Расчет методической трехзонной толкательной печи с наклонным подом

Расчет методической трехзонной толкательной печи с наклонным подом

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Красноярский Государственный Технический Университет

Кафедра Промышленной теплоэнергетики

Курсовая работа

Расчет методической трехзонной толкательной печи с наклонным подом

Красноярск 2011

Задание

Спроектировать методическую трехзонную толкательную печь с наклонным подом для нагрева заготовок из малоуглеродистой стали с размерами d=305 мм, l=400 мм. Производительность - 60000 кг/ч, tКОН=1030 °С. Топливо: газ, %

СН4=0,5

СО2=8,5

N2=1,5

О2=2,2

СО=37

Н2=50

Н2S=0,3

qH2O=10 г/м3

tВ=280 °С.

1. Расчет горения топлива

Рассчитываем состав влажного газа по составу сухого и влажности г/м3. Коэффициент пересчета с сухого газа на влажный определяем по формуле:

Состав влажного газа находим по содержанию сухого газа и величине К:

Сумма всех составляющих:

.

Определяем низшую теплоту сгорания топлива, кДж/м3:

Расчет теоретически необходимого объема кислорода для горения, м3/м3:

Теоретический расход воздуха для горения, м3/м3:

,

где  - объемная доля О2 в воздухе (- для атмосферного воздуха).

Действительный расход воздуха для горения, м3/м3:

,

где α - коэффициент избытка воздуха, принимается по [1].

Объемы продуктов сгорания (м3/м3), получившиеся в результате горения:

объем углекислого газа

объем азота

объем избыточного кислорода

объем водяного пара

объем сернистого газа

общий объем продуктов сгорания

Состав продуктов сгорания (%) определяется:

Для проверки правильности расчета горения топлива составляют материальный баланс, на основании закона сохранения массы:

где Gт - масса топлива, кг;

Gв - масса воздуха, необходимого для горения, кг;

Gп.с. - масса продуктов сгорания, получившихся, в результате горения, кг.

Масса топлива, кг:

,

где Vт - единица объема газа на которую ведется расчет, м3;

ρт - плотность газа, кг/м3

где  …… - молекулярная масса соответствующего компонента.

Масса воздуха, кг:

,

где кг/м3 - плотность воздуха.

Масса продуктов сгорания, кг:

где  - плотность продуктов сгорания, кг/м3

Результаты расчета сводятся в таблицу 1.

Таблица 1. Материальный баланс горения

Производим расчет неувязки баланса:

%

Величина неувязки не превышает 1%.

Для определения калориметрической температуры сгорания рассчитываем энтальпию продуктов сгорания, кДж/м3:

,

где Qв - теплота вносимая подогретым воздухом, кДж.

,

где iв - энтальпия подогретого воздуха (определяется по [1]), кДж/кг.

Определяем энтальпию продуктов сгорания при температуре t1=2200 °С, кДж/м3:

.

Определяем энтальпию продуктов сгорания при температуре t2=2300 °С, кДж/м3:

.

Значение калориметрической температуры, °С:

.

Действительная температура горения, °С:

,

где  - пирометрический коэффициент (для методических печей ).

2. Определение размеров рабочего пространства печи

Основными размерами рабочего пространства печи являются - ширина, длина, высота. Определяющими условиями при этом являются геометрические размеры нагреваемых изделий, рациональный характер движения газов, соответствующее расположение топливосжигающих устройств, быстрый и качественный нагрев металла.

Для методических печей общее число изделий, находящихся в рабочем пространстве в единицу времени, неизвестно, поэтому размеры определяются предварительно, а затем в процессе расчета уточняются.

Ширина печи, при расположении заготовок в шесть рядов, м:

,

где l - длина заготовки, м;

а - расстояние между заготовками и между концами заготовок и стенками печи, м.

Начальная высота печи, м:

,

где d - диаметр заготовки, м.

Высота печи в конце сварочной зоны, м:

.

Средняя высота печи, м:

.

Средняя высота методической зоны, м:

.

Средняя высота сварочной зоны, м:

.

Эскиз печи представлен на рис.1.

