МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра теплофизики

Курсовая работа

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

по теплотехнике

на тему:

«Расчёт металлургической печи»

Липецк 2001

Аннотация

С. 36, рис. 6, табл. 3, прил. 2, библ. 8 назв.

В данной работе рассчитывается методическая печь с двусторонним обогревом, предназначенная для нагрева изделий из углеродистой стали Ст20 размерами 230ґ850ґ9200. Производительность рассчитываемой печи составляет 155 т/ч. Печь обогревается продуктами сгорания смеси природно-доменного газа.

Содержание.

Расчёт горения топлива……………………………………….….…4

Расчёт нагрева металла……………………………………..……...10

Расчёт основных размеров рабочей камеры и

параметров внешнего теплообмена…………………………….…….10

1-я ступень нагрева – методическая зона …………………11

2.3. 2-я ступень нагрева – сварочная зона ……………………….……..14

2.4. 3-я ступень нагрева – томильная зона..……………………….….…17

Тепловой баланс методической печи….……………………...…..19

Расчёт керамического рекуператора …….……………………….30

4.1.Определение коэффициента теплоотдачи

продуктов сгорания……………………………………………………...31

4.2. Определение требуемой поверхности теплообмена……………...31

4.3. Определение размеров рекуператора……………………………...33

4.4. Окончательные размеры рекуператора……………………………34

4.5. Расчет аэродинамического сопротивления воздушного тракта…35

4.6. Расчет аэродинамического сопротивления тракта продуктов сгорания……………………………………………………………………...…...36

Выбор горелочных устройств …….………………………..…….37

Расчет газового, воздушного и дымового

трактов нагревательных печей………………...…………….…………...38

Определение размеров газо- и воздухопроводов …………40

Расчет дымового тракта…………………………………….40

6.3.Аэродинамический расчёт дымового тракта……………...……..41

Библиографический список….………….…….………………………….42

Приложения………………………..…….………………………….…….45

Расчёт горения топлива.

Производим расчет горения смеси природно-доменного газа с теплотой сгорания Qpн=8100 кДж/м3 в нагревательном колодце для нагрева слитков до 1230оС.

В нагревательных колодцах применяют горелки без предварительного смешения газа с воздухом, поэтому принимаем коэффициент расхода воздуха a=1,1.

Из справочной литературы берем состав сухих газов.

Таблица 1

Состав сухих газов

Газ	СО2	СО	СН4	С2Н6	Н2	N2	С4Н10	Всего
доменный	10,0	27,4	0,9	-	3,3	58,4	-	100
природный	-	-	92,2	0,8	-	6,0	1,0	100

Принимаем влажность газов:

доменного W1=30 г/м3,

природного W2=10 г/м3.

Определяем содержание влаги во влажном газе:

доменном

Н2О=100ЧW1/(803,6+ W1)=3,598 %,

природном

Н2О=100ЧW2/(803,6+ W2)= 1,229 %.

Пересчитаем состав сухих газов на влажные.

Доменный газ.

Содержание СО2 во влажном газе:

=9,64 %.

Аналогично находим содержание других компонентов во влажном доменном газе.

Химический состав влажного доменного газа, %:

СО2Р СОР СН4Р Н2Р N2Р Н2О Всего

9,64 26,41 0,867 3,18 56,29 3,598 100

Таким же путем определяем состав влажного природного газа:

СН4Р С2Н6Р N2Р С4Н10Р Н2О Всего

91,06 0,79 5,926 0,987 1,229 100

Определяем низшую теплоту сгорания газов:

доменного

QнР=126,45ЧСО+107,6ЧН2+358ЧСН4=3992,712 кДж/м3

природного

QнР=358ЧСН4+635Ч С2Н6+1253,36Ч С4Н10=34340,34 кДж/м3

Находим долю доменного газа в смеси:

=0,864

Доля природного газа (1-)=0,135.

Определяем состав смеси влажного газа:

Х=ЧХ1+(1-)ЧХ2,

где Х1-содержание данного компонента (например СО2,% ) в доменном газе;

Х2-то же, в природном газе.

Находим содержание СО2 в смешанном газе:

=0,864Ч9,64+0=8,329 %

Аналогично определяем содержание других компонентов смешанного газа и получаем его состав, %:

СО2 СО СН4 Н2 N2 С2Н6 С4Н10 Н2О Всего

8,329 22,82 13,07 2,748 49,44 0,106 0,133 3,27 100

Для проверки точности расчета определяем теплоту сгорания смешанного газа:

QнР=126,45ЧСО+107,6ЧН2+358ЧСН4+635Ч С2Н6+1253,36ЧС4Н10=8095,6кДж/м3

Определяем ошибку теплоты сгорания:

dQ=Ч100=5,4Ч10-4 %<0,5%.

Разность между расчетной и заданной теплотой сгорания смешанного газа не превышает ± 0,5 %.

