Нагрев заготовок квадратного сечения в методической нагревательной печи с шагающим подом

Вид работы:

Дипломная (ВКР)
Предмет:

Другое
Язык:

Русский
,
Формат файла:
MS Word

679,59 Кб
Опубликовано:

2012-06-19

Все дипломные работы по другим направлениям

Скачать дипломную работу Читать текст online Заказать дипломную
*Помощь в написании! Посмотреть все дипломные работы

Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.

Нагрев заготовок квадратного сечения в методической нагревательной печи с шагающим подом

Содержание

Введение

. Аналитический обзор литературы

.1 Назначение и характеристика тепловой работы методических нагревательных печей

.2 Общая характеристика методических нагревательных печей

.3 Исследование тепловой работы методических печей

. Тепловой расчет методической печи

.1 Расчет горения топлива

.2 Расчет времени нагрева металла

.2.1 Расчет времени нагрева металла в методической зоне

.2.2 Расчет времени нагрева металла в сварочной зоне

.2.3 Расчет времени нагрева металла в томильной зоне

.3 Определение основных размеров печи

.4 Тепловой баланс печи

.4.1 Статьи прихода тепла

.4.2 Статьи расхода тепла

.4.3 Тепловой баланс томильной зоны

.4.4. Тепловой баланс сварочной зоны

.4.5 Тепловой баланс методической зоны

.4.6. Тепловой баланс печи

.5. Выбор горелок

. Математическое моделирование нагрева металла с применением программно-вычислительного комплекса FLUENT

.1 Математическая модель нагрева металла в методической печи

.2 Описание программно-вычислительного комплекса FLUENT

.3 Выбор моделей в ПВК FLUENT

.4 Построение геометрии

.5 Результаты математического моделирования нагрева металла в методической нагревательной печи с применением ПВК FLUENT

.6 Задача внутреннего теплообмена в металле

. Безопасность жизнедеятельности

.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов

.2 Санитарно-гигиеническая и противопожарная характеристики помещений лаборатории

.2.1 Описание лаборатории

.2.2 Микроклимат помещения

.2.3 Освещение помещения. Расчет естественного и искусственного освещения

.2.4 Безопасность при устройстве и эксплуатации коммуникаций

.3 Разработка мер защиты от опасных и вредных факторов

.3.1 Защита от поражения электрическим током. Расчет защитного заземления

.3.2 Защита от нервно-психических перегрузок

.3.3 Расчет дозы ионизирующего излучения при работе с персональным компьютером

.4 Экологическая безопасность

.4.1 Производство

.4.2 Эксплуатация ПК

.4.3 Утилизация ПК

.5 Безопасность жизнедеятельности в чрезвычайных ситуациях

. Экономика и организация производства

.1 Технико-экономическое обоснование работы

.2 Смета затрат на проведение исследовательской работы НИР

.3. Определение экономической эффективности

.3.1 Расчёт прибыли от реализации продукции

.3.2 Определение рентабельности продукции

.3.3 Определение рентабельности продаж

.3.4 Определение затрат на 1 рубль реализованной продукции

.3.5 Точка безубыточности

.3.6 Срок окупаемости внедрения НИР

.3.7 Технико-экономические показатели

Выводы

Список использованной литературы

Введение

Нагревательные и термические печи являются основным технологическим звеном металлообрабатывающей, машиностроительной и других отраслей промышленности. Нагрев металла перед обработкой давлением или при термообработке металлических изделий является достаточно сложным процессом, при котором одновременно протекают явления, связанные с течением жидкости, тепло- и массообменном, химическими реакциями. В тоже время от правильного выбора технологического режима нагрева зависит качество получаемых изделий.

Эффективность проектирования и эксплуатации печей в значительной степени определяется уровнем наших знаний о происходящих в печи процессах и совершенством методов их расчета. При этом возникает необходимость понимания и исследования этих процессов для выбора наиболее безопасных и эффективных режимов работы нагревательной печи.

Информацию о происходящих в печи теплофизических процессах можно получить при проведении натурных экспериментов в промышленных условиях. Но в большинстве случаев такие полномасштабные опыты чрезмерно дороги и часто невозможны.

Альтернативой является теоретическое исследование с применением математического моделирования. Достоинствами теоретического исследования являются низкая стоимость, быстрота исследования, возможность получения значений всех переменных во всей исследуемой области, возможность моделирования как реальных, так и идеальных условий.

Детерминированные математические модели теплофизических процессов давно и широко применяются исследователями и проектировщиками для совершенствования конструкций и режимов работы промышленных печей.

Однако такие модели не удовлетворительны с точки зрения качества математического описания движения газов внутри печного пространства. Между тем без такого описания невозможно с достаточной точностью описать процессы конвективного переноса тепла и массы, играющие важную роль в формировании поля температур и концентраций компонентов продуктов сгорания.

Современное развитие математического моделирования и компьютерных технологий привело к созданию мощных программно-вычислительных комплексов. Эти программные продукты позволяют успешно и с высокой точностью решать довольно сложные задачи вычислительной теплофизики и детально описывать все происходящие при этом процессы.

Применение современных ПВК достаточно часто встречается в практике зарубежных исследователей при совершенствовании и проектировании тепловых технологических агрегатов металлургической и других отраслей промышленности.

Одним из таких программно-вычислительных комплексов является FLUENT - продукт, предоставляемый компанией ANSYS Inc и обладающий широким набором моделей для расчета процессов гидрогазодинамики, тепло- и массообмена, горения.

В данной дипломной работе с помощью ПВК FLUENT проведено моделирование нагрева заготовок квадратного сечения в методической нагревательной печи с шагающим подом.

1. Аналитический обзор литературы

.1 Назначение и характеристика тепловой работы методических нагревательных печей

Нагрев металла перед обработкой давлением или при термообработке является важной стадией технологического процесса предприятий черной металлургии.

Важное значение при нагреве металла имеет тепловой и температурный режим работы печи. Нагревательные печи могут работать по радиационному или конвективному режиму, или по смешанному.

В печах работающих по радиационному режиму, в состоянии лучистого теплообмена между собой находятся источник излучения тепловой энергии, т.е. факел и раскаленные продукты сгорания, образующиеся при сгорании газообразного или жидкого топлива, футеровка печи и нагреваемый материал. Лучистый теплообмен преобладает при высоких температурах.

При невысоких температурах большую роль играет конвективный теплообмен. Коэффициент теплоотдачи конвекцией увеличивается с ростом скорости движения газов в рабочем пространстве печи.

Распространение тепла внутри нагреваемого металла, а также в слое футеровки печи происходит за счет теплопроводности. Теплофизические характеристики материалов изменяются с изменением температуры.

При нагреве металла необходимо выбирать наиболее рациональный температурный режим. Выбор режима определяется в первую очередь степенью массивности слитков. Степень массивности слитков определяют значением критерия Био, выражающим отношение интенсивности внешнего теплообмена к интенсивности внутреннего. При Bi → 0 разность температур по сечению стремится к нулю. Такие тела называют термически тонкими. При больших значения числа Био, характерных для термически массивных тел, наоборот, температура поверхности при нагреве стремится к температуре окружающей среды, в то время, как температура в центре заготовки изменяется медленно.

От правильного выбора температурного режима зависит качество получаемого металла. Необходимо осуществлять медленный нагрев до температуры перехода в область пластических деформаций, т.е. до температуры 500-600 ºС. Иначе в металле могут возникать опасные термические напряжения, приводящие к разрушению слитков при дальнейшей обработке.

При высоких температурах, напротив, необходимо вести ускоренный нагрев, т.к. при высоких температурах происходит интенсивный массообмен на поверхности заготовок. Это приводит к окислению и обезуглероживанию поверхности, что также снижает качество получаемого металла и приводит к потере 1 - 2 %, а иногда и 3% массы металла. Кроме того, высокие температуры опасны образованием вредных для окружающей среды оксидов азота. Таким образом, нагрев металла необходимо осуществлять в несколько этапов.

Нагрев тонких тел осуществляю по одно- или двухступенчатому режиму, поскольку опасными напряжениями можно пренебречь.

Нагрев массивных тел производят по трехступенчатому режиму. По числу зон отопления нагревательные печи могут быть многозонными.

Все эти меры применяются для достижения наиболее эффективных результатов, экономии металла и топлива, снижения затрат, уменьшения брака, снижения нагрузки на окружающую среду.

.2 Общая характеристика методических нагревательных печей

Нагреву подвергают заготовки квадратного (блюмы) и прямоугольного (слябы) сечения и цилиндрические заготовки. Блюмы и слябы нагревают как в толкательных печах, так и в печах с механизированным подом. Цилиндрические заготовки нагревают только в печах с механизированным подом (кольцевых и секционных).

Толкательные печи наиболее просты и дешевы в своем использовании. Однако толкательные печи обладают рядом недостатков. В таких печах заготовки лежат вплотную на поду печи и при их проталкивании заготовки трутся друг о друга и о подину, что ухудшает качество поверхности, приводит к истиранию образовавшегося слоя окалины, что, в свою очередь, приводит к снижению выхода годного и снижению срока службы футеровки печи. Кроме того, ограничена производительность таких печей.

Эти недостатки привели к созданию печей с механизированным подом: печи с роликовым подом, шагающим подом и шагающими балками. В таких печах заготовки располагают с зазором, что не только предохраняет их от истирания поверхности, но и ускоряет их нагрев.

В печах с шагающими балками осуществляется четырехсторонний нагрев заготовок, в печах с шагающим подом - трехсторонний. Таким образом, металл получает тепло от разогретых газов и футеровки печи не только к верхней поверхности, но и к боковым граням заготовки. Кроме того, тепло передается и переотражением от подины.

Нагревательные печи разбивают на теплотехнические зоны, совпадающие с зонами отопления: методическую, сварочную и томильную. В методической зоне происходит подогрев металла, поэтому целесообразно использовать методическую зону как утилизатор тепла продуктов сгорания, покидающих сварочную и томильную зоны.

Температура в начале печи оказывает большое влияние на производительность, поскольку определяет интенсивность передачи тепла к поверхности относительного холодного металла. Здесь наблюдается наивысший перепад температур между печью и поверхностью нагреваемого металла, и, следовательно, наивысший тепловой поток на поверхность металла, ограничиваемый лишь возникновением чрезмерного перепада температур по сечению заготовки. Температура в начале печи определяется качеством нагреваемого металла. Для углеродистых и низколегированных сталей эта температура практически неограниченна и достигает 800 - 950 ºС, а иногда и 1000 ºС. Однако существуют марки стали, которые недопустимо помещать в печь, температура которой выше 600 - 650 ºС.

В сварочной зоне происходит быстрые нагрев металла до конечной температуры поверхности металла. Температура в сварочной зоне обычно на 100 - 150 ºС выше конечной температуры поверхности металла. Тепловая мощность сварочной зоны при двухзонном режиме отопления достигает 55 - 70 % общей тепловой мощности печи.

В томильной зоне происходит выравнивание температуры по сечению. Потребление тепла в томильной зоне существенно снижается, поэтому расход газа гораздо ниже чем в сварочной зоне. Разница температур между продуктами сгорания и поверхностью металла в томильной зоне не превышает 50 ºС.

На характер распределения температуры по длине печи и конструкцию методических печей большое влияние оказывает способ их отопления: торцевой или сводовый. В печах с торцевым отоплением имеет место значительное падение величины падающего лучистого потока на металл по длине печи. Кроме того, отрицательно влияет наличие пережимов на теплоотдачу излучением к металлу. В печах со сводовым отоплением рационально используется излучение кладки свода, что усиливает теплоотдачу к металлу.

.3 Исследование тепловой работы методических печей

Тепловые процессы, протекающие в нагревательных печах, как уже указывалось выше, крайне многообразны. В методических печах одновременно протекают процессы горения, движения газов, теплообмена и массобмена на поверхности нагреваемых заготовок. Поэтому исследование нагрева металла и его математическое описание представляет собой крайне трудную задачу, решение которой имеет важное теоретическое и практическое значение.