3. Температурный режим работы печи и нагрева металла

Распределение температур по длине печи представлено на рис.2.

Максимальная температура печи, °С:

Начальная температура печи, °С:

Температура печи в конце томильной зоны, °С:

.

Начальную температуру металла принимаем равной 20 °С.

Температура металла в конце методической зоны (°С), определяется по формуле:

,

где S - характерный размер изделия, м

μ - коэффициент несимметричности нагрева (для одностороннего нагрева μ=0,75-0,8).

Тогда

Рис.2. Температурный режим печи

4. Расчет теплообмена в рабочем пространстве печи

Теплообмен излучением является преобладающим. В расчетах определяется величина коэффициента теплоотдачи излучением. Она находится для каждой зоны методической печи.

Рассчитываем теплообмен в методической зоне.

Степень развития кладки:

.

Парциальное давление углекислого газа и водяного пара в продуктах сгорания, кН/м2:

Определяем эффективную толщину газового слоя, м:

Находим произведение , кН/м:

Зная произведение , находим по номограммам [2] степени черноты углекислого газа  и водяного пара , а также поправочный коэффициент β, при начальной и конечной температуре газов в методической зоне.

При : При :

 .

Степень черноты газов определяется по формуле:

.

Степень черноты металла принимаем .

Определяем приведенные коэффициенты излучения в системе газ-металл, Вт/(м2·К4):

.

Определяем коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м2·К):

Суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К):

.

Рассчитываем теплообмен в сварочной зоне.

Степень развития кладки:

.

Определяем эффективную толщину газового слоя, м:

Находим произведение , кН/м:

Зная произведение , находим по номограммам [2] степени черноты углекислого газа  и водяного пара , а также поправочный коэффициент β.

При :

.

Степень черноты газов определяется по формуле:

Определяем приведенные коэффициенты излучения в системе газ-металл, Вт/(м2·К4):

Определяем коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м2·К):

.

Суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К):

.

5. Расчет времени нагрева металла

Для расчета времени нагрева определяется величина критерия Био, характеризующего теплотехническую массивность нагреваемого изделия.

Для методической зоны.

,

где λ - коэффициент теплопроводности изделия, при средней температуре металла в методической зоне, Вт/(мК).

Так как значение критерия Bi >0,3, то изделие термически массивное. Расчет времени нагрева производим с использованием графических зависимостей (графики Будрина):

,

где  - температурный критерий;

Fo - критерий Фурье;

Х - безразмерная координата, определяющая местоположение рассматриваемой точки.

Определяем температурный критерий для поверхности нагреваемого изделия:

,

где tп - средняя температура печи в методической зоне, °С

.

По графикам Будрина [2] определяем критерий Фурье:

Fo1=1,3.

Время нагрева металла в методической зоне, ч:

,

где a - коэффициент температуропроводности при средней температуре металла, м2/ч.

Температурный критерий для центра заготовки также определяем по графикам Будрина:

тогда температура в центе заготовки в конце методической зоны, °С:

.

Для сварочной зоны.

,

где λ - коэффициент теплопроводности изделия, при средней температуре металла в сварочной зоне, Вт/(мК).

Так как значение критерия Bi >0,3, то изделие термически массивное.

Определяем температурный критерий для поверхности нагреваемого изделия:

,

где tп - средняя температура печи в сварочной зоне, °С.

По графикам Будрина [2] определяем критерий Фурье:

Fo2=0,41.

Время нагрева металла в методической зоне, ч:

.

Температурный критерий для центра заготовки также определяем по графикам Будрина:

тогда температура в центе заготовки в конце сварочной зоны, °С:

Определяем температурный перепад по сечению металла в конце сварочной зоны, °С:

Степень выравнивания температуры, при условии что разница между температурой центра и поверхности не должна превышать 50 °С, определяется по формуле:

.

Это соответствует числу Фурье Fo3=0,09 , тогда время выдержки, ч:

.

Суммарное время нагрева составит, ч:

.

Определяем длину печи, м:

,

где g - вес одного изделия, кг

V - объем одного изделия, м3

ρ - плотность материала, кг/м3

.

λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);

с - теплоемкость материала, Дж/(кг·К);

а - коэффициент температуропроводности, м2/ч.

Длина методической и сварочной зоны: 39,8 м, а длина томильной зоны 3,1 м.

6. Составление теплового баланса. Определение расхода топлива

При проектировании печи тепловой баланс составляется с целью определения расхода топлива. Тепловой баланс печи состоит из равных между собой приходной и расходной частей, каждая из которых складывается из ряда статей.

Статьи приходной части

Теплота, образующаяся при сжигании топлива, кВт:

,

где В - расход топлива, м3/с.

Физическая теплота, вносимая подогретым воздухом, кВт:

,

где iв - энтальпия подогретого воздуха, кДж/м3.

Теплота экзотермических реакций (теплота окисления железа), кВт:

,

где Р - производительность печи кг/с;

а - угар металла кг/кг.

Статьи расходной части

Полезная теплота, расходуемая на нагрев материала, определяется по формуле:

,

Конечная температура металла, °С:

.

Средняя температура металла, °С:

см=0,565685 (кДж/кг) - средняя теплоемкость металла.

Определяем полезную теплоту, кВт:

.

Теплота, уносимая уходящими продуктами сгорания, определяется по формуле:

,

где tд - температура уходящих дымовых газов, °С;

iд - энтальпия уходящих дымовых газов, кДж/м3:

.

Теплота, уносимая уходящими продуктами сгорания, кВт:

Потери теплоты теплопроводностью через кладку печи, определяются по формуле:

Средняя температура печи, °С:

Определяем площадь свода, м2:

.

Средняя температура огнеупорного материала (шамота), °С:

Коэффициент теплопроводности шамота при определяющей температуре, Вт/(м·К):

Принимаем толщину огнеупорного кирпича δ1=250 мм.

Суммарный коэффициент теплоотдачи α от стенки к воздуху принимаем равным 11,63 вт/(м2К).

Потери теплоты через свод печи, кВт:

Определяем площадь боковых и торцевых стен, м2:

Принимаем толщину изоляционного слоя (диатомита) δ2=125 мм.

Температура на границе раздела между шамотом и диатомитом определяется из уравнения:

,

где

.

Решая уравнение получаем :

tгр=690 °С;

λ1=1,083 Вт/(м·К);

λ2=0,321 Вт/(м·К).

Потери теплоты через боковые и торцевые стенки печи, кВт:

Суммарные тепловые потери, кВт:

Неучтенные потери принимаем равными, кВт:

Из условия равенства приходной и расходной частей получаем:

,

,

Определяем все приходные и расходные статьи теплового баланса рабочего пространства печи, результаты сводим в таблицу 2.

Таблица 2. Тепловой баланс рабочего пространства печи

7. Выбор топливо сжигающих устройств

Устанавливаем 12 горелок. Принимаем давление газа Рг=5 кПа, а давление воздуха Рв=1,6 кПа.

Определяем расход газа на одну горелку, м3/с:

Определяем необходимое количество воздуха, м3/с:

Расчетный расход воздуха, м3/с:

.

толкательный печь сталь заготовка

Действительный расход газа через горелку, м3/с:

где  - поправка на плотность газа.

Выбираем горелки типа ДВС 110/40.

8. Расчет потерь напора в газоходе и определение высоты дымовой трубы

Расчет потерь напора в газоходе

Суммарные потери напора в газоходе рассчитываются:

где  - потери напора на местное сопротивление, Н/м2;

 - потери напора на трение, Н/м2;

 - потери геометрического напора , Н/м2.

Размеры вертикальных каналов:

b1 =1,15 м;

l1 =0,85 м;

h1 =3,2 м.

Размеры горизонтальных каналов:

b2 =1,25 м;

l2 =5,9 м;

h2 =1,5 м.

Размеры центрального борова:

b3 =1,35 м;

l3 =8,3 м;

l4 =53 м;

h3 =1,7 м.

Потери напора в рекуператоре hрек=55 Н/м2.