Табличным способом рассчитываем удельное теоретическое количество воздуха и продуктов горения (табл. 2)

Таблица 2

Расчет горения топлива

Участвуют в горении							Получено газооб- разных продуктов
Топливо				Воздух
Сос- тав	Содер жание %	Кол- во, м3	Реакции горения	О2, м3	N2, м3	Все го м3	СО2, м3	Н2О, м3	N2, м3	Всего м3
Н2	2,74	2,74	Н2+0,5О2=Н2О	1,37	40,16Ч3,76	151,01+40,16	-	2,748		2,7480
СО	22,82	22,82	СО+0,5О2= СО2	11,4			22,82	-		22,827
СН	13,07	13,07	СН4+2О2=СО2+2Н2О	26,1			13,07	26,14		39,210
СО2	8,33	8,33	-	-			8,33	-	49,44 - + 151,0	8,3290
N2	49,44	49,44	-	-			-	-		200,45
С2Н6	0,106	0,106	С2Н6+3,5О2=2СО2+3Н2О	0,37			0,213	0,320		0,5334
С4Н10	0,133	0,133	С4Н10+6,5О2=4СО2+5Н2О	0,86			0,534	0,667		1,2015
Н2О	3,275	3,275	-	-			-	3,275		3,275
Всего	100	100		40,1	151	191	44,97	33,15	200,4	278,57
На 1 м3 газа				0,4	1,51	1,91	0,449	0,331	2,004	2,7857

Используя данные табл.2, определяем удельное действительное количество воздуха, количество и состав продуктов горения для принятого коэффициента расхода воздуха a=1,1.

Удельное количество воздуха:

VВ=VВ0+(a-1)Ч VВ0=1,1Ч1,911=2,102 м3

Удельное количество продуктов горения:

Vп= Vп0+(a-1)ЧVВ0=2,785+0,1Ч1,911=2,976 м3/м3.

Удельное количество азота:

VN= VN0+(a-1)ЧVNВ0=2,005+0,151=2,155 м3/м3.

Удельное количество кислорода:

VО= (a-1)ЧVОВ0=0,0401 м3/м3.

Удельное количество других компонентов продуктов горения (табл. 2):

=0,4497 м3/м3

=0,3315 м3/м3.

Состав продуктов горения:

СО2= /VпЧ100%=15,11%,

N2=VN2/VпЧ100%=72,41%,

Н2О=/VпЧ100%=11,14%,

О2=VО2/ VпЧ100%=1,34%.

Плотность среды:

+ +mН2ОЧН2О/(100Ч22,4)=2674,381/2240=1,194 кг/м3.

rво=1,293 кг/м3 - плотность воздуха.

Плотность продуктов сгорания:

=2936,026/2240=1,31 кг/м3.

Точность расчета проверяем составлением материального баланса горения на 1 м3 газа. Поступило:

- газа rГОЧVГ=1,194Ч1=1,194 кг;

- воздуха rвоЧVВ=2,102Ч1,293=2,718 кг.

Всего: Му=1,194+2,718=3,912 кг.

Получено продуктов сгорания:

Мп=rпоЧVп=2,976Ч1,310=3,9 кг.

Баланс выполнен, если невязка меньше 0,5%:

.

Расчет калориметрической температуры горения.

Энтальпия продуктов горения:

iп=Qpн/Vп=8095,6/2,976=2720,295 кДж/м3.

Предварительно принимаем температуру t1=1700°C и находим энтальпию продуктов горения:

=(4087,1Ч15,11+2486,28Ч72,4++2632,09Ч11,139+3203,05Ч1,347)Ч10-2=2754,3 кДж/м3.

Так как i1> iп, то действительная калориметрическая температура горения меньше 1700°C.

Повторно принимаем t2=1600°C.

Энтальпия продуктов горения при t2=1600°C:

i2=(3815,86Ч15,11+2328,65Ч72,4+2463,97Ч11,139+2979,13Ч1,347)Ч10-2= =2577,427 кДж/м3.

Имеем i2<in<i1,следовательно, t2<tk<t1.

Интерполяцией находим:

=1700 – 19,225=1680,775°С.

Требуемая калориметрическая температура:

=(1230+100)/0,7=1900°С,

где tМ=1230 – температура нагрева сляба,

Dt=100 – т.к. методическая печь с трех ступенчатым режимом нагрева,

h=0,7 – т.к. методическая печь.

Т.к. tk < tkТР , то необходим подогрев воздуха.

Энтальпию продуктов горения при tkТР=1900°С находим экстраполяцией:

=3105,035 кДж/м3.

Определяем минимальную необходимую температуру подогрева воздуха:

кДж/м3.

Принимаем при tў1=400°C iў1=532,08кДж/м3 и при tў2=500°C iў2=672,01кДж/м3,

а затем интерполяцией находим:

=454,34°С.

Следовательно, для получения температуры печи 1330°С температура подогрева воздуха должна быть 454°С.

2. Расчёт нагрева металла.

2.1 Расчёт основных размеров рабочей камеры и параметров

теплообмена.