Методическая печь состоит из нескольких зон, ни одну из которых нельзя рассматривать автономно. Все зоны, кроме томильной и первой сварочной при нижнем обогреве, испытывают на себе влияние других зон в результате протекания процессов взаимного теплообмена и в результате перехода продуктов сгорания из предыдущей зоны в каждую последующую. Недостаточная изученность процессов тепловыделения в пламени и теплоотдачи от пламени, усиленных влиянием приходящих из других зон продуктов сгорания, крайне затрудняет решение вопроса о температуре в каждой зоне, которая может изменяться не только по длине, но и по ширине и высоте печи. Все это делает решение по выбору температуры весьма приближенным. Очень часто температуры в сварочной и томильной зонах принимают постоянными.

В методических печах преобладающим является теплообмен излучением. подавляющее большинство компонентов теплообмена излучением в рабочем пространстве печей имеет селективные радиационные характеристики, которые должны быть учтены при расчете теплообмена, что также создает значительные трудности.

В процессе нагрева металл подвергается окислению, причем по мере продвижения металла толщина слоя окалины увеличивается. Окалина представляет собой прежде всего значительное тепловое сопротивление. Кроме того, окалина имеет отличные от металла радиационные свойства, что также оказывает влияние на теплообмен излучением.

Таким образом, для достижения наиболее эффективных результатов работы печей и выработки надежных режимов нагрева необходимы многочисленные исследования. При решении таких задач существует два подхода: экспериментальный и теоретический.

С помощью экспериментального исследования на полномасштабной установке путем непосредственных измерений можно определить поведение объекта в натурных условиях. Однако экспериментальное изучение теплообмена в высокотемпературных печах весьма затруднено. Такие эксперименты как измерение тепловых потоков в различных точках по длине и ширине печи, температура факела и кладки, продвижение через печь сляба или блюма с размещенными в ней термопарами могут выполняться лишь единично из-за их сложности, что не может обеспечить изучения многочисленных вариантов изменения режимных параметров печей.

Кроме того, такие полномасштабные опыты чрезмерно дороги. Альтернативой является проведение экспериментов на маломасштабных моделях. Однако полученную информацию необходимо экстраполировать на натурный объект, а общие правила для этого часто отсутствуют. Кроме того, на маломасштабных моделях не всегда можно воспроизвести все свойства полномасштабного объекта. Это также снижает ценность полученных результатов.

В таких условиях незаменимым становится теоретическое исследование. При теоретическом исследовании определяются, скорее, результаты решения задачи согласно используемой математической модели, а не характеристики действительного физического процесса. Математическая модель интересующего исследователя физического процесса состоит, главным образом, из системы дифференциальных уравнений. При использовании методов только классической математики для решения этих уравнений не удается рассчитать многие представляющие практический интерес явления. Решения часто содержат бесконечные ряды, специальные функции и т.д., и их числовая оценка может представлять весьма трудную задачу.

Но на современном этапе развития численных методов, компьютерных технологий и наличие больших ЭЦВМ представляется возможным создание точной математической модели и проведение ее численного исследования почти для любой представляющей практический интерес задачи.

Такие методы решения задач обладают рядом преимуществ по сравнению с экспериментальным исследованием:

низкая стоимость. В большинстве случаев стоимость затраченного машинного времени на много порядков ниже стоимости соответствующего экспериментального исследования;

скорость. Конструктор имеет возможность за сравнительно короткое время просчитать несколько вариантов и выбрать оптимальную конструкцию;

полнота информации. С помощью математического моделирования можно найти значения всех имеющихся переменных во всей области решения. Кроме того, отсутствуют возмущения, вносимые датчиками при экспериментальном исследовании;

возможность моделирования как реальных, так и идеальных условий, что далеко не всегда можно достичь при экспериментальном исследовании.

Таким образом, замена натурных экспериментов вычислительными экспериментами способствует сокращению сроков разработки и внедрения рациональных режимов нагрева металла, обеспечивающих выполнение технологических требований. Адаптация математической модели также требует сложных экспериментов на печах, однако не столь многочисленных, как при эмпирическом исследовании процессов. Строго адаптированная математическая модель позволяет с использованием компьютерных технологий проанализировать практически любое количество вариантов, чего совершенно невозможно сделать при использовании эмпирических методов исследования, и выбрать оптимальные условия тепловой работы печей для нагрева того или иного металла.

2. Тепловой расчет методической печи

Расчет печи производится на примере нагрева слябов из среднеуглеродистой стали сечением 80x80 и длиной 4000 мм. Конечная температура поверхности металла 1473 К. Перепад температур по сечению сляба в конце нагрева К. Производительность печи равна 50 т/ч. Металл поступает в печь с температурой равной 293 К. Топливо - природный газ. Температура подогрева воздуха .

.1 Расчет горения топлива

Состав сухого природного газа Краснодарского месторождения указан в таблице 1.

Таблица 1 - Состав сухого газа

СН₄	С₂Н₆	С₄Н₁₀	СО₂	N₂
97,8	0,4	0,3	0,2	1,3

Влажность газа: .

Состав влажного газа определяется по формуле:

, (1)

где и - процентное содержание i-го компонента газа соответственно в сухом и влажном газе, %.

- содержание влаги в газе, г/м³.

. (2)

Рассчитанный состав влажного газа указан в таблице 2.

Таблица 2 - Состав влажного газа

СН₄	С₂Н₆	С₄Н₁₀	СО₂	N₂	Н₂О
94,3	0,4	0,3	0,2	1,3	3,7

Низшая рабочая теплота сгорания топлива определяется по формуле:

. (3)

Низшая рабочая теплота сгорания данного газа равна:

Расход кислорода на горение при коэффициенте расхода воздуха :

. (4)

Расход воздуха на горение 1м³ газа при коэффициенте расхода воздуха :

, (5)

где - коэффициент расхода воздуха;

- отношение объемных содержаний и в дутье: для воздуха .

Объемы компонентов продуктов сгорания:

. (6)

. (7)

. (8)

. (9)

Суммарный объем продуктов сгорания:

. (10)

Процентный состав продуктов сгорания определяется по формуле:

. (11)

Химический состав продуктов сгорания указан в таблице 3.

Таблица 3 - Химический состав продуктов сгорания, м³/м³ (%)

CO₂	H₂O	N₂	O₂	Сумма
0,965 (9,1)	1,95 (18,4)	7,589 (71,6)	0,096 (0,9)	10,6 (100)

Массу компонентов газа и продуктов сгорания находим по формуле:

, (12)

где - масса i-го компонента, кг;

- объем i-го компонента, м³;

- молярная масса i-го компонента, г/моль.

Правильность расчета проверяем составлением материального баланса, приведенного в таблице 4

Таблица 4 - Материальный баланс

Поступило, кг:	Получено, кг:
1	2
Газ:	Продукты сгорания:




-
-
Всего: -
Воздух:	-
-
-
Всего: -
Итого: Итого:

Погрешность расчета составила 0,002 кг, т.е. 0,015 %, что говорит о правильности расчета.

Плотность газа .

Плотность продуктов сгорания .

Для определения калориметрической температуры горения необходимо определить энтальпию продуктов сгорания.

Истинная энтальпия продуктов сгорания:

, (13)

где - низшая рабочая теплота сгорания природного газа, кДж/м³;

- действительный расход воздуха на сгорание 1 м³ газа, м³/м³;

- теплоемкость воздуха при температуре подогрева, кДж/(м³∙К);

- температура подогрева воздуха, ºС;

- расход продуктов сгорания, м³/м^3.

Энтальпия продуктов сгорания рассчитывается по формуле:

, (14)

где - энтальпия i-го компонента при температуре , ;

- объем i-го компонента в продуктах сгорания, м³/м³.

При

Калориметрическая температура горения:

, (15)

где - калориметрическая температура, ºС;

и - заданные возможные значения температуры, ºС;

- истинная энтальпия продуктов сгорания, кДж/м³;

и - энтальпия продуктов сгорания при и соответственно, кДж/м³.

2.2 Расчет времени нагрева металла

нагревательная печь металл топливо теплообмен

Принимаем трехступенчатый режим нагрева заготовок (рисунок 1) с температурами продуктов сгорания:

в начале методической зоны

в конце методической и по длине сварочной зоны

по длине томильной зоны

Рисунок 1 - Трехступенчатый режим нагрева.

Начальная температура металла: (холодный посад); температура поверхности в конце методической зоны: ; конечная температура поверхности .

В печах с шагающим подом заготовки с сечением, близким к квадратному, располагают с зазорами, что значительно ускоряет их нагрев. При этом боковые грани заготовок получают тепло в основном излучением от кладки, а также переотражением от подины. Расчетная схема нагрева металла в печи с шагающим подом показана на рисунке 2.

1 - поверхность кладки; 2 - верхняя поверхность заготовки; 3 - условная поверхность; 4, 4´ - боковые поверхности заготовки; 5 - открытая поверхность пода.

Рисунок 2 - Расчетная схема нагрева заготовок в печах с шагающим подом

Расчетная схема подогрева металла в методической зоне - трехсторонний нагрев при линейном изменении температуры окружающей среды и равномерном начальном распределении температур по сечению заготовки.

Расчетная схема ускоренного нагрева металла в сварочной зоне - трехсторонний нагрев при постоянной температуре окружающей среды и параболическом начальном распределении температур по сечению заготовки.

В томильной зоне происходит выравнивание температуры по сечению заготовки при постоянной температуре поверхности.

Расстояние между заготовками принимается равным половине толщины заготовки:

, (16)

где - расстояние между заготовками, м;

- толщина заготовки, м.

Принимаем степень черноты кладки и металла

Угловой коэффициент излучения кладки на верхнюю грань заготовки определяется по формуле:

. (17)

Угловой коэффициент излучения кладки в зазор между заготовками:

. (18)

Условная степень черноты зазора:

, (19)

где - степень черноты металла.

Угловой коэффициент, устанавливающий суммарную долю излучения тепла от поверхности 3 на поверхность 4 и в результате отражения от подины:

. (20)

Ширина печи при двухрядном расположении заготовок рассчитывается по формуле:

, (21)

где - длина заготовок, м.

,2…0,3 - зазор между рядами заготовок и заготовками и стенами печи, м.

Высоту печи принимаем равной .

Толщина слоя газа определяется по формуле:

, (22)

где - высота рабочего пространства печи, м;

- толщина заготовок, м.

Эффективная длина пути луча для плоскопараллельного слоя газа бесконечной протяженности:

. (23)

Парциальные давления компонентов дымовых газов:

(24)

где и - содержание СО₂ и Н₂О в продуктах сгорания соответственно, %;

- атмосферное давление, кПа.

;

Приведенный коэффициент излучения на верхнюю грань заготовки рассчитывается по формуле:

, (25)

где - коэффициент излучения абсолютно черного тела;

- степень черноты газа.

Приведенный коэффициент излучения в зазор по формуле:

. (26)

Приведенный коэффициент излучения на боковую грань заготовки:

. (27)

Коэффициент теплоотдачи излучением при постоянной температуре продуктов сгорания определяется по формуле:

, (28)

где и - температуры газа и поверхности металла соответственно, К;

при линейно изменяющейся температуре продуктов сгорания:

, (29)

где и - температуры продуктов сгорания в начале и в конце зоны печи, К;

и - температуры поверхности металла в начале и в конце зоны печи, К;

и - приведенный коэффициент излучения системы в начале и в конце зоны печи, .

Плотность теплового потока на металл рассчитывается по формуле:

; (30)

средняя плотность теплового потока в зоне:

, (31)

где и - плотность теплового потока на металл соответственно в начале и в конце зоны печи, Вт/м².

Число Био:

, (32)

где - средний коэффициент теплоотдачи излучением на металл, ;

- расчетная толщина заготовки, м;

- коэффициент теплопроводности металла при средней температуре поверхности заготовки в зоне, Вт/(м·К).

Критерий Фурье:

, (33)

где - коэффициент температуропроводности металла при средней температуре в зоне, м²/с;

- время нагрева металла в зоне, с.

.2.1 Расчет времени нагрева металла в методической зоне

Температура по длине методической зоны повышается от 1000 до 1350, средняя температура продуктов сгорания 1175.

Степень черноты продуктов сгорания в начале методической зоны при температуре :

в конце методической зоны при температуре :

при средней температуре продуктов сгорания :

Приведенный коэффициент излучения на верхнюю грань заготовки в начале и в конце методической зоны, а также средний по длине зоны по формуле (25):

;

Начальный, конечный и средний приведенный коэффициент излучения в зазор в методической зоне по формуле (26):

;

Начальный, конечный и средний приведенный коэффициент излучения на боковую грань заготовки в методической зоне по формуле (27):

;

Предполагаемая конечная температура верхней грани заготовки , средняя температура верхней грани , конечная температура боковой грани , средняя температура боковой грани .

