Расчёт параметров внешнего теплообмена

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

 

Тип и назначение печи                                 камерная садочная

Материал нагреваемых заготовок               Сталь 08

Габариты заготовок                                      цилиндр d = 760 мм, l = 1620 мм

Количество заготовок                                   2

Режим нагрева металла                                нормализация

Топливо                                                               смесь природного и доменного газов

Теплотворность топлива                              Q= 23000кДж/м³

Влажность топлива                                       W= 25 г/ м³

Температура подогрева воздуха                  t_{воздуха}= 290˚С

 

Выполнить аэродинамический расчёт воздушного тракта.

РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

По заданию печь отапливается смесью природного и доменного газов, поэтому расчеты ведутся на 1 м³ топлива. Составы используемых газов приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Состав природного и доменного газов (в процентах)

Газ	СО2	СО	N2	H2	CH4	C2H4	O2	H2S	H2O	Влажность,г/м3
Природный	0,3	0,6	3,0	2,0	93,0	0,4	0,5	0,2	-	25
Коксовый	2,8	5,4	11,4	50,8	26,5	1,7	1,0	-	0.4	25

 

Все расчеты проводят по рабочей массе топлива. Чтобы перейти к рабочим значениям, значения табличные необходимо умножить на коэффициент k, учитывающий содержание влаги W в топливе в реальных условиях.

 

.

где Н₂О – заданное содержание влаги в топливе, %; (Н₂О)_Т – содержание влаги в топливе по справочным данным, %; W – содержание водяных паров в топливе, г/м³.

Рабочий состав топлива определяем по формуле:

,

где Г^р – содержание газа в рабочей массе, %; Г^с – содержание газа в сухой массе, %. Данные расчета приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Рабочий состав природного и доменного газов (в процентах)

Газ	СО2	СО	N2	H2	CH4	C2H4	O2	H2S	Н2О	всего
Природный	0,29	0,58	2,91	1,94	91,21	0,39	0,49	0,19	3,02	100
Коксовый	2,71	5,24	11,06	49,28	25,71	1,65	0,97	-	3,02	100

 

Теперь определим низшую теплоту сгорания природного газа  и доменного газа :

 МДж/м³

 МДж/м³

 

Из задания известно, что теплота сгорания смеси эти газов      Q  кДж/м³.

где х – объемная доля природного газа в смеси, %; отсюда находим

таким образом объемная доля природного газа x =0.4, а коксового 1- x =0.6.

Состав смеси газового топлива рассчитывается по формуле:

.

Результаты:

Таблица 1.3

СО2	СО	N2	H2	CH4	C2H4	O2	H2S	Н2О	всего
2,01	3,89	8,70	35,55	44,71	1,29	0,83	0,06	3,02	100

 

Теоретически необходимый объем воздуха рассчитаем по формуле:

 м³

где d _в – влагосодержание сухого воздуха, которое принимаем равным 10 г/м³.

Действительный объем воздуха считаем по формуле:

,

где  – коэффициент избытка воздуха, принимаем ; получаем:

 м³

Рассчитаем количество продуктов сгорания:

 м³

 м³

 м³

 м³

 м³

Общее количество продуктов сгорания:

 м³

Рассчитаем процентный состав продуктов сгорания. Общая формула:

.

Результаты приведены в таблице 1.4:

Таблица 1.4

Процентный состав продуктов горения рабочей смеси газов

СО2	Н2О	N2	O2	SO2	всего
7,78	20,26	70,34	1,62	0,01	100

 

Вычисляем плотность продуктов горения:

 кг/м³.

 

Итог:

• состав смеси топлива (см. таблицу 1.3);
• теоретический объем воздуха L ₀ =5,41 м³;
• действительный объем воздуха L _Д = 5,95 м³;
• состав продуктов горения (см. таблицу 1.4);
• плотность продуктов сгорания =0,22 кг/м³.

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА

Расход топлива и коэффициент полезного действия – важнейшие характеристики работы печи. Расход топлива проектируемых печей находят расчетным путем, используя тепловой баланс. Тепловой баланс печи состоит из равных между собой приходных и расходных статей. Для камерных печей периодического действия тепловой баланс рассчитывают на один цикл работы (загрузка, нагрев, и выгрузка заготовок).

 

ПРИХОДНЫЕ СТАТЬИ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА

Приходные статьи теплового баланса рассчитываем в предположении, что топливо не подогревается, а воздух нагревается в рекуператоре до 290˚С. Поскольку топливо не подогревается, его физическую теплоту можно не учитывать.

Теплота, выделяющаяся при сжигании топлива

143200*B кДж

где В – расход топлива, м³/ч.

Определяем физическую теплоту, вносимую подогретым воздухом при t _в = 290˚С

где L _Д – действительный объем воздуха, м³; С_в – теплоемкость воздуха при данной температуре, Дж/(кг·˚С).

Определяем количество теплоты, выделившейся при окислении железа. Эту составляющую необходимо учитывать при t _п > 700˚С. По рис.3.1 определили, что t _ок = t _п = 700˚С через 1,34 ч нагрева. Значит, металл находится при t _п > 700˚С τ_ок = 5.48 ч, где τ_ок – время окалинообразования. Средняя температура поверхности садки за это время

Количество железа, окислившегося на одном квадратном метре садки

.

