Министерство образования и науки РФ
ГОУ ВПО Череповецкий Государственный Университет
Кафедра промышленной теплоэнергетики
Курсовой проект
по теме:
«Расчет двухзонной методической печи»
Выполнил студент
|
Группы 9ОМ-31
Данилов М.В.
|
Поверил: Синицын Н.Н.
|
Дата:
|
Отметка о зачете:
|
Череповец, 2007- 2008 учебный год.
Содержание
Задание
|
2
|
1 Расчет горения топлива
|
3
|
1.1 Пересчет состава топлива
|
3
|
1.2 Объем воздуха и продуктов полного сгорания
|
3
|
1.3 Низшая теплота сгорания
|
5
|
1.4 Температура горения топлива
|
6
|
2 Расчет теплообмена в рабочем пространстве печи
|
9
|
2.1 Режим нагрева заготовок
|
9
|
2.2 Расчет внешнего теплообмена в рабочем пространстве печи
|
9
|
2.3 Расчет нагрева металла
|
13
|
2.4 Расчет основных параметров
|
20
|
3 Тепловой баланс печи
|
21
|
4 Основные теплотехнические показатели рабочей печи
|
31
|
5 Аэродинамический расчет
|
33
|
5.1 Расчет дымового тракта
|
33
|
5.2 Расчет дымовой трубы
|
36
|
6 Расчет топливосжигающих устройств
|
38
|
Вывод
|
49
|
Литература
|
40
|
Техническое задание.
Выполнить проектный расчет методической печи, работающей по двухзонному температурному режиму.
Исходные данные:
1. Производительность печи P=177т/ч
2. Нагреваемый металл: Заготовки квадратного сечения размером 0.100м х 0.100м и длиной 10.5м.
3. Параметры нагрева металла: конечная температура поверхности металла tкон
пл
=1250о
С, переход температур по поверности сляба Δtкон
=30о
С
4. Топливо – природный газ. Состав топлива, в%:
СН4
|
С2
Н6
|
С3
Н8
|
С4
Н10
|
С5
Н12
|
N2
|
CO2
|
91,9
|
2,1
|
1,3
|
0,4
|
0,1
|
3
|
1.2
|
5. Температура подогрева воздуха
1 Расчет горения топлива
1.1
Пересчет состава топлива
Для газового топлива пересчет объемного состава газа с сухого на влажный проводится по формуле:
где dr
– влагосодержание газа, г/м3
, х – содержание компонента, %
1.2
Объем воздуха и продуктов полного сгорания.
Теоретический расход сухого кислорода:
Теоретический расход сухого окислителя:
где O2ок
– объемное содержание O2
в окислителе, %
Расход сухого окислителя при
Расход сухих трехатомных газов:
Теоретический выход азота:
где N2ок
– объемное содержание азота в окислителе, %
Теоретический выход водяных паров:
где dок
– влагосодержание окислителя, г/м3
Выход продуктов полного сгорания при
Объемный состав продуктов полного сгорания:
Плотность продуктов сгорания при нормальных условиях:
1.3
Низшая теплота сгорания
Для газообразного топлива определяется по формуле:
1.4 Температура горения топлива
Энтальпия продуктов сгорания:
где – химическая энтальпия продуктов сгорания:
где – недожог топлива, кДж/м3
(=0%)
– физическое тепло, вносимое воздухом и газом
Из приложения 4 при t=400 0
С изобарная теплоемкость воздуха:
Сp = 1,328 кДж/(м3
*К);
Тогда энтальпия воздуха:
Выбираем для расчета температуру продуктов сгорания 500о
По полученным значениям строим график зависимости энтальпии 1м3
продуктов сгорания от температуры (рис. 1)
Графически определяем, что iобщ
=3558 кДж/м3
соответствует расчетная температура tрасч.=2150 o
C
Действительная температура горения:
где – опытный пирометрический коэффициент ()
2. Расчет теплообмена в рабочем пространстве печи.
2.1 Режим нагрева заготовок.
Расчет нагрева заготовок проводится в предположении:
· симметричного температурного поля в заготовке в зонах с двухсторонним обогревом;
· постоянной температуры газов в сварочной зоне.
2.2 Расчет внешнего теплообмена в рабочем пространстве печи.