Коэффициент теплопропроводности металла при средне температуре: верхней грани , боковой грани .

Коэффициент температуропроводности металла при средней температуре: верхней грани , боковой грани .

Начальный и конечный коэффициенты теплоотдачи излучением к верхней грани заготовки по формуле (28):

Средний коэффициент теплоотдачи излучением к верхней грани заготовки по формуле (29):

Плотность теплового потока на верхнюю грань заготовки в начале и в конце методической зоны по формуле (30):

;

среднее значение по формуле (31):

Коэффициент теплоотдачи излучением к боковой поверхности заготовки в начале и в конце методической зоны по формуле (28):

Средний по длине методической зоны коэффициент теплоотдачи излучением к боковой поверхности заготовки по формуле (29):

Плотность теплового потока на боковую грань заготовки в начале и в конце методической зоны по формуле (30):

;

среднее значение по формуле (31):

Число Био по формуле (32) для нагрева сверху:

для нагрева сбоку:

Предполагаемое время нагрева 0,23ч, тогда критерий Фурье по формуле (33) для нагрева сверху:

для нагрева сбоку:

Относительная избыточная температура при равномерном начальном распределении температуры по сечению заготовки и линейно изменяющейся температуре продуктов сгорания определяется по формуле:

, (34)

где и ;

- температура газа в момент времени ;

- температура газа в начальный момент времени, ;

- температура металла в начальный момент времени, ;

и определяем по номограммам в зависимости от и .

;

Для нагрева сверху:

, , тогда ;

, , тогда .

Для нагрева сбоку:

, , тогда ;

, , тогда .

Относительные температуры для точек заготовки определяем по формулам:

(35)

;

Температура в точках заготовки в конце методической зоны:

. (36)

;

Средняя температура верхней грани заготовки: ,

боковой грани .

Полученные значения практически совпадают с заданными.

Средняя температура нижней грани заготовки: ,

сечения bd: .

Среднюю температуру по сечению заготовки определяем по формуле:

. (37)

Перепад температур по сечению заготовки от верхней грани к нижней:

;

от боковой поверхности к сечению bd:

Температуру кладки находим по формуле:

. (38)

Температура кладки в начале методической зоны

Температура кладки в конце методической зоны:

.2.2 Расчет времени нагрева металла в сварочной зоне

Температура по длине сварочной зоны постоянна и равна 1350. Степень черноты продуктов сгорания в сварочной зоне:

Приведенный коэффициент излучения на верхнюю грань заготовки в сварочной зоне по формуле (25):

Приведенный коэффициент излучения в зазор в сварочной зоне по формуле (26):

Приведенный коэффициент излучения на боковую грань заготовки в сварочной зоне по формуле (27):

Коэффициент теплопропроводности металла при средне температуре: верхней грани , боковой грани .

Коэффициент температуропроводности металла при средней температуре: верхней грани , боковой грани .

Расчетная толщина заготовки для нагрева сверху , для бокового нагрева .

Начальный и конечный коэффициенты теплоотдачи излучением к верхней грани заготовки по формуле (28):

Средний коэффициент теплоотдачи излучением к верхней грани заготовки по формуле (29):

Плотность теплового потока на верхнюю грань заготовки в конце сварочной зоны по формуле (30):

;

среднее значение по формуле (31):

Коэффициент теплоотдачи излучением к боковой поверхности заготовки в начале и в конце сварочной зоны по формуле (28):

Средний по длине сварочной зоны коэффициент теплоотдачи излучением к боковой поверхности заготовки по формуле (29):

Плотность теплового потока на боковую грань заготовки в конце сварочной зоны по формуле (30):

;

среднее значение по формуле (31):

Число Био по формуле (32) для нагрева сверху:

для нагрева сбоку:

Предполагаемое время нагрева 0,34 ч, тогда критерий Фурье по формуле (33) для нагрева сверху:

для нагрева сбоку:

Для одностороннего нагрева сверху относительная избыточная температура при параболическом начальном распределении температуры по сечению заготовки и постоянной температуре продуктов сгорания рассчитывается по формуле:

, (39)

где ;

- температура поверхности металла в начальный момент времени, ;

- температура середины заготовки в начальный момент времени (при одностороннем нагреве серединой условно считаем ненагреваемую поверхность),

- температура окружающей среды, ;

и определяем по номограммам в зависимости от и .

Для нагрева сверху:

, , тогда ;

, , тогда .

Для двустороннего нагрева сбоку относительная избыточная температура при параболическом начальном распределении температуры по сечению заготовки и постоянной температуре продуктов сгорания рассчитывается по формуле:

, (40)

где

и определяем по номограммам в зависимости от и .

, , тогда ;

, , тогда .

Относительные температуры для точек заготовки по формуле (35):

;

Температура в точках заготовки в конце сварочной зоны по формуле (36):

;

Средняя температура верхней грани заготовки: , боковой грани .

Полученные значения практически совпадают с заданными.

Средняя температура нижней грани заготовки: , сечения bd: .

Средняя температура по сечению заготовки по формуле (37):

Перепад температур по сечению заготовки от верхней грани к нижней:

;

от боковой поверхности к сечению bd:

Температура кладки в конце сварочной зоны по формуле (38):

.2.3 Расчет времени нагрева металла в томильной зоне

Температура по длине томильной зоны постоянна и равна 1240. Степень черноты продуктов сгорания в томильной зоне:

Приведенный коэффициент излучения на верхнюю грань заготовки в томильной зоне по формуле (25):

Приведенный коэффициент излучения в зазор в томильной зоне по формуле (26):

Приведенный коэффициент излучения на боковую грань заготовки в томильной зоне по формуле (27):

Температура верхней грани заготовки , конечная температура боковой грани , средняя температура боковой грани .

Коэффициент теплопропроводности металла при средне температуре: верхней грани , боковой грани .

Коэффициент температуропроводности металла .

Расчетная толщина заготовки для нагрева сверху , для бокового нагрева .

Коэффициент теплоотдачи излучением к верхней грани заготовки в томильной зоне по формуле (28):

Плотность теплового потока на верхнюю грань заготовки в конце томильной зоны по формуле (30):

;

среднее значение по формуле (31):

Коэффициент теплоотдачи излучением к боковой поверхности заготовки в начале и в конце томильной зоны по формуле (28):

Плотность теплового потока на боковую грань заготовки в конце томильной зоны по формуле (30):

;

среднее значение по формуле (31):

Число Био по формуле (32) для нагрева сверху:

для нагрева сбоку:

Предполагаемое время нагрева 0,27 ч, тогда критерий Фурье по формуле (33) для нагрева сверху:

для нагрева сбоку:

, , тогда ;

, , тогда .

, , тогда ;

, , тогда .

Относительные температуры для точек заготовки по формуле (35):

;

Температура в точках заготовки в конце томильной зоны по формуле (36):

;

Средняя температура верхней грани заготовки: , боковой грани .

Средняя температура нижней грани заготовки: , сечения bd: .

Средняя температура по сечению заготовки по формуле (37):

Перепад температур по сечению заготовки от верхней грани к нижней:

;

от боковой поверхности к сечению bd:

Температура кладки в конце томильной зоны по формуле (38):

Общее время нагрева металла в печи:

.3 Определение основных размеров печи

Для обеспечения производительности 50 т/ч в печи одновременно находится следующее количество металла:

, (41)

где - количество металла находящееся в печи, т;

- производительность печи, т/ч;

- время нахождения металла в печи, ч.

Таким образом,

Масса одного сляба рассчитывается по формуле:

, (42)

где - масса одной заготовки, т;

- ширина заготовки, м;

- толщина заготовки, м;

- длина заготовки, м;

- плотность заготовки, кг/м³.

Таким образом,

Число заготовок, одновременно находящихся в печи рассчитывается по формуле:

, (43)

где - число заготовок, находящихся в печи, шт;

- количество металла находящееся в печи, т;

- масса одной заготовки, т.

Таким образом,

Длина полезного пода печи определяется по формуле:

, (44)

где - длина печи, м;

- число заготовок, находящихся в печи, шт.;

- ширина заготовки, м;

- ширина зазора между слябами, м.

Таким образом,

Принимаем стандартную длину полезного пода для печей с шагающим подом производительностью 50 т/ч: .

Тогда количество заготовок в печи: .

Получаем истинное количество металла в печи ;

Истинная производительность печи .

Длина печи разбивается на зоны пропорционально времени нагрева. Длина зоны рассчитывается по формуле:

, (45)

где - длина зоны печи, м;

- длина печи, м;

- время нахождения металла в зоне, ч;

- время нахождения металла в печи, ч.

Длина полезного пода методической зоны:

Длина полезного пода сварочной зоны:

Длина полезного пода томильной зоны:

Длина габаритного пода печи:

, (46)

где 0,8 м - расстояние от крайнего положения шагающих балок до торцевой стены.

При ширине печи площадь габаритного пода:

. (47)

Площадь активного пода:

, (48)

где - коэффициент заполнения полезной длины печи, представляющий собой отношение ширины заготовок к расстоянию между осями соседних заготовок, .

Напряжение активного пода:

. (49)

Печи с шагающим подом (балками) обеспечивают высокие значения величины напряжения активного пода, достигающие 1100-1300 .

Свод печи выполнен из шамота толщиной 230 мм. Стены имеют толщину 345 мм: слой шамота толщиной 230 мм и тепловая изоляция из диатомитового кирпича толщиной 115 мм. Под печи имеет толщину 345 мм: слой высокоглиноземистого кирпича толщиной 230 мм и слой диатомитового кирпича толщиной 115 мм.

.4 Тепловой баланс печи

Тепловой баланс печи рассчитывается по формуле:

, (50)

где - приходящее в печь тепло, кВт;

- расходуемое в печи тело, кВт.

Принимаем следующие упрощения: пренебрегаем переносом тепла излучением из зоны в зону; пренебрегаем продольным переносом тепла в зоне горения, так как размеры зоны горения малы и температура зоны горения одинакова по длине печи.

.4.1 Статьи прихода тепла

Химическое тепло от горения топлива

Химическое тепло от горения топлива определяется по формуле:

, (51)

где - химическое тепло от горения топлива, кВт;

- расход газа, м³/с ;

- низшая рабочая теплота сгорания топлива, кДж/м³.

Физическое тепло воздуха

Физическое тепло, поступающее в печь с подогретым в рекуператоре воздухом, определяется по формуле:

, (52)

где - физическое тепло нагретого воздуха, кВт;

- расход воздуха на горение 1м³ газа при коэффициенте расхода воздуха , м³/м³;

- средняя теплоемкость воздуха, кДж/(м³∙К);

- температура подогрева воздуха, ºС.

Тепло экзотермических реакций окисления металла

При окислении металла под воздействием высоких температур выделяется теплота, определяемая по формуле:

, (53)

где - тепло экзотермических реакций, кВт;

- расчетная производительность печи, ;

- угар металла (в печах с шагающим подом составляет 1 %).

.4.2 Статьи расхода тепла

Тепло затраченное на нагрев металла

Полезное тепло, т.е. тепло, затраченное на нагрев заготовок, определяется по формуле:

, (54)

где - производительность печи, кг/с;

и - начальная и конечная среднемассовые температуры метла, ;

и - средняя начальная и конечная теплоемкости металла, кДж/(кг∙К).

Тепло, уносимое продуктами сгорания

Тепло, уносимое продуктами сгорания, определяется по формуле:

, (55)

где - расход газа, м³/с;

- объем продуктов сгорания на 1 м³ газа, м³/м³;

- энтальпия продуктов сгорания при конечной по ходу движения дымовых газов температуре, кДж/м³.

Потери тепла через футеровку печи

Потери тепла через под, свод и стены определяется по формуле:

, (56)

где - температура газа внутри рабочего пространства печи, ºС;

- температура окружающей среды снаружи печи, ºС;

и - конвективный коэффициент теплоотдачи соответственно на внутренней и наружной поверхности футеровки печи, Вт/(м²∙К);

- толщина i-го слоя футеровки печи, м;

- коэффициент теплопроводности i-го слоя футеровки печи, Вт/(м∙К);

- площадь наружной поверхности футеровки печи, м².

Конвективный коэффициент теплоотдачи приближенно рассчитывается по формуле:

, (57)

где - температура твердой поверхности, ºС.

