Расчёт роликовой печи для нагрева труб

Расчёт роликовой печи для нагрева труб

Введение

Роликовая печь - проходная печь непрерывного действия, подина которой состоит из большого числа вращаемых специальным приводом роликов, выполненных из жаропрочной стали или водоохлаждаемых. Отапливаются роликовые печи газообразным топливом с использованием радиационных труб, расположенных на продольных стенах печи выше и ниже роликов, или беспламенных (чаще всего) горелок; существуют также электрические печи. При использовании беспламенных горелок основным источником лучистого теплообмена в рабочем пространстве роликовой печи является кладка, точнее (учитывая конфигурацию рабочего пространства) - свод печи. Роликовые печи применяют для термической обработки металлических изделий и, реже, для нагрева металла перед горячей обработкой давлением.

Преимущество роликовой печи перед другими печами проходного типа одно: роликовая подина наилучшим образом соответствует условиям поточного производства, т. к. она легко встраивается в цеховые рольганги.

Самым ответственным элементом роликовой печи являются ролики. Их стойкость зависит от температуры в печи и ширины печи. Печи с температурой газа 800-1000°С оснащают неохлаждаемыми роликами, а с температурой 1000-1200°С - роликами с водоохлаждаемым несущим валом, пространство между которым и бочкой заполнено теплоизолятором. В любом случае в роликах охлаждают цапфы. В подавляющем большинстве случаев ролики делают водоохлаждаемыми, с гладкой бочкой из жаропрочной хромоникелевой стали. Во избежание деформации бочки ролика, он должен вращаться постоянно, - остановки допустимы не дольше, чем на 3-4 минуты.

Кладка рабочего пространства печи выполняется из шамотного кирпича (внутренний слой) и любого теплоизоляционного материала (наружный слой).

Продукты горения топлива образуются непосредственно в рабочем пространстве печи от работы плоскопламенных горелок. Приблизительно до середины печи дым идёт навстречу металлу (в противотоке), а далее в прямотоке. Дым удаляется из печи вниз по вертикальным каналам в районе торцов печи, далее соединяется в единый поток, проходит рекуператор для подогрева воздуха и через дымовую трубу выбрасывается в атмосферу.

Для сокращения расхода топлива возможны следующие варианты:

1)      уменьшение поверхности (диаметра) теплообмена роликов и количества роликов исходя из расчётной механической прочности при минимальных коэффициентах запаса прочности;

)        создание эффективной теплоизоляции бочки роликов;

3)      сокращение времени термообработки за счёт повышения качества нагрева. Качество возможно повысить заменой обычных горелок на горелки с форкамерами или на радиационные трубы;

)        интенсификация конвективного теплообмена в рабочем пространстве печи (создание развитой рециркуляции, струйный нагрев сводовыми горелками в первом периоде нагрева и т.п.).

1. Расчет горения топлива

Состав исходного топлива (сухого газа):

Природный газ%

Температура подогрева воздуха, ^оC: 300

Коэффициент расхода воздуха n=1,07

Принимаем влажность исходного топлива W=10 г./м³.

Состав влажных газов:

X=X

XX=0,987 X

Состав влажного топлива

Расход кислорода на горение при коэффициенте расхода воздуха n=1

=0.01*(2*41.85+3.5*19.74+5*9.38+8*2.86)=3.36 м³/м³

Расход сухого воздуха:

=1.07*(1+3.762)*3.36=17.12 м³/м³

Объёмы компонентов продуктов сгорания:

=0.01*(0.2+41.85+2*19.74+3*19.15+4*9.338+5*2.86)=1.91 м³/м³

=0.01*0,5 (1.69+4*41.85+6*19.74+8*19.15+10*9.38+12*2.86)=5.71 м³/м³

=0.01*5.13+1.07*3.762*3.36=15.58 м³/м³

Объём продуктов сгорания:

=1.191+5.71+15.58+0.235=22.72 м³/м³

Процентный состав продуктов сгорания:

Низшая теплота сгорания топлива:

Q=127,7∙CO+108∙H₂+358∙CH₄+590∙C₂H₄+555∙C₂H₂+636∙C₂H₆+913∙C₃H₈+1185∙C₄H₁₀+1465∙C₅H₁₂+234∙H₂S=358*41,85+590*0+555*0+636*19,74+913*19,15+1185*9,38+1465*2,86=35940,09 кДж/м³=35,94 МДж/м³

Истинная энтальпия продуктов сгорания:

(35940+17.12*300*1.3181+3062.79)/22.72=3087 кДж/м³

Калориметрическая температура горения:

Энтальпия продуктов сгорания при температуре t_k

Зададим температуру t_k^’=1900 °C и при этой температуре находим энтальпию продуктов сгорания:

= (4634.76*1.91+3657.85*5.71+2808.25*15.58+2971.3*0.235)/22.72=3265.38 кДж/м³

Поскольку i₁₉₀₀>i₀, то принимаем температуру t_k^’’=1800 °C и снова находим энтальпию продуктов сгорания

= (4360,67*1,91+3429,9*5,71+2646,74*15,58+2800,48*0,235)/22,72=3072,48 кДж/м³

Теперь определяем калориметрическую температуру горения:

Действительная температура продуктов сгорания:

2. Расчет времени нагрева

Время нагрева металла в печи с плоскопламенными горелками рассчитывается по формуле:

τ=

где q - средний в пределах зоны результирующий поток на металл, Вт/м²;

S - расчётная толщина металла, м;

С - средняя в интервале температур t_нач - t_кон теплоемкость металла, Дж/(кг* К);

ρ - плотность металла, кг/м3;

t_K, t_H - температуры металла в конце и в начале зоны, °С.