Примем напряжённость рабочего пода P=600

Площадь рабочего пода:

Длина рабочего пода:

где l – длина заготовки, м.

Допускаемая длина рабочего пода:

где d - толщина заготовки, м;

k – коэффициент, характеризующий наклон пода к горизонтали [2. стр.27].

Так как Lp<Lпр, принимаем однорядную укладку заготовок, nр=1.

Ширина пода при e=0,2 м:

где е – промежуток между стенкой печи и металлом и между рядами заготовок.

Размеры нагреваемого сляба: dЧBЧl=230ґ850ґ9200 (мм).

Посад холодный, температура нагрева Ме – 1230 °С.

Производительность печи: 155 т/ч.

Состав стали: С=0,3%; Si=0,15%; Mn=0,3 %.

Теплопроводность углеродистой стали при 0°С:

l=70-10,1ЧС-16,8ЧMn-33,8ЧSi=70-10,1Ч0,3-33,8Ч0,15=56,86 Вт/(м2ЧК).

Метод нагрева в печи принимается двусторонний. Коэффициент несимметричности нагрева m=0,55 при двустороннем нагреве на поду из водо-охлаждаемых труб. Подогреваемая толщина изделия:

S=mЧd=0,55Ч0,23=126,5 мм.

Максимальная рабочая температура газов (печи) - tп=1330°С.

1-я ступень нагрева – методическая зона.

Начальные температуры металла: поверхности tми=0°С

середины tсм=0°С .

Конечная температура середины заготовки – tск=600°С .

Разность температур между поверхностью и серединой заготовки (700-800)ЧS принимаем равной 90°С. Тогда конечная температура поверхности заготовки – tмк=690°С. Средняя теплопроводность металла в процессе нагрева данной ступени: l=0,9Ч56,86=51,174 Вт/(м2ЧК).

Конечная средняя по массе температура металла:

`tк=( tск+ tмк)/2=(600+690)/2=645°С.

Конечное теплосодержание металла при 645°С принимаю:

Средняя теплоемкость металла от начальной температуры 0°С до конечной 640°С:

.

Средний коэффициент температуропроводности металла:

аср=l/(СЧr)=51,174/(0,5826Ч103Ч7800)=0,011259Ч10-3 м2/с.

На основе анализа рекомендуемых чертежей принимаем высоту свободного пространства над металлом H0=1 м.

Эффективная длина луча:

Произведение эффективной длины на парциальное давление излучающих газов:

При температуре печи (газов) 1100°С степень черноты а поправка для

Степень черноты газов:

а степень черноты металла принимается eм=0,8.

Степень развития кладки:

Приведённый коэффициент излучения:

где С0=5,7–коэффициент излучения абсолютно чёрного тела.

Начальное значение коэффициента теплоотдачи излучением (при t0=1000°C, tп=0°C) и конечное значение - (при t0=1330°C, tп=690°C) рассчитываем соответственно по формулам:

Среднее значение коэффициента теплоотдачи излучением вычисляем по формуле:

.

Коэффициента теплоотдачи конвекцией принимается aКОН =15 Вт/(м2ЧК).

Суммарное значение коэффициента теплоотдачи:

.

Определяем критерий БИО по формуле:

.

Температурный критерий для середины заготовки:

.

По графикам Д.В. Будрина [2,прил.5] для Bi=0,3304 и q=0,4849; критерий Фурье равен Fo=2,8.

Время нагрева металла в методической зоне печи определяется как:

.

При значениях Bi=0,3304 и Fo=2,8 по графику Д.В. Будрина для поверхности пластины [2,прил.5] температурный критерий qп=0,42. Откуда:

=1165-1165Ч0,42=675,7°С.

Ранее была принята =690°С. Расхождения между принятой и полученной температурами составляет 14,3°С, и оно не может отразиться на результатах расчета.

2.3 2-я ступень нагрева – сварочная зона.

Температура металла начальная:

tcн=600°С и tпн=675°С, tм=1230°С .

Конечная температура середины металла - tcк=1165°С.

Средняя температура металла по массе и времени:

Средняя теплопроводность металла:

l913=0,68Чl0=0,68Ч56,86=38,664 Вт/(м2ЧК).

Начальная средняя по массе температура металла:

tcр=(600+675)/2=637,5°С.

Начальное теплосодержание металла при 637,5°С [2, прил.3]:

.

Конечная средняя по массе температура металла:

tcр=(1230+1165)/2=1197,5°С.

Конечное теплосодержание металла при 1197,5°С [2, прил.3]:

.

Средняя теплоемкость металла от начальной температуры 637,5°С до конечной 1197,5°С:

.

На основе анализа рекомендуемых чертежей принимаем высоту свободного пространства над металлом в сварочной зоне H0=1,7 м.

Эффективная длина луча:

Произведение эффективной длины на парциальное давление излучающих газов:

При температуре печи (газов) 1330°С степень черноты а поправка для - [2,прил. 4].

Степень черноты газов:

а степень черноты металла принимается eм=0,8.