Ограждение печи выполнено из шамота, диатомита и высокоглиноземистого кирпича. Коэффициент теплопроводности шамота определяется по формуле:

, (58)

где - средняя температура шамота, ºС.

Коэффициент теплопроводности диатомита:

, (59)

где - средняя температура слоя диатомита, ºС.

Коэффициент теплопроводности высокоглиноземистого кирпича:

, (60)

где - средняя температура слоя высокоглинозема, ºС.

Неучтенные потери тепла

Неучтенные потери тепла принимаем равными 10 % от тепла горения топлива:

, (61)

где - химическое тепло горения топлива, кВт.

.4.3 Тепловой баланс томильной зоны

Приход тепла в томильной зоне

Химическое тепло от горения топлива по формуле (51):

где - расход топлива в томильной зоне, м³/с.

Физическое тепло воздуха по формуле (52):

Тепло экзотермических реакций при угаре металла в томильной зоне 0,4 % по формуле (53):

Расход тепла в томильной зоне

Тепло, затраченное на нагрев металла по формуле (54):

Энтальпия продуктов сгорания при :

;

Тогда тепло, уносимое продуктами сгорания из томильной зоны по формуле (55):

Потери тепла теплопроводностью через футеровку печи.

Свод нагревается за счет конвективной теплоотдачи от продуктов сгорания топлива, т.к. на своде установлены плоско-пламенные горелки. Температура внутренней поверхности свода в томильной зоне не изменяется, т.к. постоянны температуры продуктов сгорания и поверхности металла, и равна ,

температура окружающей среды ,

температура наружной поверхности принимаем равной ,

толщина ,

площадь свода с учетом толщины стен .

Средняя температура шамотного слоя .

При этой температуре теплопроводность шамота по формуле (58):

Конвективный коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности свода по формуле (57):

Тогда потери тепла через свод по формуле (56):

Среднюю по длине томильной зоны температуру внутренней поверхности стен принимаем равной . Температуру наружной поверхности принимаем . Площадь поверхности стен равна:

торцевой ,

боковых ,

общая .

Средняя температура слоя шамота , а слоя диатомита . Тогда

;

Коэффициент теплопроводности шамота по формуле (58):

Коэффициент теплопроводности диатомита по формуле (59):

Потери тепла через стены печи по формуле (56):

Температуру внутренней поверхности пода принимаем равной средней температуре поверхности металла , наружной поверхности . Площадь пода равна площади свода .

Средняя температура высокоглиноземистого слоя , а слоя диатомита . Тогда

;

Коэффициент теплопроводности высокоглинозема по формуле (60):

Коэффициент теплопроводности диатомита по формуле (59):

Потери тепла через под печи по формуле (56):

Общие потери тепла теплопроводностью в томильной зоне:

Неучтенные потери тепла по формуле (61):

Уравнение теплового баланса томильной зоны

Уравнение теплового баланса по формуле (50) в томильной зоне принимает вид:

Из уравнения находим расход газа в томильной зоне:

Тепловой баланс томильной зоны приведен в таблице 5.

Таблица 5 - Тепловой баланс томильной зоны.

Приход тепла, Вт			Расход тепла, Вт
1. Химическое тепло топлива	432,7	55,0%	1. Тепло, затраченное на нагрев металла	210	26,7%
2. Физическое тепло воздуха	55,9	7,1%	2. Тепло, уносимое продуктами сгорания	257,4	32,7%
3. Тепло экзотермических реакций	298,3	37,9%	3. Потери тепла через кладку печи	276,1	35,1%
			4. Неучтенные потери	43,3	5,5%
Итого:	787,0	100%	Итого:	786,8	100%

.4.4 Тепловой баланс сварочной зоны

Приход тепла в сварочной зоне

Тепло от горения топлива по формуле (51):

где - расход топлива в сварочной зоне, м³/с.

Физическое тепло воздуха по формуле (52):

Тепло экзотермических реакций окисления металла при угаре в сварочной зоне 0,4 % по формуле (53):

Тепло, вносимое продуктами сгорания из томильной зоны:

Расход тепла в сварочной зоне

Тепло затраченное на нагрев металла по формуле (54):

Энтальпия продуктов сгорания при :

;

Тогда тепло, уносимое продуктами сгорания по формуле (55):

Потери тепла теплопроводностью через футеровку печи.

Свод нагревается за счет конвективной теплоотдачи от продуктов сгорания топлива, т.к. на своде установлены плоско-пламенные горелки. Температура внутренней поверхности свода линейно изменяется, т.к. при постоянной температуре продуктов сгорания температура поверхности металла меняется. Средняя температура внутренней поверхности свода по длине сварочной зоны равна ,

температура окружающей среды ,

температура наружной поверхности ,

толщина ,

площадь свода с учетом толщины стен .

Средняя температура шамотного слоя .

При этой температуре теплопроводность шамота по формуле (58):

Коэффициент теплоотдачи конвекцией по формуле (57):

Тогда потери тепла через свод по формуле (56):

Среднюю по длине томильной зоны температуру внутренней поверхности стен принимаем равной . Температуру наружной поверхности принимаем . Площадь поверхности боковых стен равна: ,

Средняя температура слоя шамота , а слоя диатомита . Тогда

;

Коэффициент теплопроводности шамота по формуле (58):

Коэффициент теплопроводности диатомита по формуле (59):

Коэффициент теплоотдачи конвекцией по формуле (57):

Потери тепла через стены печи по формуле (56):

Средняя температура слоя шамота , а слоя диатомита . Тогда

;

Коэффициент теплопроводности высокоглинозема по формуле (60):

Коэффициент теплопроводности диатомита по формуле (59):

Коэффициент теплоотдачи конвекцией по формуле (57):

Потери тепла через под печи по формуле (56):

Общие потери тепла теплопроводностью в сварочной зоне:

Неучтенные потери тепла принимаем в сварочной зоне по формуле (61):

Уравнение теплового баланса сварочной зоны

Уравнение теплового баланса по формуле (50) в сварочной зоне принимает вид:

Из уравнения находим расход газа в сварочной зоне:

Тепловой баланс сварочной зоны приведен в таблице 6.

Таблица 6 - Тепловой баланс сварочной зоны.

Приход тепла, Вт			Расход тепла, Вт
1. Химическое тепло топлива	16845,1	86,0%	1. Тепло, затраченное на нагрев металла	6224,9	31,8 %
2. Физическое тепло воздуха	2177,5	11,1%	2. Тепло, уносимое продуктами сгорания	11390,3	58,2%
3. Тепло, вносимое продуктами сгорания	257,4	1,3%	3. Потери тепла через кладку печи	279,2	1,4%
4. Тепло экзотермических реакций	298,3	1,5	4. Неучтенные потери тепла	1684,5	8,6%
Итого:	19578,3	100%	Итого:	19578,9	100%

.4.5 Тепловой баланс методической зоны

Приход тепла в методической зоне

Методическая зона служит утилизатором тепла от сварочной и томильной зоны, горелки в методической зоне не устанавливаются. Поэтому химическое тело топлива и физическое тепло воздуха отсутствуют.

Тепло экзотермических реакций при угаре металла в методической зоне 0,2 % по формуле (53):

Тепло, вносимое продуктами сгорания из сварочной зоны:

Расход тепла в методической зоне

Тепло затраченное на нагрев металла по формуле (54):

Энтальпия продуктов сгорания при :

;

Тогда тепло, уносимое продуктами сгорания по формуле (55):

Потери тепла теплопроводностью через футеровку.

Поскольку горелки в методической зоне не устанавливаются, свод нагревается излучением от продуктов сгорания. Температуру внутренней поверхности свода в методической зоне изменяется линейно, т.к. линейно изменяются температуры продуктов сгорания и поверхности металла. Среднюю по длине методической зоны температуру внутренней поверхности свода принимаем равной:

Площадь свода с учетом толщины стен , толщина .

Средняя температура шамотного слоя . При этой температуре теплопроводность шамота по формуле (58):

Коэффициент теплоотдачи конвекцией по формуле (57):

тогда потери тепла через свод по формуле (56):

Температуру внутренней поверхности стен принимаем равной , температуру наружной поверхности .

Площадь наружной поверхности боковых стен:

площадь поверхности торцевой стены:

Суммарная площадь стен в методической зоне:

Средняя температура слоя шамота , а слоя диатомита . Тогда

;

Коэффициент теплопроводности шамота по формуле (58):

Коэффициент теплопроводности диатомита по формуле (59):

Коэффициент теплоотдачи конвекцией по формуле (57):

Вт/(м²∙К).

Потери тепла через стены печи по формуле (56):

Температуру внутренней поверхности пода принимаем равной средней температуре поверхности металла , температуру наружной поверхности пода . Площадь пода равна площади свода .

Средняя температура слоя шамота , а слоя диатомита . Тогда

;

Коэффициент теплопроводности высокоглинозема по формуле (60):

Коэффициент теплопроводности диатомита по формуле (59):

Вт/(м²∙К).

Потери тепла через под печи по формуле (56):

Общие потери тепла теплопроводностью в методической зоне:

Уравнение теплового баланса в методической зоне

Уравнение теплового баланса по формуле (50) в методической зоне принимает вид:

Тепловой баланс методической зоны представлен в таблице 7.

Таблица 7 - Тепловой баланс методической зоны.

Приход тепла, Вт			Расход тепла, Вт
1. Тепло, вносимое продуктами сгорания	11390,3	98,7%	1. Тепло, затраченное на нагрев металла	4178?6	34,7%
2. Тепло экзотермических реакции	149,2	1,3%	2. Тепло, уносимое продуктами сгорания	7699,4	64,0%
			3. Потери тепла через кладку печи	156,9	1,3%
Итого:	11539,4	100%	Итого:	12034,8	100%

.4.6. Тепловой баланс печи

Общий расход топлива в печи:

Тепловой баланс печи представлен в таблице 8.

Таблица 8 - Тепловой баланс печи.

Приход тепла, Вт			Расход тепла, Вт
1. Химическое тепло топлива	17277,8	85,3%	1. Тепло, затраченное на нагрев металла	10613,5	51,1%
2. Физическое тепло воздуха	2233,4	11,0%	2. Тепло, уносимое продуктами сгорания	7699,4	37,1%
3. Тепло экзотермических реакций	745,8	3,7%	3. Потери тепла через кладку печи	712,2	3,4%
			4. Неучтенные потери тепла	1727,8	8,3%
Итого:	20257,0	100%	Итого:	20752,8	100%

Погрешность расчета составляет менее 3%.

Удельный расход тепла на нагрев 1 кг металла находим по формуле:

. (62)

В методических нагревательных печах с шагающим подом величина удельного расхода тепла на нагрев 1 кг металла составляет 1,6 - 2,1 .

.5. Выбор горелок

Поскольку отопление печи сводовое устанавливаем плоскопламенные радиационные горелки типа ГР конструкции «Стальпроект». Для осуществления равномерного нагрева свода принимаем шахматное расположение горелок на своде печи. Примерная величина шага расположения горелок по длине и ширине . Количество горелок, которое размещается по ширине печи определяется по формуле:

, (63)

где - ширина печи, м;

- расстояние между горелками, м.

Число горелок по ширине печи по формуле (63):

горелок,

т.е. чередуются ряды с 4 и 5 горелками.

Истинное расстояние между горелками: .

В методической зоне используется тепло газов, отходящих из сварочной и томильной зон; горелки в методической зоне не устанавливаются. Тогда число рядов горелок по длине печи:

, (64)

где и -длина соответственно томильной и сварочной зон печи, м;

- истинное расстояние между горелками, м.

из них по длине сварочной зоны ; томильной зоны . Тогда в сварочной зоне располагается 14 горелок, в томильной зоне - 9 горелок.

Расход природного газа на одну горелку рассчитывается по формуле:

, (65)

где - расход газа в зоне печи, м³/с;

- число горелок в зоне, шт.

Тогда расход газа на одну горелку по формуле (65) в сварочной зоне:

;

в томильной зоне:

Расход воздуха на одну горелку рассчитывается по формуле:

, (66)

где - расход газа на одну горелку, м³/с;

- количество воздуха, необходимое на горение 1 м³ газа при коэффициенте расхода воздуха , м³/м³;

- температура подогрева воздуха, ºС.