Ширина рабочего пространства:
где n – число рядов заготовок
– расстояние между рядами заготовок или между торцами заготовок и боковыми стенками печи, м.
l – длина заготовки, м.
Средняя высота рабочего пространства печи:
в сварочной зоне – hсв
= 2 м.
В методической зоне – hмет
= 1,5 м.
Площадь пода печи:
где Lсв
, Lмет.
– соответственно длины сварочной и методической зон., м.
Внутренняя поверхность стен и свода:
Суммарная поверхность кладки и металла, окружающих газовый объем:
Объем заполняемого газом рабочего пространства
Средняя эффективная длина луча:
Парциальное давление газов:
Степень черноты газов и в сварочной и методической зонах определяем по приложениям 5 и 6.
Температура газов в сварочной зоне:
Средняя температура газов в методической зоне:
температура уходящих газов
Степень черноты продуктов сгорания:
где - поправочный коэффициент, определяем по приложению 7.
Угловой коэффициент излучения кладки на металл
Общая степень черноты системы газ-кладка-металл:
в сварочной зоне:
в методической зоне:
Приведенный коэффициент излучения от газов и кладки металла:
2.3 Расчет нагрева металла
Среднемассовая конечная температура заготовки:
где – заданный конечный перепад температур в заготовке
Удельный тепловой поток к поверхности металла в конце нагрева
где – коэффициент теплопроводности металла при
Определяем из рис. 6:
2S – полная толщина металла, м.
Рис.2 Зависимость Рис.3 Зависимость
Расчетная температура газов в сварочной зоне:
Коэффициент использования химической энергии топлива (КИТ) в сварочной зоне:
где – количество тепла, уносимого уходящими газами из сварочной зоны.
где – энтальпия продуктов сгорания, соответствующая температуре.
– количество тепла излучаемого из сварочной зоны в методическую.
– удельный тепловой поток излучения (= 100 кВт/м2
)
– площадь поперечного сечения рабочего пространства на границе сварочной и методической зон.
– общая тепловая мощность печи
– удельный расход тепла (b = 2500 кДж/кг)
G – производительность печи, кг/ч
КИТ в печи:
– количество тепла уносимое уходящими газами из печи
– энтальпия продуктов сгорания, соответствующая
Изменение теплосодержания металла в печи:
Изменение теплосодержания металла вместе с образовавшейся окалиной:
– угар металла, % (=2%)
Сок
– теплоемкость окалины, Сок
= 1 кДж/(кг*К)
m = 1,38
Приращение теплосодержания металла в методической зоне:
Приращение теплосодержания в сварочной зоне:
Нагрев металла в методической зоне
Удельный тепловой поток в начале зоны:
Удельный тепловой поток в конце зоны:
– средняя температура металла в конце методической зоны, соответствующая:
Из рис.5: ТМ1
=400 К
Уравнение для решается методом последовательных приближений: полагаем
Температура поверхности металла в конце зоны:
Переход температур по сечению металла в конце зоны:
Температура оси металла в конце зоны:
Средний тепловой поток в методической зоне:
Время нагрева металла в методической зоне:
Участок сварочной зоны с монолитным подом. Время нагрева металла на этом участке:
– длина монолитного пода (= 5 м)
Критерий Фурье:
Теплоемкость металла:
Коэффициент теплопроводности:
Из рис.6 источника 1
Критерий Био:
Коэффициент теплоотдачи в конце нагрева:
Из приложения 9
Перепад температур в начале участка:
Удельный тепловой поток в начале участка:
Температура поверхности металла при переходе на монолитный под:
Среднемассовая температура металла:
Температура на оси заготовки:
Участок сварочной зоны с двухсторонним обогревом.
Средний тепловой поток на участке:
, соответствующие tМ2
определяем по рис.5
Приращение теплосодержания:
Время нагрева на участке:
Общее время нагрева:
Удельная продолжительность нагрева:
2.4 Расчет основных размеров.
Емкость печи:
Длина активного пода:
Длина методической зоны:
Длина сварочной зоны с монолитным подом:
Длина сварочной зоны с двухсторонним обогревом:
Площадь активного пода:
Площадь полезного пода:
Напряженность активного пода:
Расстояние между опорными трубами составляет 1000 мм. Смотровые и рабочие окна располагаются симметрично с обеих сторон печи.