Степень развития кладки:

Приведённый коэффициент излучения:

где С0=5,7–коэффициент излучения абсолютно чёрного тела.

Средний коэффициент температуропроводности металла:

аср=l913/(С637Чr)=38,664 /(Ч103Ч7800)= 5,9291Ч10-6 м2/с.

Начальное значение коэффициента теплоотдачи излучением (при t0=1330°C, tп=675°C) и конечное значение - (при t0=1330°C, tп=1230°C) рассчитываем соответственно по формулам:

Среднее значение коэффициента теплоотдачи излучением вычисляем по формуле:

.

Коэффициента теплоотдачи конвекцией принимается aКОН =15 Вт/(м2ЧК).

Суммарное значение коэффициента теплоотдачи:

.

Определяем критерий БИО по формуле:

.

Температурный критерий для поверхности заготовки:

По графикам Д.В. Будрина [2,прил.7] для Bi=0,8584 и q=0,1526; критерий Фурье равен Fo=2,6.

Время нагрева металла в сварочной зоне печи определяется как:

.

При значениях Bi=0,8584 и Fo=2,6 по графику Д.В. Будрина для поверхности пластины [2,прил.6] температурный критерий для середины заготовкиqс=0,21. Откуда:

=1330-1330Ч0,21=1176°С.

Ранее была принята =1165°С. Расхождения между принятой и полученной температурами составляет 11°С, и оно не может отразиться на результатах расчета.

При нагреве заготовок перепад температур по толщине заготовки принимаем Dtм=(250ё300)ЧS=(31,6ё37,95)°C, выбираем Dtмк=30°C.

2.4 3-я ступень нагрева – томильная зона.

Температуры металла:

- начальные tмн=1230°С , tcн=1176°С;

- конечные tмк=1230°С , tcк=1200°С.

Средняя температура металла по массе и времени:

Средняя теплопроводность металла:

l1209=0,72Чl0=0,72Ч56,86=40,939 Вт/(м2ЧК).

Начальная средняя по массе температура металла:

tcр=(1230+1176)/2=1203°С.

Конечная средняя по массе температура металла:

tcр=(1230+1200)/2=1215°С.

Полученные температуры мало отличаются между собой, так что теплоемкость от 1203°С до 1215°С можно принимать равной теплоемкости от 0 до (1203+1215)/2=1209°С.

Теплосодержание стали при 1209°С [2,прил.3]:

.

Средняя теплоемкость металла от 0 до 1209°С:

.

Средний коэффициент температуропроводности металла:

аср=l1209/(СЧr)=40,939 /(0,7Ч103Ч7800)= 7,498Ч10-6 м2/с.

Степень выравнивания температур:

,

где = tМН – tСН=1230 – 1176=54°С.

По графику [2,прил.6] для коэффициента несимметричности нагрева m = 0,5 находим критерий Fo по формуле:

.

Продолжительность выдержки металла в томильной зоне:

.

Общее время нагрева металла в печи:

St=t1+t2+t3=1,105+1,949+0,414=3,469ч

3. Тепловой баланс методической печи.

Приход тепла.

1)Определим химическое тепло топлива:

где В(м3/с) – расход газа подаваемого па печь.

2)Физическое тепло воздуха:

где iВ – энтальпия воздуха при tВ=454 оС [3. стр.37].

3)Тепло экзотермических реакций:

где а=0,012 – доля окисленного металла [4. стр.8];

5650 – тепловой эффект окисления 1 кг железа, [3. стр.8];

G=155 т/ч – производительность печи.

Общий приход тепла:

Расход тепла.

1) Расход тепла на нагрев металла:

где iк=861(кДж/кг) и iн=0(кДж/кг) - энтальпия металла в конце и начале нагрева.

2) Потери тепла на нагрев окалины:

где m – количество окалины от окисления 1 кг железа, m=1,38

С0 – теплоёмкость окалины, С0=1

tм=1503(К) и tн - температура окалины, принимается равной температуре поверхности металла соответственно в начале и конце нагрева.

3) Потери тепла с уходящими газами:

Энтальпия уходящих газов:

4)Потери тепла через кладку теплопроводностью.

Стены печи двухслойные выполненные:

внутренний слой – ША h=348 мм;

внешний – диатомитовый кирпич h=116 мм.

Под печи трехслойный:

первый (внутренний) слой – хромомагнезитовый кирпич;

второй (рабочий) слой – ШБ (шамотный кирпич класса Б);

третий слой – Д-500 теплоизоляционный диатомитовый кирпич.

Свод печи однослойный выполнен из каолинового кирпича: ШБ 300 мм.

Формулы для расчёта теплопроводности материалов кладки:

Шамотный кирпич ША:

Хромомагнезитовый кирпич:

Шамотный кирпич ШБ :

Диатомовый кирпич Д-500:

Каолиновый кирпич:

где - средняя по толщине температура слоя.

а)Расчет стены печи:

Рис.1 Схема стенок печи.

Расчёт ведётся методом последовательных приближений.