Средний результирующий поток на металл определяется по формуле:

где q_нач, q_кон - результирующие потоки на металл в начале и в конце со

ответственно, .

Результирующий поток на металл для печи с плоскопламенными горелками равен:

где С_пр - приведенный коэффициент излучения системы;

,  - степень черноты и температура газов в зоне горения;

, - степень черноты и температура газов в зоне теплообмена;

ε_м - степень черноты металла;

Т_к - температура кладки.

Приведенный коэффициент излучения системы:

где =5,7 ;

- конвективный тепловой поток от факела на кладку, Вт/м;

 - степень черноты кладки.

Температура кладки, ºС:

,

Принимаем, что температура в зоне горения равна действительной температуре горения топлива:

Определим температуру газов в зоне теплообмена

Найдем парциальные давления CO₂ и H₂O

Р_CO2=98,1∙0,0841=8,25 кПа

Р_H2O=98,1∙0,2513=24,65 кПа

Для рассматриваемого случая слой газов в зонах горения и теплообмена можно принять плоскопараллельным бесконечной протяженности. В этом случае эффективная длина луча определяется по формуле:

Толщину зоны горения принимаем равной Н’=0,1 м. Толщина зоны теплообмена с учетом толщины металла δ равна:

Н»=Н - Н’ - δ=1,5-0.1-0.108=1.29 м

Тогда  и .

Для зоны горения

Р_CO2∙S^’_эф=8,25∙0,18=1,49 кПа·м

Р_H2O∙ S^’_эф=24,65∙0,18=4.44 кПа·м

По номограммам находим

ε_CO2=0,04; ε_H2O=0,05 и β=1,15.

Тогда ε_H2O^’=0,05*1.15=0.0575

Для зоны теплообмена:

Р_CO2∙S^»_эф=8,25∙=19,16 кПа·м

Р_H2O∙ S^»_эф=24,65∙=57,24 кПа·м

По номограммам находим:

:

ε_CO2=0,12; ε_H2O=0,22 и β=1,11.

:

ε_CO2=0,11; ε_H2O=0,22 и β=1,11.

=0,11+1,11∙0,22=0,3542

Найдем тепловой поток излучением на кладку по формуле:

в начале печи:

в конце печи:

Найдем температуру кладки одним из методов последовательных приближений - методом простой итерации:

Принимаем коэффициент теплоотдачи конвекцией от факела к кладке равным α^конв=100 Вт/м²∙К. Найдем конвективный тепловой поток:

В начальном приближении принимаем температуру кладки

ºС

Найдем конвективный тепловой поток:

По формуле найдем температуру кладки:

Так как получено большое расхождение между принятым и рассчитанным значениями температуры кладки, принимаем новое значение, равное среднеарифметическому из двух:

 ºС

По формуле найдем температуру кладки:

 ºС

По формуле найдем температуру кладки:

По уточненному значению температуры кладки:

 ºС

Найдем приведенный коэффициент излучения системы:

Результирующий поток на металл в начале печи (учитывая, что  равен

в конце печи:

 ºС

Найдем конвективный тепловой поток:

 ºС

По формуле найдем температуру кладки:

 ºС

По формуле найдем температуру кладки:

 ºС

По формуле найдем температуру кладки:

По уточненному значению температуры кладки:

 ºС

Найдем приведенный коэффициент излучения системы:

Результирующий поток на металл равен

Средняя по длине плотность результирующего теплового поток на металл равна:

Расчетная толщина металла:

,

Bi=100*0,0077/28,15=0,03<0.25, следовательно, заготовки являются термически тонким телом.

μ - коэффициент нессиметричности нагрева (μ=0,53);

λ₁₀₅₀ =28,15 Вт/(м*К)

Время нагрева металла:

3. Расчет основных размеров печи

Для обеспечения производительности 29,3 т/ч в печи одновременно должно находится следующее количество металла:

Длину печи определяем по формуле:

где g - масса нагреваемого металла на 1 м длины печи, равная:

где ρ - плотность металла, кг/м³;

V_м - объём нагреваемого металла, м³;

d₂ - наружный диаметр труб, м;

d₁ - внутренний диаметр труб, м;

n - количество труб на в пакете, шт.

Принимаем длину печи, равной 10 м.