В сварочной зоне на участке с двухсторонним обогревом располагается 28 смотровых окон;
а на участке с монолитным подом – 14 рабочих окон. Количество окон выбирается в зависимости от расстояния между осями окон, которое принимается для рабочих окон 1250 мм, для смотровых окон – 1700 мм.
Общая площадь окон в сварочной зоне:
в методической зоне располагается 2 смотровых окна. Расстояние между осями 1,8 м.
Общая площадь окон в методической зоне:
Размеры торцевых окон посада и выдачи:
– высота окна, м
3. Тепловой баланс печи:
Приход тепла:
1. Тепло горения топлива:
где В – расход топлива, кг/с
2. Тепло, внесенное подогретым воздухом и топливом (газом):
3. Тепло, выделившееся при окислении железа:
Расход тепла.
1. Полезное тепло на нагрев металла:
2. Потери тепла с уходящими газами:
3. Потери тепла теплопроводностью:
где – средняя температура внутренней поверхности кладки, о
С
– температура окружающего воздуха, о
С
и – соответственно толщина огнеупорной кладки и изоляции, м.
и – соответственно коэффициенты теплопроводности огнеупорной кладки и изоляции, Вт/м*К
– коэффициенты конвективной теплоотдачи от стенок и окружающего воздуха. ()
– площадь поверхности кладки, м2
.
Потери тепла теплопроводностью определяются как сумма потерь свода и стен сварочной и методической зон:
Средняя температура внутренней поверхности кладки tкл
определяется следующим образом:
Безразмерные температуры:
Методическая зона:
Средняя температура поверхности металла6
Средняя температура газов в методической зоне:
Безразмерные температуры:
Тепловые потери через свод в сварочной зоне.
Температура на границе слоев огнеупора и изоляции.
Средняя температура слоя огнеупора:
Средняя температура слоя изоляции:
Коэффициенты теплопроводности динаса:
Коэффициенты теплопроводности изоляции:
Потери тепла теплопроводностью
где
Температура на границе слоев огнеупора изоляции:
Правильность принятых средних температур слоев:
Расхождение между принятым значением средних температур и подсчитанным по
формулам допустимо.
Тепловые потери через стены сварочной зоны:
где
Температура по границе слоев огнеупора и изоляции:
Проверка правильности принятых средних температур слоев:
Расхождение между принятым значением средних температур и подсчитанным по формулам допустимо.
4.Потери тепла через окна печи:
Потери тепла через закрытые окна печи:
в сварочной зоне:
где n – число окон;
– площадь окна, м2
;
S – толщина стенки в 1 кирпич, м (S=0,203м)
– коэффициент теплопроводности материала окна при
в методической зоне:
Потери тепла излучением через открытые окна:
в сварочной зоне:
где – коэффициент диафрагмирования (=0,7)
Окончательно имеем:
5.Потери тепла с окалиной:
6.Потери тепла с охлаждающей водой:
7.Неучтенные потери:
Приравняв приходные и расходные статьи теплового баланса, определяем секундный расход топлива В, кг/с:
Приходные и расходные статьи теплового баланса сводятся в таблицу 2:
Табл.2 Тепловой баланс печи.
Статья
|
Приход тепла
|
Статья
|
Расход тепла
|
кВт
|
%
|
кВт
|
%
|
1. Тепло горения топлива
|
|
80,9
|
1. Полезное тепло на нагрев металла
|
|
45,22
|
2. Тепло, внесенное подогретым воздухом и топливом (газом)
|
|
12,7
|
2. Потери тепла с уходящими газами.
|
|
32,08
|
3. Тепло, выделившееся при окислении железа.
|
|
6,4
|
3. Потери тепла теплопроводностью через кладку.
|
|
0,28
|
Итого:
|
88367,29
|
100
|
4. Потери тепла через окна печи.
|
|
2,07
|
5. Потери тепла с окалиной.
|
|
1,88
|
6. Потери тепла с охлаждающей водой.
|
|
9,38
|
7. Неучтенные потери.
|
|
9,09
|
Итого:
|
88433,425
|
100
|
4.Основные теплотехнические показатели работы печи.