Принимаем падение температуры в горизонтальных участках 2 °С на 1 метр длины. В вертикальных участках - 20 °С на 1 метр длины. Падение температуры в дымовой трубе 1°С на 1 метр длины. Падение температуры в рекуператоре 400 °С.

Определяем объем дымовых газов, м3/с:

Разбиваем дымовой тракт на участки (рис.3).

Рис.3. Схема дымового тракта печи

Первый участок

Местные потери, Н/м2:

где  - сумма коэффициентов местных сопротивлений (поворот на 900 и внезапное сужение);

w0 - скорость движения газов по газоходу, м/с:

Температура газов в конце первого участка, °С:

,

Определяем гидравлический диаметр газохода, м:

Определяем критерий Рейнольдса для данного участка:

,

где ν - кинематический коэффициент вязкости дымовых газов при средней температуре газов м2/с.

Определяем коэффициент трения для турбулентного режима течения газов:

Определяем потери напора на трение, Н/м2:

 - средняя температура газов по длине газохода, °С:

.

Потери геометрического напора, Н/м2:

Второй участок

Местные потери, Н/м2:

где  - сумма коэффициентов местных сопротивлений (поворот на 900 и внезапное расширение);

w0 - скорость движения газов по газоходу, м/с:

Температура газов в конце второго участка, °С:

,

Определяем гидравлический диаметр газохода, м:

Определяем критерий Рейнольдса для данного участка:

,

Определяем коэффициент трения для турбулентного режима течения газов:

Определяем потери напора на трение, Н/м2:

 - средняя температура газов по длине газохода, °С:

.

Третий участок

На данном участке нет местных сопротивлений.

Определяем скорость движения газов по газоходу, м/с:

Температура газов в конце третьего участка, °С:

.

Определяем гидравлический диаметр газохода, м:

Определяем критерий Рейнольдса для данного участка:

,

Определяем коэффициент трения для турбулентного режима течения газов:

Определяем потери напора на трение, Н/м2:

 - средняя температура газов по длине газохода, °С:

.

Четвертый участок

Местные потери, Н/м2:

где  - сумма коэффициентов местных сопротивлений (поворот на 900);

w0 - скорость движения газов по газоходу, м/с:

Температура газов в конце четвертого участка, с учетом установки рекуператора между третьим и четвертым участком, °С:

,

Определяем гидравлический диаметр газохода, м:

Определяем критерий Рейнольдса для данного участка:

,

Определяем коэффициент трения для турбулентного режима течения газов:

Определяем потери напора на трение, Н/м2:

 - средняя температура газов по длине газохода, °С:

.

Определяем полные потери напора в газоходе, Н/м2:

Расчет высоты дымовой трубы

Из условия, что площадь основания дымовой трубы равна площади сечения четвертого участка газохода, а диаметр устья дымовой трубы в 1,5 раза меньше диаметра её основания, получаем:

;

;

;

.

Тогда средний диаметр дымовой трубы, м:

.

Определяем скорости движения газов на входе и выходе трубы, м/с:

.

Средняя скорость движения газов, м/с:

.

Предварительно принимаем высоту трубы равной 33 м, тогда температура газов на выходе из дымовой трубы составит, °С:

,

тогда средняя температура дымовых газов, °С:

.

Определяем плотность дымовых газов при средней температуре, кг/м3:

.

Определяем критерий Рейнольдса:

,

Определяем коэффициент трения для турбулентного режима течения газов:

Высота дымовой трубы находится из выражения:

Подставляем значения:

После вычислений получаем, что высота дымовой трубы равна:

Н=33 м.

Список используемой литературы

1. Проектирование топливных нагревательных печей: Метод. Указания по курсовому проектированию / Сост. О.Г. Шишканов; КГТУ. Красноярск, 2007г.

2.      Высокотемпературные теплотехнологические процессы и установки: Учебное пособие / Под ред. В.А. Кулагина. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2007 г.

.        Мастрюков Б.С. Теория, конструкция и расчеты металлургических печей. Т.2. Расчеты металлургических печей. М.: металлургия, 2006 г.

.        Миткалинный В.И., Кривандин В.А. Металлургические печи: Атлас. М.: Металлургия, 2007 г.