Первое приближение.

Предварительно находим тепловое сопротивление кладки при температуре ,где - на границе слоев (ШБ) и - наружных слоев.

Тепловое сопротивление слоя:

Принимаем коэффициент теплоотдачи равным a0=15, .

Внешнее тепловое сопротивление:

Общее тепловое сопротивление:

Плотность теплового потока при tп=1330оС и tв=20оС:

Так как разница между предыдущим и полученным значениями

q> 5%,расчет необходимо повторить.

Второе приближение.

Находим температуру на границах слоев кладки:

Средняя температура слоя:

Теплопроводность слоя:

Тепловое сопротивления слоя:

Коэффициент теплоотдачи:

Внешнее тепловое сопротивление:

Общее тепловое сопротивление:

Плотность теплового потока при tк=1330оС и tв=20оС:

Так как разница между предыдущим и полученным значениями q > 5%, расчет

необходимо повторить: dq=|qў-q0|/ qўЧ100%=(1341-896)/1341Ч100%=33,18%.

Третье приближение.

Этот расчёт выполняется по аналогии с предыдущим, поэтому приведём только его результаты:

tў=922,3оС; tн=124,4оС; `t1= 1126,1оC; `t2=523,379оC;

R1=0,305 (м2ЧК)/Вт; R2=0,598 (м2ЧК)/Вт;

a=15,31 Вт/(м2ЧК); Rн=0,065 (м2ЧК)/Вт;

R0=0,968 (м2ЧК)/Вт; qІ=1353, 305

Так как разность qў и qІ меньше ±5%, пересчёта не требуется.

Тепловое сопротивление пода больше, чем стен. Отсюда можно принять удельные потери через под 0,75 от потерь через стены, т. е.:

qn.n=0,75Чqcт=0,75Ч1353,305=1015 Вт/м2.

б)Потери тепла через кладку свода.

Расчёт проводим методом последовательного приближения аналогично расчёту потерь через кладку стен, поэтому приведём только результаты расчёта: tн=183,9оС, a=52, R0=0,144 , q=9087,81 .

Рис.2 Схема свода печи.

Потери тепла через кладку вычисляем по формуле:

где - плотность теплового потока в окружающую среду (через стены, под и свод печи);

- расчетная поверхность i-го элемента кладки, м2.

Расчётная поверхность пода:

где Вп=9,6 (м) – ширина печи,

L – длина пода при торцевой загрузке:

L=LрасчЧ1,045=1,045Ч.

Расчётная поверхность свода:

где `Hм=H0+d=1,23 м,

Hсв=Hў0+d=1,93 м,

Hт=1,5+d=1,73 м.

Определение активной длины пода по зонам:

методическая – Lм= LЧt1/St=34,03Ч1,105/3,469=10,84 м;

сварочная – Lсв= LЧt2/St=34,03Ч1,949/3,469=19,12 м;

методическая – Lт= LЧt3/St=34,03Ч0,414/3,469=4,07 м.

Конструктивно принимаем две сварочные зоны с Lсв=9,56м.

Следовательно потери тепла через кладку:

5) Потери тепла через окна:

Принимаем, что окно посада открыто всё время (j1=1) на h0=2Чd=0,46 м

Площадь открытия окна посада:

Толщина кладки стен dст=0,464 м.

Коэффициент диафрагмирования окна Ф=0,7 [5. рис.1].

Температура газов:

у окна задачи =1273К;

у окна выдачи =1533К.

Потери тепла через окно задачи:

Потери тепла через окно выдачи:

Общие потери тепла излучением:

6) Потери тепла с охлаждающей водой.

В табл.1 [4] указаны водо-охлаждаемые элементы методических печей и потери в них.

Расчётом определяем только потери в продольных и поперечных трубах, так как это составляет 80-90% от всех потерь. Остальные потери учитываются увеличением полученных потерь в трубах на 10-20%.

Максимальное расстояние между продольными трубами:

С учётом запаса прочности расстояние между трубами принимаем на 20-30% меньше максимального:

Диаметр и толщина подовых труб: 127ґ22 мм.

Количество продольных труб:

где lз – длина заготовки, м.

Свешивание заготовки:

Общая длина продольных труб:

Поверхность нагрева продольных труб:

Плотность теплового потока принимаем равной qпр=100 [3.табл.1].

Потери тепла с охлаждающей водой продольных труб:

Принимаем конструкцию сдвоенных по высоте поперечных труб. По длине сварочной зоны и 1/3 методической расстояние между поперечными трубами принимаем равным =2,32 м. На остальной части длины методической зоны продольные трубы опираются на продольные стенки.

Количество сдвоенных поперечных труб:

Общая длина поперечных труб:

Поверхность нагрева поперечных труб:

Плотность теплового потока принимаем равной [3.табл.1]:

qпп=150 .