Коэффициент использования химической энергии топлива , показывающий, какая доля химической энергии топлива остается в рабочем пространстве печи:
Общая тепловая мощность Мобщ
печи:
Общая тепловая мощность складывается из полезной мощности Мпол
и мощности холостого хода Мхх
:
– количество тепла, выделенного при сжигании топлива, усвоенное металлом в печи, кВт.
– тепло, усвоенное металлом от окисления железа, кВт
Мощность холостого хода:
Удельный расход тепла:
Удельный расход условного топлива:
Коэффициент полезного действия печи:
5.Аэродинамический расчет.
5.1 Расчет дымового тракта.
При расчете дымового тракта потери давления на преодоление сопротивления трения газов о стенки рабочего пространства печи не учитываются.
1. Потери давления в вертикальных каналах.
Приведенная скорость дымовых газов при выходе из печи:
где m – коэффициент, учитывающий потери дыма на выбивании.
Приведенная скорость в вертикальных каналах принимается:
Сечение одного канала:
n – количество каналов
где = 1,8м
= 1,8м
Эквивалентный диаметр канала:
Высота канала:
Потери на трение в вертикальном канале:
где – коэффициент трения
– коэффициент объемного расширения газа,
Местные потери давления при входе газового потока в вертикальные каналы:
где – коэффициент местного сопротивления. Из приложения 11: =0,47
Потери на преодоление геометрического напора:
2. Потери давления в борове.
Приведенная скорость дымовых газов:
Сечение борова:
выбирая ширину борова больше ширины вертикальных каналов ,
определяем второй размер:
Эквивалентный диаметр борова:
Принимаем длину борова от вертикальных каналов до трубы 20 м, в том числе до рекуператора 10 м,
Температура перед рекуператором:
Средняя температура на участке:
Температура перед трубой:
Средняя температура на участке:
потери давления на преодоление трения:
Местные потери давления при двух поворотах на на пути от вертикальных каналов до рекуператора:
, где - коэффициент местного сопротивления
Потери давления в рекуператоре:
Местные потери давления при повороте на на входе в дымовую трубу:
Общие потери при движении продуктов горения из рабочего пространства печи к основанию дымовой трубы:
5.2 Расчет дымовой трубы
.
Действительное разряжение, создаваемое трубой:
По приложению 12 определяем высоту трубы: Н=35м
Температура в устье трубы:
Средняя температура газов в трубе:
Приведенную скорость газов в устье дымовой трубы принимаем:
Диаметр в устье:
Диаметр трубы у основания:
Средний диаметр трубы:
Приведенная скорость дымовых газов у основания трубы:
Высота дымовой трубы:
.
– барометрическое давление, минимальное для данной местности, кПа (99 кПа)
– нормальное атмосферное давление (101,32 кПа);
6.Расчет топливосжигающих устройств.
Расстояние между осями топливосжигающих устройств принимается 1 м.
Производительность одной горелки:
где n – количество горелок;
Расчет диффузионных горелок низкого давления.
Принимаем скорости выхода из горелок (приведенные к нормальным условиям): газа воздуха
Площадь сечения для прохода газа:
Диаметр газового сопла:
Площадь сечения для прохода воздуха:
Диаметр воздушного сопла:
Избыточное давление газа перед горелкой:
Избыточное давление воздуха перед горелкой:
,где- коэффициент сопротивления форсунки
Длина факела:
где К – коэффициент (для природного газа К=1,5);
7. Вывод:
В данном курсовом проекте был произведен расчет методической печи, работающей по двудонному температурному режиму, производительностью 177т/ч. В ходе его был рассчитан процесс горения топлива, гидродинамики, теплоотдачи, нагрева металла и дымовой тракт. В результате получил следующие основные параметры методической печи:
длина активного пода:
длина методической зоны:
длина сварочной зоны:
высота методической зоны:
высота сварочной зоны:
ширина печи:
высота дымовой трубы:
расход газа:
емкость печи: Е =155017
кг.
время нагрева металла в печи:
КПД печи:
Литература.
1. Кривандин В.А., Неведомская И.Н. и др. Металлургическая теплотехника. Конструкция и работа печей. 1,2 тома. Москва, Металлургия, 1986
2. расчет методических печей. Методические указания по курсовому проектированию. – Череповец: ЧГИИ: 1995, -56 с.
|