Расход воздуха на одну горелку по формуле (66) при температуре подогрева 350 ºС в сварочной зоне:

;

в томильной зоне:

Т.к. сжигается природный газ, выбираем горелку с давлением газа перед горелкой 5 кПа. Исходя из пропускной способности горелок типа ГР по газу и воздуху для сварочной зоны выбираем горелку ГР-1500. Для томильной зоны выбираем горелку ГР-60. Этим горелкам соответствует давление воздуха 3 кПа.

Найдем площадь проходного сечения горелок. Величина определяет номер горелок - 7. Таким образом, действительное проходное сечение горелок сварочной зоны , горелок томильной зоны - .

Длина прорезей для газа определяется по формуле:

, (67)

где - площадь проходного сечения газовых прорезей, мм²;

- количество прорезей в газовом сопле, шт;

- ширина прорезей, мм;

- высота зубцов резьбы, мм.

Длина прорезей для газа по формуле (67) в горелках сварочной зоны:

;

в горелках томильной зоны:

3. Математическое моделирование нагрева металла с применением программно-вычислительного комплекса FLUENT

.1 Математическая модель нагрева металла в методической печи

Внутренний теплообмен в нагреваемом металле описывается уравнением:

. (68)

Граничные условия при трехстороннем нагреве металла излучением и конвекцией могут быть представлены следующим образом:

при 0 < τ < τ_н:

для верхней поверхности:

; (69)

для боковых поверхностей:

; (70)

при τ ≥ τ_н:

для верхней поверхности:

; (71)

для боковых поверхностей:

; (72)

где f(x,у) - начальное распределение температуры в металле;

и - лучистый поток на металл соответственно сверху и сбоку;

и - конвективный поток на металл соответственно сверху и сбоку;

τ_н- продолжительность нагрева металла в методической и сварочной зонах.

Плотности тепловых потоков определяем по формулам:

(73)

(74)

где и - коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к металлу, соответственно сверху и сбоку;

(), (), () - температура газа, металла, кладки для верха (бока);

- коэффициент теплоотдачи излучением для абсолютно черного тела;

(), () - угловой коэффициент теплоотдачи с кладки на металл, от газа к металлу для верхней (боковой) грани;

;

Температуру внутренней поверхности кладки определяем по формулам:

(75)

где Т - температура наружной поверхности кладки,

- толщина кладки, м;

- коэффициент теплопроводности кладки, Вт/(м∙К);

- коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности кладки.

Тепловые потоки на кладку:

, (76)

где - относительная рефлективность серого тела, степень черноты которого ;

- степень развития кладки.

3.2 Описание программно-вычислительного комплекса FLUENT

Программно-вычислительный комплекс FLUENT характеризуется следующими возможностями:

моделирование 2D и 3D потоков, моделирование осесимметричных и закрученных 2D потоков;

моделирование установившихся и нестационарных потоков;

невязких, ламинарных и турбулентных потоков с широким набором моделей турбулентности;

моделирование теплопереноса, включая различные виды конвекции, сопряженный теплообмен и излучение;

моделирование горения с предварительным смешением химических компонентов и без смешения, двухстадийное сжигание;

использование моделей фазовых переходов;

использование динамических сеток вокруг движущихся объектов;

предсказание образования вредных веществ NO_x и SO_x.

Процесс генерации сетки является неотъемлемой частью любого инженерного расчета, в котором используются программные продукты. От качества сетки напрямую зависят точность, сходимость и скорость решения. И зачастую время, потраченное на построение геометрии расчетной области и сетки, является лимитирующим фактором для всего процесса расчета. Для создания расчетной сетки используется программный продукт GAMBIT. Данный продукт позволяет создавать различные типы сеток: структурированную гексаидальную, неструктурированную гексаидальную и тетраидальную сетки, пограничные слои с комбинированными сетками. В GAMBIT возможно импортирование геометрии из других САD систем с поиском и исправлением возникающих при этом проблем нестыковки объектов.

FLUENT предлагает четыре типа решателя: Pressure-Based расщепленный и сопряженный и Density-Based явный и неявный.

.3 Выбор моделей в ПВК FLUENT

В методических нагревательных печах металл нагревается за счет излучения от раскаленных продуктов сгорания и прогретой кладки печи. Радиационный теплообмен преобладает над конвективным. Соответственно возникает необходимость включать в моделирование нагрева металла радиационный теплообмен. FLUENT имеет пять моделей радиационного теплообмена:

дискретная модель переноса излучения (DTRM);

модель Р-1;

модель Росселанда;

«поверхность-поверхность» (S2S);

модель дискретных ординат (DO).

Данные модели предполагают, что все поверхности являются диффузными, т.е. отражение падающего излучения изотропно по отношению к телесному углу.

Дискретная модель переноса излучения является достаточно простой моделью, относящейся к широкому спектру оптических толщин. Точность решения увеличивается за счет увеличения числа лучей, однако при этом значительно увеличивается интенсивность работы процессора.

Модель Росселанда используется только для оптически плотных носителей. Использование данной модели рекомендовано для решения задач, в которых величина оптической толщины больше 3.

Модель дискретных ординат охватывает весь спектр оптических толщин. требования к памяти зависят от сложности геометрии и сетки расчетной области.

Модель «поверхность-поверхность» используется при моделировании излучения между твердыми поверхностями без участия среды. Требования к памяти растут с увеличением числа участвующих в теплообмене поверхностей.

Модель Р-1 имеет скромные требования к памяти, включает эффект рассеивания и легко используется в сложных геометриях. Последнее достоинство делает эту модель более предпочтительной при моделировании нагрева металла в методической нагревательной печи.

Уравнение переноса излучения для Р-1 модели имеет вид:

; (77)

где - коэффициент поглощения среды;

- постоянная Стефана-Больцмана;

- падающее излучение.

Уравнение энергии имеет вид:

; (78)

где - эффективная проводимость тепла (k+k_t, k_t - турбулентная тепловая проводимость;

J_j - диффузный поток от среды j;

S_h - слагаемое, включающее в себя химические реакции и другие объемные источники тепла, определяемые пользователем;

В уравнении (78)

;(79)

где h - энтальпия.

Уравнение движения среды:

(80)

где J_i - слагаемое, определяемое путем переноса химических реакций;

S_i - слагаемое, получаемое путем добавления дисперсных и фаз и любых определяемых пользователем источников.

.4 Построение геометрии

На рисунке 3 представлена схема методической нагревательной печи.

Рисунок 3 - Схема методической нагревательной печи

На рисунке 4 показана схема рабочего пространства печи с установленными в шахматном порядке в своде горелками, на рисунке 5 показана горелка, обеспечивающая улучшенное смешение газа и воздуха.

Рисунок 4 - Рабочее пространство печи

Рисунок 5 - Построенная в GAMBIT геометрия горелки, обеспечивающей улучшенное смешение.

На рисунке 6 показано распределение вектора скорости при движении компонентов горения в корпусе горелки.

Рисунок 6 - Распределение вектора скорости в корпусе горелки

На рисунке 7 показан вид сверху на распределение вектора скорости, отображающее закручивание воздуха в корпусе горелки при тангенциальной подаче воздуха.

Рисунок 7 - Закручивание в корпусе горелки при тангенциальной подаче воздуха

На рисунке 8 показано распределение температур по длине печи.

Рисунок 8 - Распределение температуры по длине печи

На рисунке 9 показано распределение температур по ширине печи в сварочной зоне.

Рисунок 9 - Распределение температуры по ширине печи

На рисунке 10 показано распределение радиационной температуры по длине печи.

Рисунок 10 - Распределение радиационной температуры по длине печи

На рисунке 11 показано распределение молярной концентрации СО₂ по ширине печи. Аналогичным образом выглядит распределение молярной концентрации Н₂О.

Рисунок 11 - Распределение молярной концентрации СО₂ и по ширине печи

Распределение молярной концентрации кислорода в корпусе горелки показано на рисунке 12.

Рисунок 12 - Распределение молярной концентрации кислорода в корпусе горелки

.6 Задача внутреннего теплообмена в металле

В результате решения внутренней задачи получены температурные поля по сечению заготовки в конце каждой теплотехнической зоны. В таблице 9 приведены результаты расчета во FLUENT температур в точках a, b, c d.

Таблица 9 - Распределение температуры по сечению металла

Температура в точках	a	b	c	d
В конце методической зоны	606	576	468	453
В конце сварочной зоны	1210	1181	1034	1015
В конце томильной зоны	1207	1196	1156	1150

На рисунке 13 изображены представляющие интерес точки a, b, c d..

Рисунок 13 - Точки на поверхности заготовки, в которых фиксируется температура

На рисунках 14, 15 и 16 показано температурное поле в металле в конце методической, сварочной и томильной зон соответственно.

Рисунок 14 - Температурное поле в металле в конце методической зоны

Рисунок 15 - Температурное поле в металле в конце сварочной зоны

Рисунок 16 - Температурное поле в металле в конце томильной зоны

На рисунке 17 показано изменение температурного поля на поверхности заготовки во времени.

Рисунок 17 - Изменение температуры на поверхности металла во времени

4. Безопасность жизнедеятельности

.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов

В данном разделе производится анализ потенциально опасных и вредных производственных факторов, сопутствующих работе с персональным компьютером. Анализ условий труда имеет основное значение для разработки мероприятий по защите работников от опасных и вредных производственных факторов. Проведен анализ в соответствии с классификацией по ГОСТ 12.0.003-74. Результаты приведены в таблице 10.

Таблица 10 - Анализ потенциально опасных и вредных факторов

Операция	Агрегат	Время		Опасные и вредные факторы	Нормируемое значение параметра
1 Работа на ЭВМ	ПЭВМ	4 часа в день		Физические: 1 Недостаточная освещенность рабочей зоны Е=350 лк 2 Опасный уровень напряжения в электрической цепи, замыкание которой может пройти через тело человека U=220 B; I=10 A; f=50 Гц 3 Повышенный уровень ЭМП В диапазоне частот 5 Гц-2 кГц Е=30 В/м	Е_н=400 лк U=2 B; I=0,1 мA 5 Гц-2 кГц Е=25 В/м
			H=260 нТл В диапазоне частот 2 кГц-400 кГц Е=4 В/м H=28 нТл 4 Повышенный уровень ионизирующих излучений ПД=26 м^Зв/год		Н=250 нТл 2 кГц-400 кГц Е=2,5 В/м Н=25 нТл ПД=20 мЗв/год

4.2 Санитарно-гигиеническая и противопожарная характеристики помещений лаборатории

.2.1 Описание лаборатории

Исследовательская работа проводится в помещении, расположенном на седьмом этаже пятнадцатиэтажного здания, находящегося на юго-западе города Москвы, и имеющей следующие размеры: площадь - 13,5 м², высота - 2,2 м, длина - 4,5 м, ширина - 3 м, объем - 29,7 м³. компьютер стоит около окна. Одновременно в помещении работает один человек. Так как вредных выбросов в атмосферу не, то санитарная зона не нужна. Данное помещение относится к разряду помещений для эксплуатации персонального компьютера (ПК). Планировка помещения удовлетворяет санитарные нормам СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03, в которых предусматривается площадь помещения для эксплуатации ПК на одного работающего не менее 6 м², а объем - не менее 20 м³.

Оборудование, применяемое в лаборатории, соответствует «Санитарным нормам проектирования промышленных предприятий» и его характеристики приведены в таблице 11.

Таблица 11 - Оборудование, применяемое в машинном зале

Наименование	Количество	Площадь, м³
Персональный компьютер (ПК)	1	0,5
Принтер	1	1,5
Столы для установки ПК	1	2
Стулья	2	0,7
Итого	-	4,7

.2.2 Микроклимат помещения

Работы выполняются при оптимальных условиях, сидя за столом перед экраном монитора, не связаны с переносом тяжестей, не требуют больших физических усилий. Согласно ГОСТ 12.1.005-88 категория работ - 1б. Данные по климтическим условиям приведены в таблице 12.

Таблица 12 - Климатические параметры зала

Параметры	Значения
	В помещении	Нормированное
1 Температура воздуха в холодный период, °С	22	22-24
2 Температура воздуха в теплый период, °С	23	23-25
3 Влажность воздуха, %	50	40-60
4 Скорость движения воздуха, м/с	0,1	0,1-0,2

В лаборатории отсутствует избыток тепла, поддерживаются условия для создания благоприятного микроклимата. В качестве нагревательных приборов в холодный период года используются водяные радиаторы с температурой воды до 80 ºС.