Потери тепла с охлаждающей водой поперечных труб:

Общие потери с охлаждающей водой подовых труб:

а потери тепла с теплоизоляцией:

Потери тепла с охлаждающей водой всех водо-охлаждаемых элементов печи без теплоизоляции подовых труб:

а с теплоизоляцией подовых труб:

7)Неучтённые потери тепла составляют (10-15)% от суммы статей Qк+Qп+Qв:

Общий расход тепла:

Приравнивая расход тепла к приходу, получим уравнение теплового баланса:

или

, тогда расход топлива с термоизоляцией

Выбираем трубы без изоляции.

Таблица 3

Тепловой баланс печи

Статья	Приход тепла		Статья	Расход тепла
	кВт	%		кВт	%
Химическое тепло топлива Qx Физическое тепло воздуха Qв Тепло экзотермических реакций Qэ	106930,7 16884,7 2919,16	84,37 13,32 2,30	Расход тепла на нагрев металла Qм Потери тепла с окалиной Qo Потери тепла с уходящими газами QУ Потери через кладку Qк Потери тепла излучением Qл Потери с охлаждающей водой Qбв Неучтённые потери Qбн	36625,98 1071,630 61090,04 3771,379 1435,846 20199,47 2540,670	28,89 0,845 48,20 2,975 1,133 15,93 2,004

Всего 126734,6 100 126735,03 100

Невязка составляет – 0,00033%

Определим другие показатели.

Коэффициент полезного действия печи:

Удельный расход тепла:

Удельный расход условного топлива:

где Qу=29300 кДж/кг – теплота сгорания условного топлива.

Для дальнейших расчетов:

- расход воздуха:

- расход продуктов горения:

4. Расчёт керамического рекуператора.

Расход продуктов сгорания через рекуператор ; расход воздуха ; температура воздуха на входе и на выходе соответственно и ; температура продуктов сгорания на входе .

Тепловой поток через поверхность теплообмена:

где k – коэффициент теплоотдачи;

Dt – средне логарифмическая разность температур между воздухом и продуктами сгорания;

F – поверхность теплообмена.

Уравнение теплового баланса с учётом утечек воздуха

,

где h=0,95– коэффициент учёта потерь тепла в окружающую среду;

n=0,2 – доля утечки воздуха.

Из этого уравнения выражаем температуру продуктов сгорания на выходе из рекуператора:

где

- концентрация воздуха, =1,334 (кДж)/(м3ЧК).

По формуле получим .

Определение коэффициента теплопередачи от продуктов сгорания к воздуху.

Согласно рекомендации [4] скорость продуктов сгорания и скорость воздуха при нормальных условиях равны соответственно и .

Продукты сгорания движутся внутри рекуператорных труб.

4.1Определение коэффициента теплоотдачи продуктов сгорания.

Теплоотдача конвекцией.

Температура, средняя по длине поверхности теплообмена:

.

Число Рейнольдса:

,

где -скорость продуктов сгорания при 957,5°С;

n-коэффициент кинематической вязкости при 957,5 °С;

dЭ–характерный геометрический параметр пространства, в котором происходит движение продуктов сгорания. При движении внутри рекуператорных труб dЭ = 0.144 м.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией по рис.2.2[4]:

,

Теплоотдача излучением.

Средняя температура стенки для входа по продуктам сгорания:

.

Средняя температура стенки для выхода по продуктам сгорания:

.

В рекуператоре прямоточное движение сред.

Эффективная длина луча:

.

Эффективная степень черноты стенок труб рекуператора:

,

где eСТ=0,8 – степень черноты шамотного огнеупора.

Парциальные давления газов численно равны их объёмным содержаниям: .

Произведения парциальных давлений на эффективную длину луча:

.

Степени черноты газов определяем по графикам [4]:

Для входа, при 1000 °С: ;

Для выхода, при 915 °С: ;

Поправочный коэффициент: .

Значения коэффициента теплоотдачи:

Вход:

2. Выход:

Средний коэффициент теплоотдачи излучением:

.

Суммарный коэффициент теплоотдачи:

.

Определение коэффициента теплоотдачи воздуха.

Коэффициент теплоотдачи aВ=f(wB,O;tB) при tB=0,5Ч( + )=237°С по рис.2.4[4]:

.

Средняя температура стенки:

.

Теплопроводность стенки при 597°С:

.

Толщина стенки трубы: .

Коэффициент теплопередачи:

.

4.2 Определение требуемой поверхности теплообмена.

Для определения величины поверхности теплообмена F необходимо использовать графическую зависимость Е=f(m,q) рис.2.1[4].Относительная температура воздуха q вычисляется по формуле:

,

а комплекс m как:

,

где С237В=С200+1,31+0,01Ч(1,32-1,31)Ч37=1,3137 кДж/(м2ЧК) – теплоемкость воздуха при tВ=237°С [4].

Из графика Е=0,5, тогда с учетом утечек воздуха поверхность теплообмена вычисляется:

.

4.3 Определение размеров рекуператора.

Суммарная площадь проходного сечения труб:

,

где a=1,1 – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения продуктов сгорания по трубам рекуператора.