Принимаем, что свод печи выполнен из шамотноволокнистых плит ШВП-350 300 мм. Стены также имеют толщину 300 мм и выполнены из того же материала, что и свод. Под печи двухслойный: высокоглиноземистый кирпич толщиной 460 мм и диатомитовый кирпич 115 мм.

4. Тепловой баланс печи

Цель составления теплового баланса - определение расхода топлива.

При составлении балансов примем некоторые упрощения: пренебрегаем переносом тепла излучения, будем опускать расходные статьи баланса, не превышающие 5% от всего расхода.

А. Приход тепла

1) Тепло, образующееся при сжигании топлива.

Q_хим=B∙Q^р_н=35,94 ∙В МВт

) Физическое тепло, вносимое подогретым воздухом:

, где

V_в - расход воздуха на 1 м³ топлива

i_в=395,42 кДж/м³ - энтальпия воздуха при температуре 300 ^оC;

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

) Окислением металла пренебрегаем

∑Q_приход= Q_хим+ Q_физ=35940 ∙В+6769,59∙В=42709,59∙В

Б. Расход тепла

1)      Полезное тепло, расходуемое на нагрев металла:

, где

с_м - средняя в интервале температур  и  теплоемкость материала, кДж/ кг∙К

,  - конечная и начальная средние по массе температуры материала, ⁰С

2)      Тепло, уносимое уходящими продуктами сгорания:

При t=927,5⁰С

3)      Потери тепла теплопроводностью через кладку:

Свод.

Найдем площадь свода.

F_T=B∙L_T=(1,6+2∙0.3)∙10=22 м²

Принимаем температуру внутренней поверхности кладки на своде равной средней температуре внутренней поверхности кладки в начале и в конце печи:

tш=0,5∙(915+1145)= 1030ºC

Примем температуру наружной поверхности свода равной tн=100 ºC

Средняя температура шамотного слоя:

Теплопроводность шамота:

 Вт/м∙ ºC

Потери тепла через свод:

Стены.

Температуру внутренней поверхности стен принимаем равной , температуру наружной поверхности t_нар=60 °С. Стены состоят из слоя шамота м.

С учетом толщины футеровки поверхность стен равна:

торцевой (1,6+2∙0,3)∙1,5=3,3 м²

- боковых 2∙10∙1,5= 30 м²

Таким образом, получили, что общая поверхность стен равна:

F_ст=3,3+30=33,3 м².

Запишем выражения для средних температур слоя шамота:

Соответственно,

λ_ш= 0,835+0,58∙10^-3∙t_ш

При стационарном режиме

Тогда

λ_ш= 0,835+0,58∙10^-3∙630=1,2 Вт/м∙К

Потери тепла через стены будут равны:

Общие потери теплопроводностью в печи:

=69,11+120,25=189,36 кВт.

) Потери тепла на охлаждение роликов:

Для охлаждения одного ролика необходим расход воды, равный 0,5 м³/ч.

Число роликов в проектируемой печи:

n2=L/S=10/0,5=20

Расход воды на охлаждение цапф всех роликов

Vвод=0,5*20= 10 м³/ч =0,003 м³/с

Принимаем, что вода поступает на охлаждение роликов с начальной температурой tн=5ºС, нагревается до температуры tк=45ºС. Найдем количество тепла, уносимое с водой:

=V в∙Св∙(tк-tн)=0,003∙4,187∙(45-5)=0,465 кВт.

5)      Неучтенные потери принимаем равными 10% от потерь тепла с уходящими газами:

 кВт

Запишем уравнение теплового баланса печи:

Q_хим+ Q_физ=  + + +Q_неуч

,59∙В = 4845,41+32117,27∙B+3211.73∙B+189.36 +0,465

Решая уравнение, получим:

В=0,7 м³/с

3. Результаты расчета теплового баланса.

Таблица 1. Приходная часть теплового баланса

Таблица 2. Расходная часть теплового баланса

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:

ƞ_кпд =Qпол/Qприх=4845,41/29896,71=0,2221 (22,21%)

Коэффициент полезного действия рабочего пространства:

ƞ_кпд =Qпол/(Qхим+ Qфиз - Qух)=4845,41/(29896,71-22482,089)=0,653 (65,35%)

Общее потребление тепла печью:

Q∑=Qпол/η=29896,71/0,653=45783,63 кВт

Скорость движения труб через печь, м/с:

W=L/τ

W=22/329=0,067 м/с.

Используем непрерывный метод движения, вращая ролики с расчетной скоростью.

5. Выбор горелок

Для осуществления равномерного нагрева свода принимаем шахматное расположение горелок на своде с шагом по длине и по ширине печи S=1 м. Тогда число рядов по длине печи:

По ширине печи 1 горелка.

Расход природного газа на одну горелку:

Таблица 3. Краткая характеристика горелок типа ГППС-3

топливо сгорание печь горелка

Так как в данном случае заготовки ялвяются являются термическитонкими телами, то температура центра и поверхности заготовки будут совпадать, что очень точно отражено на графике.

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