.2.3 Освещение помещения. Расчет естественного искусственного освещения

Согласно СНиП 23-05-95 работа за ПЭВМ относится к I разряду. В лаборатории предусмотрено естественное и искусственное освещение. Естественное освещение осуществляется через световые проемы (окна).

Естественный солнечный свет характеризуется большой интенсивностью, равномерностью освещения, относительно невысокой средней яркостью на единицу площади, изменением освещенности в течение суток, а также в зависимости от времени года и географического расположения местности. В рассматриваемом помещении применяется боковое освещение через световые проемы в наружных стенах.

Основной величиной для расчета и нормирования естественного освещения внутри помещения принят коэффициент естественной освещенности (КЕО). В соответствии со СНиП 23-05-95 нормированное значение КЕО для работ I разряда равно 1,5. Нормы естественного освещения для данного разряда точности приведены в таблице 13.

Таблица 13 - Нормы естественного освещения

Выполняемая операция	Наименьший объект, мм	Разряд зрительной работы	КЕО для III пояса	Световой пояс	Коэффициенты		КЕО, %
					Светового климата	Солнечного климата
Считывание информации с монитора	0,5	III	5	III	1	1	5
Работа с клавиатурой	1	V	3	III	1	1	3
Распечатка на принтере	5	V	3	III	1	1	3

Для обеспечения нормального уровня естественного освещения площадь световых проемов должна быть не меньше рассчитанной по формуле:

, (81)

где - площадь световых проемов, м²;

- площадь пола;

- нормированное значение КЕО;

- коэффициент запаса;

- световая характеристика окна (зависит от глубины помещения и высоты оконного проема);

- коэффициент, учитывающий затемнение окна противостоящими зданиями;

- коэффициент, учитывающий отражение света;

- общий коэффициент светопропускания.

Общий коэффициент светопропускания рассчитывается по формуле:

, (82)

где - коэффициент светопропускания материала ( - стекло листовое двойное);

- учитывает потери света в световых проемах ( - пролеты окон стальные, открывающиеся);

-учитывает потери света из-за загрязнения стекла ( - незначительные загрязнения пылью при вертикальном расположении);

- учитывает потери света в несущих конструкциях (при боковом освещении ).

Минимальная площадь световых проемов по формуле (81):

Следовательно, нормальный уровень естественного освещения в лаборатории не обеспечивается.

Нормы искусственного освещения приведены в таблице 14.

Таблица 14 - Нормы искусственного освещения

Выполняемая операция	Разряд зрительной работы	Характеристика фона	Контраст объекта с фоном	Освещенность, лк
				Комбинированная	Общая
Считывание информации с монитора	III	средний	большой	400	200
Работа с клавиатурой	V	светлый	средний	400	200
Распечатка на принтере	V	светлый	средний	400	200

Искусственное освещение компьютерного класса представляет собой общее освещение люминесцентными лампами. Для расчета производственного освещения был выбран метод расчета по коэффициенту использования светового потока. Расчетная формула для люминесцентных ламп имеет вид:

, (83)

где - необходимое количество светильников в помещении, шт.;

- нормированное значение освещенности, лк;

- площадь помещения, м2;

- коэффициент запаса;

- коэффициент минимальной освещенности;

- световой поток одной лампы, лм;

- количество ламп в одном светильнике, шт.;

- коэффициент использования светового потока.

Площадь помещения S = 13,5 м; длина помещения А = 4,5 м; ширина В = 3 м; высота подвеса Н = 1,9 м.

Световой поток каждой люминесцентной лампы ЛБ 40 равен Ф_л = 3120 лм. Коэффициент запаса для данного помещения и типа ламп равен k = 1,5. Коэффициент минимальной освещенности в расчетах принимаем равным z = 1,2. Нормированное значение освещенности согласно СНиП 23-05-95 равно Е_H = 300 лк. Мощность лампы Ра = 40 Вт, длина лампы 1214 мм. Считается, что в одном источнике помещены две лампы (n = 2 шт.).

Индекс помещения определяется по формуле:

, (84)

где I - индекс помещения.

Индекс помещения по формуле (84):

В соответствии с рассчитанным индексом помещения, принимается коэффициентом использования светового потока η=0,62.

Общее число светильников по формуле (83):

Суммарная мощность равна:

, (85)

где - суммарная мощность, Вт;

- мощность одной лампы, Вт;

- количество ламп в одном светильнике, шт.

Суммарная мощность осветительной установки по формуле (85):

Таким образом, количество люминесцентных ламп ЛБ40 для освещения лаборатории составляет 4 штуки, устанавливаемых в 2 светильника, общей мощностью 160 Вт.

.2.4 Безопасность при устройстве и эксплуатации коммуникаций

Основные коммуникации, имеющиеся в лаборатории: горячее и холодное водоснабжение, канализация, электроснабжение, защитное заземление и зануление.

Система водоснабжения

Системы водоснабжения и канализации отвечают требованиям СНиП 2.04.01-85, и требованиям к системам, изложенным в инструкциях и правилах: "ВСН 51-86. Профессионально технические, средние специальные и высшие учебные заведения. Нормы проектирования'', "Указания по проектированию научно-исследовательских институтов и лабораторий Академии наук СССР. ВСН-2-68/АН СССР", "Инструкция по проектированию зданий научно-исследовательских учреждений. СИ 495-77". Трубы водоснабжения и канализации сделаны из чугуна и частично из стали. Материалы и вещества, слив которых запрещен в канализацию, не используются в процессе исследования. Внутренние коммуникации различного назначения (кроме отопления) размещаются в каналах , расположенных внутри стен ,под полом с оборудованными специальными вводами в помещение.

Система электроснабжения

По опасности поражения электрическим током лаборатория относится к помещениям повышенной опасности, т.к. есть возможность одновременного прикосновения к двум единицам оборудования, находящихся под напряжением. По доступности персонала к электрооборудованию в помещении относится к производственным помещениям, т.к. доступ к оборудованию имеют только квалифицированный персонал.

Электроснабжение удовлетворяет требованиям, предъявляемым к данной системе.

Требования к электрооборудованию изложены в ГОСТ ССБТ 12.1.009-76, ГОСТ ССБТ 12.1.013-76, ГОСТ ССБТ 12.1.019-79 и ПУЭ-87. А также в инструкциях и правилах: «ВСН 51-86. Профессионально технические, средние специальные и высшие учебные заведения. Нормы проектирования», «Указания по проектированию научно-исследовательских институтов и лабораторий Академии наук СССР. ВСН-2-68/АН СССР», «Инструкция по проектированию зданий научно-исследовательских учреждений. СН 495-77».

Внутренняя электропроводка размещается в каналах ,расположенных внутри стен, потолка, под полом с оборудованными специальными вводами в помещение. Разводка коммуникаций к переносным приборам и нестационарному оборудованию производится открыто при помощи гибких проводов. Сопротивление изоляции токоведущих частей установок до первого аппарата максимальной токовой защиты не менее 0,5 Ом, а сопротивление между заземляющим болтом и каждой доступной прикосновению металлической нетоковедущей частью оборудования, которая может оказаться под напряжением, - не более 0,1 Ом.

.3 Разработка мер защиты от опасных и вредных факторов

Разработка мер защиты от опасных и вредных факторов представлена в таблице 15.

Таблица 15 - Меры защиты от опасных и вредных факторов

Опасный и вредный фактор	Проектируемое защитное устройство и его тип	Материал и параметры	Место установки
1	2	3	4
1 Недостаточное производственное освещение рабочего места	Местное освещение, светильник	Мощность Р=30 Вт Световой поток Ф=1400 лм	Рабочее место
2 Опасный уровень напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека	Защитное заземление, стержневой заземлитель трубчатый	r = 3,39 Ом L = 3 м d = 0,04 м n = 24 шт.	ПЭВМ
3 Повышенный уровень электромагнитных излучений	Защитный экран	Защитный экран фирмы “Ergon”. коэффициент пропускания света 0,38. Коэффициент ослабления напряженности электромагнитного поля 98,7 %. a=0,3 м b=0,17 м a∙b=51 м²	Монитор
4 Повышенный уровень ионизирующих излучений в рабочей зоне	Защитный экран	Защитный экран фирмы “Ergon”. коэффициент пропускания света 0,38. Коэффициент ослабления напряженности электромагнитного поля 98,7 %. a=0,3 м b=0,17 м a∙b=51 м²	Монитор
5 Нервно-психические перегрузки	Перерывы в работе	-	-

Длительное пребывание в одном и том же положении и повторение одних и тех же движений вызывает различные мышечные расстройства. Для профилактики возникновения мышечных расстройств при работе на ПК рекомендуется выполнение следующих требований:

руки должны быть выпрямлены в запястьях и согнуты в локтях примерно под прямым углом;

рабочее кресло должно" иметь подлокотники, отрегулированные соответствующим образом, которые служили бы опорой для рук как при работе с клавиатурой, так и при пользовании мышью;

высота рабочего кресла должна быть отрегулирована так, чтобы бедра были параллельны полу, а ноги твердо стояли на полу;

сидеть нужно прямо, или слегка подать корпус вперед, стараясь сохранить естественный изгиб тела в пояснице;

при чувстве напряженности или спазмов в мышцах следует немедленно прекратить работу.

Соблюдение описанных выше правил поможет избежать неприятных последствий при работе на ПК.

.3.1 Защита от поражения электрическим током. Расчет защитного заземления

ГОСТ 12.1.038-83 устанавливает предельно допустимые напряжения прикосновения и токи, протекающие через тело человека. В данном случае при наличии переменного тока частотой 50 Гц допустимое напряжение прикосновения должно быть не более 2 В, а ток - не более 0,01 мА. Вследствие этого необходимо произвести расчет защитного заземления.

Цель расчета заземления - определить число и длину вертикальных элементов (стержней), длину горизонтальных элементов (соединительных полос).

Сопротивление заземления, согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ), нормируется в зависимости от напряжения электроустановки. В электроустановках напряжением до 1000 В сопротивление заземления R_Н должно быть не выше 4 Ом.

Расчетное удельное сопротивление грунта с учетом климатического коэффициента рассчитывается по формуле:

, (86)

где - удельное сопротивление грунта, Ом∙м;

- климатический коэффициент для стержня;

- климатический коэффициент для полосы.

;

Сопротивление одиночного вертикального заземлителя с учетом удельного сопротивления грунта:

, (87)

где - эквивалентный диаметр стержней;

- глубина заложения.

Число вертикальных заземлителей без учета взаимного экранирования находится по формуле:

. (88)

Заземляющее устройство выбираем контурное. Отношение расстояния между заземлителями к их длине

Окончательное число заземлителей:

, (89)

где - коэффициент использования вертикальных заземлителей.

Сопротивление без учета соединительной полосы:

. (90)

Сопротивление соединительной полосы:

, (91)

где - ширина полосы;

- глубина заложения полосы;

- длина соединительной полосы.

Длина соединительной полосы определяется по формуле:

. (92)

Сопротивление соединительной полосы по формуле (91):

Сопротивление соединительной полосы с учетом коэффициента использования полосы находится по формуле:

, (93)

где - коэффициент использования полосы.

Общее сопротивление заземляющего устройства:

. (94)

Полученное расчетное сопротивление заземляющего устройства R удовлетворяет требованиям ПУЭ: R < R_Н = 4 Ом. Стержневые заземлители длиной по 3 м в количестве 24 шт. расположены в прямоугольном контуре размером 13 х 20 м.

.3.2 Защита от нервно-психических перегрузок

Режим труда и отдыха при работе с ПК зависят от вида и категории трудовой деятельности. Для данного случая время перерывов составляет 10 минут за каждый час работы.

.3.3 Расчет дозы ионизирующего излучения при работе с персональным компьютером

Для выполнения дипломной работы - обработки экспериментальных данных требуется работа с персональным компьютером. Одним из опасных факторов при работе с ПК является уровень ионизирующего излучения. Для оценки эффективности защитных технических средств рассчитывают экспозиционную и эффективную дозу излучения. Для расчета используют следующие исходные данные:

сила анодного тока I = 2,5 мА;

напряжение на пластинах развертки электроннолучевой трубки U = 10 кВ;

расстояние от источника излучения до рабочего места R =0,6 м;

толщина экрана d=0,5 см.