Площадь насадки рекуператора в горизонтальной плоскости:

,

где SПС – проходное сечение одной трубы, отнесённое к 1м2 площади сечения насадки.

Ширина насадки рекуператора В=ВП – 1=9,6 – 1=8,6 м.

Число рядов труб в направлении, перпендикулярном движению воздуха:

,

где S1=0,305 м – шаг размещения трубы по ширине печи.

Высот насадки рекуператора:

,

где P=8,5 м3/м3 – поверхность теплообмена на 1м3 насадки для керамических рекуператоров.

Площадь проходного сечения для движения воздуха:

.

Площадь проходного сечения воздуха по высоте одного ряда труб:

.

Количество рядов труб по высоте одного горизонтального прохода:

.

Число горизонтальных проходов по пути движения воздуха:

,

где h=0,42м – высота трубного элемента с учетом межфланцевого торцевого зазора.

4.4 Окончательные размеры рекуператора.

Число рядов труб по ширине рекуператора:

.

Число рядов труб по высоте рекуператора с учётом возможности увеличения высоты последнего прохода на 1 трубу:

.

Ширина насадки рекуператора:

.

Число рядов труб по длине рекуператора:

,

где S2=0,304м – шаг труб по длине рекуператора.

Длина насадки рекуператора:

.

Высота насадки рекуператора:

.

Действительная поверхность теплообмена.

.

4.5 Расчет аэродинамического сопротивления воздушного тракта.

где lТ – коэффициент трения для каналов из огнеупоров (0,05);

N=1 – число горизонтальных проходов;

dэ – эквивалентный диаметр для вертикальных каналов (0,114м);

b =1/273- коэффициент объемного расширения газов;

g=9,81 м/с2 – ускорение свободного падения;

wВ,О=1,5 м/с; rВо=1,293 кг/м3;

коэффициенты местных сопротивлений:

x1 =0,5;

x2 =0,3;

x4 =1,2;

x7 =кЧ(S2/S1ЧnpЧa+b)=1,4Ч(304/305Ч54Ч0,1+2)=10,335 ,

где к – коэффициент учитывающий турбулентность движения газа;

np=М1 – 1=54 – число межрядных проходовпо длине горизонтальных каналов;

a,b – коэффициенты зависящие от S2 и диаметра труб (a=0,1;b=2).

4.6Расчет аэродинамического сопротивления тракта продуктов сгорания.

где lТ – коэффициент трения для каналов из огнеупоров (0,05);

dэ – эквивалентный диаметр для вертикальных каналов (0,114);

x5, x6 –коэффициенты местных сопротивлений (0,5; 0,6);

rПсо, rво – плотность продуктов сгорания и воздуха;

b - коэффициент объемного расширения газов.

5. Выбор горелочных устройств.

Для данной методической печи используем горелки типа “труба в трубе”.

Примем следующее распределение тепла по зонам печи [8]:

- томильная зона – 15%;

- первая сварочная зона:

- верхняя – 20%;

- нижняя – 22,5%;

- вторая сварочная зона:

- верхняя – 20%;

- нижняя – 22,5%.

Число горелок в каждой зоне:

где Sг – шаг горелок [8], м;

k – число рядов горелок.

Пропускная способность одной горелки по газу:

.

Давление газа перед горелкой принимаем 4 кПа, для воздуха – 0,5 кПа.

Первая сварочная зона.

Теплота сгорания топлива: QHP=8095,6 кДж/м3.

Газ холодный (20°С): rГО=1,194 кг/м3.

Температура подогрева воздуха: tВ=454°С.

Удельный расход воздуха: VВ=2,1021 м3/м3.

Расход воздуха на горелку:

Расчётный расход воздуха при подогреве его до 454оС:

где k =1,56 – коэффициент определяется по рис.5а [8].

По рис.5а [8], по расчётному расходу воздуха и давлению перед горелкой 0,5 кПа определяем тип горелок: ДНБ-275/dГ.

Расчётный расход газа:

где kt – определяется из рис.6 [8];

kp=1,31 кг/м3 – определяется из рис.7 [8].

При давлении 4 кПа и расчётном расходе газа VГрас=0,405 м3/с диаметр газового сопла – dГ =85 мм.

Проверим скорости в характерных сечениях горелки. По рис.8[8] найдём скорости Wг20=65 м/с и воздуха– Wв20=20 м/c на выходе из горелки при t=20 оС.

Действительные скорости сред:

Отношение скоростей:

Отношение скоростей находится в пределах допустимого [8]. По табл.4 [8] определяем размеры горелки ДНБ-275/85 (см. прил 1.).

Скорость газовой смеси на выходе из носика горелки:

Скорости движения сред в подводящих трубопроводах:

6. Расчет газового, воздушного и дымового трактов нагревательных печей.

6.1 Определение размеров газо- и воздухопроводов.

