металла и дымовых газов горелочные
устройства располагают на одном конце рабочего пространства в зоне интенсивного
нагрева металла, а дымоотборные каналы - на другом, где металл загружается в
печь. При этом дымовые газы будут постепенно остывать, отдавая тепло металлу,
температура которого будет постепенно повышаться.
2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Задание: Изделие в форме параллелепипеда
размером l1 = 0,15 м, l2 = 0,23 м, l3 = 0,55 м, (l1-толщина, l2-ширина,
l3-длина), выполнено из однородного материала - сталь 45, имеющее одинаковую по
объему начальную температуру tн = 100°С, помещается в печь размером L1 = 1,6 м,
L2 = 1,4 м, L3 = 1,2 м, (L1-высота, L2-ширина, L3-длина). Печь наполнена газом
(CO2 9%, H2O 18%, N2 70%) с температурой tc = 950°C. Определить температуру в
заданных точках (в центре, в углах и в центре торца) через время τ
= 18 мин.
после помещения изделия в печь, если нагрев происходит при постоянном
коэффициенте теплоотдачи.
Решение:
Эффективная длина луча:
м
- объем заполненный излучающим
газом, м3;
- площадь поверхности,
ограничивающая объем, м2.
Степень черноты продуктов сгорания:
- степень черноты СО2;
- степень черноты Н2О;
- поправочный коэффициент.
Степень развития кладки:
- площадь стенок печи, м2;
- тепловоспринимающая поверхность
металла, м2.
Коэффициент излучения с кладки на
металл:
Приведенная степень черноты:
- степень черноты металла,
- степень черноты газа.
Приведенный коэффициент излучения от
газов к металлу:
,
- коэффициент излучения с кладки на
металл;
- коэффициент лучеиспускания
абсолютно черного тела.
Плотность теплового потока:
где εпр -
приведенная степень черноты;
Тг - температура дымовых газов, К;
Тм - температура металла начальная,
К.
Коэффициент теплоотдачи излучением:
Критерий, характеризующий степень
теплотехнической массивности изделия:
- коэффициент теплоотдачи, 
- прогреваемая толщина, м;
- коэффициент теплопроводности, 
.
Критерий Фурье:
- время нагрева, с;
- коэффициент
температуропроводности, 
.
Расчет:
Определим эффективную длину луча:
Произведение парциального давления СО2 и Н2О на
эффективную длину луча:
Найдем степень черноты дымовых газов
при температуре 950˚С.
Согласно номограммам степени черноты
СО2 и Н2О:
Поправочный коэффициент на
парциальное давление водяного пара:
Степень черноты продуктов сгорания:
Степень развития кладки:
Коэффициент излучения с кладки на
металл:
Приведенная степень черноты:
Приведенный коэффициент излучения от
газов к металлу:
Плотность теплового потока:
Коэффициент теплоотдачи излучением:
Коэффициент теплопроводности: 
Коэффициент температуропроводности: 
Критерий Bi:
Критерий Фурье:
По номограммам находим:
; 
; 
; 
Отсюда находим искомую температуру в
центре, углах и в центре торца изделия:
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И
ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Кривандин В.А. Теория и конструкции металлургических печей /В.А.Кривандин. -
М.: Металлургия, 1986. Том 1,2.
.Исаченко
В.П. Теплопередача: учебник для вузов / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С.
Сукомел - М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с.
.
проф. д-р Минкевич Н.А. Печи и оборудование термических цехов[Текст]: учебник
для вузов / Н.А.Минкевич- М.: ОНТП, 1937. - 475 с.
1.