Для мягкого излучения (в диапазоне от 10^-3до 10² МэВ) мощность экспозиционной дозы тормозного излучения р_х (Р/с), можно оценить учитывая, что коэффициент линейного поглощения материала экрана определяется по формуле:

, (95)

где - плотность материала экрана (например, стекла), .

Мощность экспозиционной дозы тормозного излучения:

, (96)

где - сила анодного тока, мА;

- расстояние от источника излучения до рабочего места, м;

- толщина экрана, м.

Для перевода мощности экспозиционной дозы в мощность поглощенной дозы , используется формула:

, (97)

где - коэффициент поглощения, .

Мощность эквивалентной дозы рассчитывается по формуле:

, (98)

где - мощность эквивалентной дозы в неделю, мЗв/нед;

- взвешивающий коэффициент для рентгеновского излучения, ;

= (максимальное время работы в неделю за монитором t = 36 ч).

Рассчитанная мощность дозы не превышает допустимую, которая равна 0,4 м^Зв/год, рассчитанную по предельно допустимой дозе, приведенной в нормах радиационной безопасности НРБ-99.

.4 Экологическая безопасность

В настоящее время возрастает количество компьютерной техники во всех отраслях деятельности человека. В этих условиях нельзя не учитывать влияние компьютеров на окружающую среду.

.4.1 Производство

Вопросы защиты окружающей среды в процессе производства компьютеров возникли давно и регламентируются сейчас, в частности стандартом TCO-95^[32] NUTEK, по которому контролируются выбросы токсичных веществ, условия работы и др. Согласно ТСО-95 произведенное оборудование может быть сертифицировано лишь в том случае, если не только контролируемые параметры самого оборудования соответствуют требованиям этого стандарта, но и технология производства этого оборудования отвечает требованиям стандарта.

4.4.2 Эксплуатация ПК

Воздействие компьютеров на окружающую среду при эксплуатации регламентировано рядом стандартов. Выделяют две группы стандартов и рекомендаций - по безопасности и эргономике.

Ограничения на излучения от компьютерных мониторов и промышленной техники, используемой в лаборатории, налагает стандарт MPR-II, разработанный Шведским национальным департаментом стандартов и утвержденный ЕЭС. Взаимодействие с окружающей средой регламентирует рекомендация ТСО-95 NUTEC (Швеция). Монитор, отвечающий требованиям ТСО-95, должен иметь низкий уровень электромагнитных излучений, обеспечивать автоматическое снижение энергопотребления при долгом использовании, отвечать европейским стандартам пожарной и электрической безопасности. Требования ТСО-95 являются гораздо более жесткими, чем требования MPR-II. Экологическая оценка компьютера и, в частности, ВДТ как наибольшего потребителя энергии в ПЭВМ включает требования по экономике и снижению электропотребления. Согласно стандарту ЕРА Energy Stsr VESA DPMS монитор должен поддерживать три энергосберегающих режима - ожидание, приостановку и «сон». Требования качественного стандарта к ПЭВМ и ВДТ - СанПин 2.2.2.542-96 - соответствуют MPR-II.

.4.3 Утилизация ПК

Рост применения компьютерной техники, ее быстрое моральное старение остро ставит вопрос об утилизации элементов ЭВМ после окончания срока ее эксплуатации.

При утилизации старых компьютеров происходит их разборка на фракции: металлы, пластмассы, стекло, провода, штекеры. Из одной тонны компьютерного лома получают до 200 кг меди, 480 кг железа и нержавеющей стали, 32 кг алюминия, 3 кг серебра, 1 кг золота и 300 г палладия.

В настоящее время разработаны следующие методы переработки компьютерного лома и защиты литосферы от него:

сортировка печатных план по доминирующим материалам;

дробление и измельчение;

гранулирование, в отдельных случаях сепарация;

обжиг полученной массы для удаления сгорающих компонентов;

расплавление полученной массы, рафинирование;

прецизионное извлечение отдельных металлов;

создание экологических схем переработки компьютерного лома;

создание экологически чистых компьютеров.

В последнее время приняты радикальные меры по улучшению разделки, сортировки и использовании лома, так как более одной трети меди идет на производство проводов.

Лучшим способом разделки проводов можно считать отделение изоляции от проволоки механическим способом. С помощью грануляторов специальной конструкции удовлетворительно решена проблема отделения термоплавкой и резиновой изоляции. Установка пригодна для некоторых типов проводов, изолированных термопластом и бумагой. Установка не пригодна для некоторых типов проводов, изолированных хлопчатобумажной тканью, для кабелей со свинцовой оболочкой и для всех сортов изоляции, которая прилипает к проводу так, что не отделяется от металла даже при очень тонкой грануляции. При переработке проводов, у которых разделение изоляции и меди осуществляется удовлетворительно и почти без потерь получается термопласт, последний может служить сырьем для изготовления менее ответственных деталей.

Если между проводами, изолированными термопластом, есть изоляция из ткани, ее можно удалить из смеси кусков меди и изоляции с помощью отсасывающего устройства. Эта установка закрыта и механизирована, требует минимального обслуживания и обеспечивает производительность - 500 тонн изолированной проволоки в год. При работе установки не загрязняется атмосфера, технология экономически более выгодна, чем обжиг изоляции в печах.

Переработку промышленных отходов производят на специальных перегонах, создаваемых в соответствии с требованиями СНиП 2.01.28-85 и предназначенных для централизированного сбора, обезвреживания и захоронения токсичных отходов промышленных предприятий, НИИ и учреждений.

.5 Безопасность жизнедеятельности в чрезвычайных ситуациях

Помещение по пожароопасности классифицируется как категории «В», т.к. в лаборатории находятся негорючие вещества и материалы в холодном состоянии, а также сгораемые предметы: столы, стулья.

Определение пожарной категории помещения осуществляется путем сравнения максимального значения удельной временной пожарной нагрузки на любом из участков с величиной удельной пожарной нагрузки, приведенной в таблице 16.

Таблица 16 - Определение категории пожароопасных помещений

Наименование категории	Удельная пожарная нагрузка, МДж/м²
В1	Более 2200
В2	1401-2200
В3	181-1400
В4	1-180

Пожарная нагрузка помещения определяется по формуле:

, (100)

где - пожарная нагрузка, МДж;

- количество i-го материала пожарной нагрузки, кг;

- низшая теплота сгорания материала пожарной нагрузки, МД/кг.

Удельная пожарная нагрузка q определяется по формуле:

, (101)

где - площадь размещения пожарной нагрузки, м².

Из горючих материалов в помещении находится: древесины - 50 кг, бумаги - 7 кг. Теплота сгорания древесины - 13,8 МДж/кг, бумаги - 13,4 МДж/кг.

По формулам (97) и (98) находим:

;

По результатам расчета помещение относится к категории В4.

Здание имеет II степень огнестойкости. Стены и перегородки здания несгораемые, имеют предел огнестойкости 0,25-0,75 часов. Для тушения пожара в здании предусмотрены огнетушители ОП-5, для тушения электроустановок 0У-5.

Стол с компьютером стоит около окна. Ширина выхода 0,8 м. расстояние от наиболее удаленного рабочего места до выхода из помещения - 5,4 м. компьютер имеет закрытое исполнение. Это удовлетворяет требованиям СНиП-П-2-80.

Мероприятия по тушению пожаров удовлетворяют требованиям ГОСТ 12.1.010.-76 и ГОСТ 12.1.004-94.

5. Экономика и организация производства

.1 Технико-экономическое обоснование работы

В данной дипломной работе ведется моделирование процессов, проходящих в методической нагревательной печи с шагающим подом производительность 50 т/ч на примере нагрева заготовок размерами 80х80х4000м. Моделирование осуществляется с помощью программно-вычислительного комплекса FLUENT. Это позволяет лучше изучить и понять происходящие в печи процессы теплообмена.

Компьютерное моделирование теплофизических процессов применяется на этапе строительства или реконструкции промышленных печей. При этом существенно экономится время и затраты на проведение эксперимента, что является важным фактором на современном этапе развития науки и производства. Кроме того, сэкономленное на проведение исследовательской работы и экспериментов время позволяет гораздо раньше ввести промышленный агрегат в эксплуатацию, т.е. гораздо раньше начать получать прибыль. Это означает, что существенно сокращается срок окупаемости проекта.

В данном разделе произведен расчет затрат на выполнение дипломной работы и расчет основных показателей экономической эффективности внедрения дипломной разработки. Внедрение дипломной работы осуществляется на стадии разработки реконструкции методической толкательной печи в ПГП на ОАО «НЛМК». реконструкция заключается в строительстве печи с шагающим подом с сохранением фундамента и стен толкательной печи.

5.2 Смета затрат на проведение исследовательской работы НИР

Расчёт затрат на основные материалы, используемые при разработке проекта реконструкции, представлен в таблице 17.

Таблица 17 - Затраты на основные и материалы

Наименование материала	Количество	Оптовая цена, руб/шт	Сумма, руб
Бумага	1000	0,5	500
Картридж для принтера	2	500	1000
Итого	-	-	21000

Расчёт затрат на силовую электроэнергию проводится по формуле:

, (102)

где - затраты на силовую электроэнергию, руб;

- мощность электроприбора, кВт;

- коэффициент использования мощности, %;

- время использования электрооборудования, ч;

- цена 1 кВт·ч электроэнергии, руб.

Стоимость 1 кВт·ч электроэнергии, потребляемой научными лабораториями и учреждениями на сегодняшний день составляет 2,66 рубля. Результаты расчёта представлены в таблице 18:

Таблица 18 - Затраты на силовую электроэнергию

Потребитель	Мощность, кВт	Длительность использования, ч	Стоимость 1 кВт·ч, руб	Коэффициент использования мощности	Сумма, руб
ПЭВМ	1	200	2,66	0,7	372,4
Принтер	1	200	2,66	0,7	372,4
Итого	-	-	-	-	744,8

Расчёт затрат на амортизацию оборудования производится по формуле:

, (103)

где - сметная стоимость оборудования, руб;

- норма амортизации;

- процент от годовой эксплуатации, %.

Расчёт затрат на амортизацию представлен в таблице 19:

Таблица 19 - Затраты на амортизацию оборудования

Наименование оборудования	Сметная стоимость, руб	Время работы, ч	Процент от годовой эксплуатации, %	Норма амортизации, %	Амортизационные отчисления, руб
ПЭВМ	20000	200	1,2	10	24
Принтер	2500	200	1	10	2,5
Стул	1000	-	1	10	1
Стол	1500	-	1	10	1,5
Итого	-	-	-	-	29

Расчёт основной и дополнительной заработной платы исполнителей научно-исследовательской работы проводится по следующей формуле:

, (104)

где 10 - количество рабочих месяцев в году;

А - месячный оклад работника в рублях;

В - количество учебных часов, приходящихся на консультации;

- средняя годовая нагрузка преподавателя, ч.

Данные расчёта представлены в таблице 20

Таблица 20 - Основная заработная плата исполнителей дипломной НИР

Должность исполнителя	Месячный оклад, руб	Время, ч	Основная заработная плата, руб	Дополнительная заработная плата, руб
Руководитель работы (профессор)	19800	25	3198	534,1
Консультант по экономике (ассистент)	5000	5	161	26,9
Консультант по БЖД и экологии (профессор)	19800	3	384	64,1
Консультант по нормам контроля (доцент)	12800	2	165	27,6
Общая сумма заработной платы	-	-	3908	652,7
ФСС, в том числе ФСС от НС	-	-	-	1550,6 9,1
Итого заработная плата с отчислениями	-	-	-	6120,4

Дополнительная заработная плата составляет 12 % от основной платы. Фонд социального страхования составляет 34% от суммы основной и дополнительной заработной платы всех исполнителей, в том числе ФСС от несчастных случаев для сотрудников института 0,2 %. Накладные расходы составляют 60% от суммы основной и дополнительной заработной платы всех исполнителей; величина норматива транспортно - заготовительных расходов составляет 10% от стоимости всех материальных затрат.

Смета затрат на проведение дипломной научно - исследовательской работы представлена в таблице 21.