Участок 1 диаметром d1(D1) и длиной l1(L1) соединяет каждую горелку с раздаточным коллектором.

l1 = 6 м – газопровод; L1=3 м – воздухопровод; d1 =D5, a D1= D2

Участок 2 (зонный коллектор) диаметром d2(D2) и длиной l2(L2) обеспечивает равномерное распределение газа(воздуха) на группу горелок данной зоны отопления.

Задаемся рациональными скоростями движения газа и воздуха:

wГ2=15 м/с; wВ2=8 м/с.

Площадь проходного сечения трубы для газа:

, где V2=BБЧ0,225=2,971 м3/с.

Отсюда диаметр трубы:

;

Площадь проходного сечения трубы для воздуха:

, где V2=BБЧ0,225=2,971 м3/с.

Отсюда диаметр трубы:

.

Длина l2 =L2=Bn+2=11,6 м.

Участок 3 диаметром d3(D3) и длиной l3(L3) соединяет зонный коллектор с печным. На нем размещают дроссельный клапан для плавного регулирования расхода газа(воздуха) на группу горелок зоны и измерительную диафрагму для контроля расхода газа (воздуха) на зону отопления.

l3=L3=12 м; d3=d2 =0,56154 м; D3=D2=0,76892 м.

Участок 4 диаметром d4(D4) и длиной l4(L4) обеспечивает подвод газа (воздуха) к печи из цехового газопровода (воздухопровода) и раздачу его по зонам коллектора.

Диаметр трубы газа:

;

Диаметр трубы под воздух:

.

Общая длина l4=L4=35 м.

6.2 Расчёт дымового тракта.

Дымовой тракт представляет собой систему каналов - боровов, обеспечивающих движение продуктов горения из печи к дымовой трубе. Расчет ведем в соответствии с типовой схемой дымового тракта методической печи. Скорость продуктов горения w02=2,5 м/с [6].

1) Соединение печи с рекуператором.

Проходное сечение борова f1=aґb=2,9Ч9,6=27,84 м2, а длина l1=5,5 м. Тогда:

2) горизонтальный участок – рекуператор с дымовой трубой.

Длина l2=40 м. Проходное сечение борова:

Выбираем боров с проходным сечением fБ=21 м2 (см. рис.4), [6,прил.6].

Размеры борова: В=3944 (мм) и Н=5681 (мм).

Реальная скорость дымовых газов:

Схема дымового тракта представлена в прил. 2.

Рис.4. Дымовой боров.

6.3 Аэродинамический расчёт дымового тракта.

Потери давления на трение па первом участке (при `t1=1000°C) :

где

Для кирпичных каналов l=0,05 Вт/(мЧК).

Плотность дымовых газов rПС,0=1,31 кг/м3 .

Средняя температура газов на втором участке:

Потери давления на трение па 2-ом участке (при `t2=875°C) :

где

Суммарные потери на трение:

Расчет потерь давления на местных сопротивлениях.

Участок 1: при значениях bў/ b=1,16 и h/ bў=3,31 по приложению 8 [6] принимаем коэффициент местного сопротивления x1=0,9, а при bў/ b=2,2 и h/ bў=1,47 - x2=0,75.

Потери давления находят по формуле:

Участок 2: при значении j=25° - угол открытия дросельного клапана в прямоугольном канале [6, прил.8] принимаем коэффициент местного сопротивления x4=2, а при L/H=0,75 (задвижка – шибер в прямоугольном сечении) - x5=0,6 и принимаем что x3=1,4.Так как труба круглая h/ bў=1 и bў/ b=1,3 следовательно коэффициент местного сопротивления x6=1.

Тогда потери давления находят по формуле:

Суммарные потери на местных сопротивлениях :

Изменение геометрического напора, зависящее от вертикальных участков борова, рассчитывается по формуле:

где H – высота опускания продуктов в дымовом тракте,(5,5 м).

Расчет аэродинамического сопротивления рекуператора см. пункт 4.6.

Для дымового тракта разряжение, создаваемое дымовой трубой (с 50% запасом):

Библиографический список.

1. Соломенцев. С.Л. Расчёт горения топлива. –Липецк: ЛПИ, 1980. – 38с.

2. Лукоянов Б. И. Учебное пособие для расчета металлургических печей. – Воронеж: ВПИ, 1976. - 110с.

3. Соломенцев. С.Л. Тепловой баланс печи. –Липецк: ЛПИ, 1981. – 26с.

4. Наумкин В. А. Выбор конструкции и расчет керамических рекуператоров. –Липецк: ЛПИ, 1983. – 32с.

5. Соломенцев. С.Л. Методические указания по курсовому проектированию металлургических печей. –Липецк: ЛПИ, 1981.

6. Наумкин В. А. Расчёт газового, воздушного и дымового трактов нагревательных печей. –Воронеж: ВПИ, 1989. –56с.

7. Кривандин В. А., Марков Б. Л. Металлургические печи. –М.: Маталлургия, 1997. –463с.

8. Щапов Г. А., Карамышева Е. П. Выбор устройств для сжигания топлива в печах. Горелки типа “труба в трубе”. –Липецк: ЛПИ, 1985.