Таблица 21 - Смета затрат на проведение дипломной НИР

Статья затрат	Сумма, руб
Основные материалы	21000
Силовая электроэнергия	772,8
Амортизационные отчисления	29
Основная заработная плата исполнителей	3908
Дополнительная заработная плата	652,7
ФСС, в том числе ФСС от НС	1559,7
Накладные расходы	2048,9
Транспортные расходы	2100
Лицензия на ПВК FLUENT	160000	192071,1

.3 Определение экономической эффективности

Базовая и проектная калькуляция себестоимости 1 т проката среднеуглеродистой стали в ПГП приведены в таблице 22.

Таблица 22 - Базовая и проектная калькуляция себестоимости 1 т проката в ПГП

Статьи затрат	Цена, р.	Базовая		Проектная
		Кол-во	Сумма, р.	Кол-во	Сумма, р.
1	2	3	4	5	6
1 Сырье и основные материалы, т	-	-	-	-	-
Слитки (слябы)	13603,4	0,684	9304,73	0,684	9304,73
Итого сырья	-	0,684	9304,73	0,684	9304,73
Продолжение таблицы 22
1	2	3	4	5	6
2 Отходы (-), т	-	-	-	-	-
Обрезь технологическая	5883,10	0,018	105,9	0,018	105,9
Окалина	585	0,016	9,36	0,0155	9,07
Угар (безвозвратные потери)	-	0,021	-	0,02	-
3 Брак (-), т	2510	0,002	5,02	0,002	5,02
Итого отходов и брака	-	0,057	120,28	0,0555	119,99
Задано за вычетом отходов и брака	-	0,627	9184,45	0,49	9184,74
4 Расходы по переделу	-	-	-	-	-
4.1 Топливо Технологическое топливо	2891	0,0973	281,29	0,0937	270,89
Итого, усл. т	-	0,04865	281,29	0,0937	270,89
4.2 Энергозатраты	-	-	-	-	-
Электроэнергия, тыс. кВт·ч	2804,5	0,0806	226,04	0,0806	226,04
Пар, Гкал	560,76	0,0182	10,21	0,0175	9,81
Вода техническая, тыс. м³	1537,36	0,0356	54,73	0,03	46,12
Сжатый воздух, тыс. м³	298,96	0,0288	8,61	0,0288	8,61
Итого энергозатрат	-	-	299,59	-	290,58
4.3 Фонд оплаты труда	-	-	53,03	-	50,62
4.4 ФСС, в том числе ФСС от НС	-	-	18,67	-	17,82
4.5 Содержание основных средств	-	-	88,32	-	81,9
4.6 Ремонтный фонд	-	-	183,17	-	169,85
4.7 Амортизация	-	-	70,95	-	64,5
4.8 Прочие расходы	-	-	15,45	-	14,31
Итого расходов по переделу	-	-	1010,47	-	960,47
5 Общезаводские расходы	-	-	362,02	-	329,13
Всего расходов по переделу	-	-	1372,49	-	1289,6
6 Потери от брака	-	-	1,04	-	1,04
Производственная себестоимость	-	-	10555,9	-	10473,3
7 Коммерческие расходы	-	-	281,8	-	256,3
Полная себестоимость	-	-	10837,7	-	10729,6

В базовом варианте себестоимость единицы продукции составляет 10837,7 руб/т, в проектном варианте себестоимость единицы продукции снизилась до 10729,6 руб/т.

.3.1 Расчёт прибыли от реализации продукции

Прибыль от реализации единицы продукции рассчитывается по следующей формуле:

, (105)

где - цена единицы продукции, руб/т;

- себестоимость единицы продукции, руб/т.

Цена единицы продукции составляет 15815,4 руб/т.

Тогда прибыль от реализации единицы продукции в базовом варианте:

прибыль от реализации единицы продукции в проектном варианте:

.3.2 Определение рентабельности продукции

Рентабельность продукции можно определить по формуле:

, (106)

где - прибыль от реализации единицы продукции, руб/т;

- себестоимость единицы продукции, руб/т.

Рентабельность продукции для базового варианта составит

рентабельность продукции для проектного варианта составит

.3.3 Определение рентабельности продаж

Рентабельность продаж можно определить по формуле:

, (107)

где - прибыль от реализации единицы продукции, руб/т;

- цена единицы продукции, руб/т.

Рентабельность продаж для базового варианта составит

рентабельность продаж для проектного варианта составит

.3.4 Определение затрат на 1 рубль реализованной продукции

Затраты на 1 рубль реализованной продукции можно определить по формуле:

, (108)

где - себестоимость единицы продукции, руб/т;

- цена единицы продукции, руб/т.

Затраты на 1 рубль реализованной продукции для базового варианта составят

затраты на 1 рубль реализованной продукции для базового варианта составят

5.3.5 Точка безубыточности

Степень безубыточности рассчитывается для того, чтобы определить объём продаж, при котором будет обеспечено полное возмещение издержек предприятия на производство и реализацию продукции.

Точку безубыточности рассчитаем по формуле:

, (109)

где - точка безубыточности, т;

- постоянные затраты, руб/т;

- годовой объём производства, т;

- цена единицы продукции, руб/т;

- переменные затраты, руб/т.

В проектном варианте годовой объём производства составит 432000 тонн, цена единицы продукции 15815,4 рублей. К постоянным затратам относятся общепроизводственные и общехозяйственные расходы на сумму 1216,77 руб/т в проектном варианте калькуляции. Переменные затраты на единицу продукции рассчитаем по формуле:

, (110)

где - себестоимость единицы продукции в проектном варианте, руб/т.

Переменные затраты на единицу продукции составят

Точка безубыточности для проектного варианта по формуле (109):

Определим точку безубыточности для проектного варианта графическим способом и сравним с расчётным результатом.

Выручку от реализации продукции рассчитаем по формуле:

, (111)

где - годовой объём производства, т;

- цена единицы продукции, руб/т.

Выручка от реализации продукции составит

Постоянные затраты от реализации продукции рассчитаем по формуле:

. (112)

Постоянные затраты от реализации продукции составят

Переменные затраты от реализации продукции рассчитаем по формуле:

. (113)

Переменные затраты от реализации продукции составят

Суммарные затраты от реализации продукции рассчитаем по формуле:

. (114)

Суммарные затраты от реализации продукции составят:

График точки безубыточности представлен на рисунке 18.

Рисунок 18 - Точка безубыточности

При построении графика точки безубыточности по оси ординат откладываются суммарные затраты и выручка от реализации продукции, а по оси абсцисс - объём производства.

Пересечение линии затрат и линии выручки даёт точку безубыточности. По графику точка безубыточности ТБ = 83401,6 т. В точке безубыточности прибыль от реализации равна нулю, при меньшем объёме реализации производство будет нерентабельным. Точка безубыточности, полученная графическим способом, совпадает с аналитическим методом.

.3.6 Срок окупаемости внедрения НИР

Срок окупаемости внедрения НИР рассчитывается по формуле:

, (115)

где - затраты на проведение дипломной НИР, руб;

- разница между чистой прибылью до и после внедрения работы, руб.

Срок окупаемости внедрения НИР составит:

Срок окупаемости капитальных вложений рассчитываем по формуле:

, (116)

где - необходимее на реконструкцию капитальные вложения, руб.

Срок окупаемости капитальных вложений составит:

5.3.7 Технико - экономические показатели

Технико - экономические показатели производства приведены в таблице 23.

Таблица 23 - Технико - экономические показатели

Показатели	Базовый вариант	Проектный вариант
Объём производства, т/год	416000	432000
Себестоимость единицы производства, руб	10837,7	10729,6
Прибыль от реализованной продукции, млн. руб	2070,7	2197,1
Себестоимость годового выпуска, млн. руб	4508,5	4635,2
Рентабельность продукции, %	46	47
Рентабельность продаж, %	31	32
Затраты на 1 рубль реализованной продукции	0,69	0,68
Капитальные вложения на реконструкцию, млн. руб	-	16
Срок окупаемости капитальных вложений, лет	-	0,3426
Затраты на НИР	-	192071,1
Срок окупаемости дипломной НИР, лет	-	0,0041
Точка безубыточности, т	-	83401,6 т

Выводы

Полученные в результате моделирования данные показывают, что максимальная температура концентрируется в факеле и достигает 2800 К. Поскольку в печи установлены горелки типа ГР конструкции «Стальпроект», обеспечивающие улучшенное смешение, факел образуется короткий. За счет расширения проходного сечения в грелочном камне факел стелется вдоль свода. Однако, из-за односторонней подачи воздуха, факел получается несимметричным.

В томильной зоне распределение температуры более равномерное, поскольку уже хорошо прогрет металл и расход газа значительно меньше.

В методической зоне, т.к. используется тепло отходящих газов, распределение температуры также равномерное.

Распределение температуры по ширине печи не равномерное. В сварочной зоне вне факела температура изменяется от 1440 до 1800 К, что обеспечивает среднюю принятую температуру 1623 К.

Распределение радиационной температуры по длине печи показывает наибольшую яркость в томильной зоне, где температура металла постоянна и достигает наибольшего значения. В методической зоне, где металл еще не нагрет, наоборот, радиационная температура и энергетическая яркость минимальны.

Решение задачи внутреннего теплообмена в металле дает неравномерное распределение температуры по сечению. Максимальная температура достигается на верхних ребрах, минимальная - в центре нижней грани. Распределение температуры параболическое.

Список использованных источников

1 Теплотехника металлургического производства. Т I, II./ В.А. Кривандин, В.А. Арутюнов, С.А. Крупенников и др. - М.: МИСИС, 2002.

В.М. Тымчак, А.Е. Лифшиц. Расчет нагревательных и термических печей: Справочник. - М.: Металлургия, 1983.

Кривандин В.А., Егоров А.В. Тепловая работа и конструкции печей черной металлургии. - М.: Металлургия, 1989.

Глинков М.А. Основы общей теории печей. - М.: Металлургия, 1962.

Гусовский В.Л., Лифшиц А.Е. Методики расчета нагревательных и термических печей. - М.: Теплотехник, 2004.

Мастрюков Б.С. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей. Т II. - М.: Металлургия, 1978.

FLUENT. User’s guide. Руководство пользователя в электронном виде/

Пакет прикладных программ FLUENT. Краткое описание в электронном виде.

FLUENT. Тutorial guide. В электронном виде.

С. Патанкар. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. - М.: Энергоатомиздат, 1984.

Калиткин Н.Н. Численные методы. - М.: Наука, 1978.

Самарский А.А. Введение в численные методы. - М.: Наука, 1978.

Сожигательные устройства нагревательных и термических печей: Справочник / В.Л. Гусовский, А.Е. Лифшиц, В.М. Тымчак. - М.: Металлургия, 1981.

Тайц Н.Ю., Розенгарт Ю.И..Методические нагревательные печи. - М.: Государственное научно - техническое издательство по черной и цветной металлургии, 1964.

СН 245-71. Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий. - М.: Стройиздат, 1972.

ГОСТ 12.1.005.-88. Общие санитарно - гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. - М.: Издательство стандартов, 1989.

СНиП 23-05-95. Естественное и искусственное освещение. Нормы проектирования. - М.:Стройиздат, 1996.

ГОСТ 12.0.003-74.Оапасные и вредные производственные факторы. Классификация. - М.: Издательство стандартов, 1983.

ГОСТ 12.1.010-76. ССБТ. Взрывобезопасность. Общие требования. - М.: Издательство стандартов, 1979.

ГОСТ 12.1.004-91. ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования. - М.: Издательство стандартов, 1991.

Бочков Д.А. Экономические организационные вопросы в дипломном проектировании. Учебно-методическое пособие. - М.:МИСИС, 2003.- № 55

СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 Санитарным нормам проектирования промышленных предприятий. - М.: Стройиздат, 2003.

ВСН 51-86 Профессионально технические, средние специальные и высшие учебные заведения. Нормы проектирования.

ВСН-2-68/АН СССР. Указания по проектированию научно-исследовательских институтов и лабораторий Академии наук СССР. - М.: Стройиздат, 1968.

СИ 495-77. Инструкция по проектированию зданий научно-исследовательских учреждений. - М.: Стройиздат, 1978.

Нагрев заготовок квадратного сечения в методической нагревательной печи с шагающим подом

Нагрев заготовок квадратного сечения в методической нагревательной печи с шагающим подом

Содержание

2. Тепловой расчет методической печи

Таблица 1 - Состав сухого газа

Таблица 2 - Состав влажного газа

Список использованных источников

Похожие работы на - Нагрев заготовок квадратного сечения в методической нагревательной печи с шагающим подом