Теплота, выделившаяся при окислении железа

 

РАСХОДНЫЕ СТАТЬИ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА

Теплота, расходуемая на нагрев металла

Выберем двухслойную футеровку печи: первый слой (внутренний) – огнеупорный, выполнен из шамота ρ = 1900кг/м³ толщиной S ₁ = 230мм, а второй слой (наружный) – теплоизоляционный, из легковесного шамота ρ = 1000кг/м³ толщиной S ₁ = 115мм.

Средняя температура внутренней поверхности кладки за цикл нагрева (см. таблицу3.1)

Примем в первом приближении, что средняя температура по сечению внутреннего слоя

Средняя температура по сечению наружного слоя

При таких значениях средних температур коэффициент теплопроводности шамота равен

Коэффициент теплопроводности теплоизоляционного слоя

Считая коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности кладки к воздуху a = 20 Вт/м²·град, определим тепловой поток через кладку

Проверим правильность принятых средних температур слоев кладки

Поскольку проверка показывает большие расхождения с принятыми температурами, произведем перерасчет:

       Дальнейшее уточнение не требуются, так как принятые и рассчитанные значения средних температур отличаются друг от друга менее чем на 10%.

Рассчитаем температуру на внешней поверхности кладки

Распределение температур по сечению кладки показано на рис.4.1.

Рис.4.1. Распределение температур по сечению кладки печи

Общие потери теплоты теплопроводностью за весь цикл нагрева

Теплоту, аккумулированную кладкой, рассчитываем для первого периода нагрева, когда температура внутренней поверхности кладки нарастает. Допускаем, что теплота аккумулируется только внутренним слоем кладки.

Теплоемкость шамота при средней его температуре 773 ˚С

С=0.908+0.000315*773=1,152  

Теплота, аккумулированная кладкой

,

где t _клн, t _клк – начальная и конечная температуры внутренней поверхности кладки в первый период нагрева, ˚С; τ₁ – продолжительность первого периода нагрева, с; ρ – плотность внутреннего слоя кладки, кг/м³.

Рассчитаем потери теплоты излучением через рабочие окна – потери, происходящие при загрузке и выгрузке слитков печи.

Примем следующие размеры окна: ширина b = 2,5м, средняя высота d = 1,87м, толщина стенки окна l = 0,35м.

При таких размерах окна коэффициент f равен

Коэффициент диафрагмирования

Время загрузки τ_з печи и время её разгрузки τ_р принимаем равными 0,5 ч.

Теплота, теряемая излучением при посадке (t _г0 = 953˚С)

Теплота, теряемая излучением при выдаче (t _г3 = 905 ˚С)

Средняя температура уходящих газов за цикл нагрева

При этой температуре теплоемкость продуктов сгорания

тогда

Рассчитаем потери теплоты на нагрев технологических приспособлений. Пусть два слитка уложены на четыре подставки из стали 20 массой 1000 кг каждая. Допускаем, что начальная температура подставок равна температуре внутренней поверхности кладки, то есть t _пн = t _кл0 = 908˚С. Конечная температура подставок и поверхности садки одинакова t _пк = t _п3 = 1000˚С.

Тогда теплота, затраченная на нагрев подставок

где G _п – масса приспособлений, кг; i _пн, i _пк – теплосодержание материала приспособлений в начале и конце цикла нагрева, кДж/кг.

Неучтенные потери теплоты

 

РАСЧЕТ РЕКУПИРАТОРА

Дымовые газы, покидающие рабочее пространство печи, имеют высокую температуру, а следовательно, содержат значительное количество теплоты. Поэтому целесообразно обеспечить утилизацию теплоты отходящих дымовых газов с возвратом части её обратно в печь. Для этого необходимо теплоту уходящих дымовых газов передать поступающему в печь воздуху. Для решения этой задачи используют теплообменники рекуперативного типа, применение которых позволяет экономить топливо.

Рекуператор представляет собой теплообменный аппарат, работающий в условиях, близких к стационарному тепловому состоянию, при котором происходит передача теплоты от остывающих дымовых газов к нагревающемуся воздуху через разделительную стенку.

Проектирование рекуператоров предполагает расчет значений площади поверхности нагрева и некоторых других параметров, характеризующих его конструкцию.

Выберем для проектируемой печи имеющий широкое применение петлевой рекуператор. Исходные данные для его расчета:

• В = 80,5 м³/ч – средний расход топлива;
• L _Д = 5,95 м³/м³ – расход воздуха;
• V _Д = 6,81 м³ – количество продуктов сгорания;
• t _в = 270˚С – температура подогрева воздуха;
• t _ух = 1037 ˚С – средняя температура уходящих из печи дымовых газов за цикл нагрева;
• СО₂ = 7,78 %; H ₂ O = 20,26 % - содержание лучепрозрачных газов в продуктах сгорания топлива;

Для изготовления рекуператора выберем трубы диаметром

d _н = 30 мм – наружный диаметр трубы;

d _вн = 24,7 мм – внутренний диаметр трубы.

Примем коридорное расположение труб в рекуператоре с шагом

, .

Рис. 5.1. Схема расположения и основные геометрические характеристики коридорного пучка труб в рекуператоре.

 

Расчет начинаем с определения расхода воздуха и дыма, проходящих через рекуператор. Найдем расход воздуха  В  м³/ч

где n – коэффициент подсоса воздуха, который для трубчатых металлических рекуператоров равен нулю.

Расход дымовых газов с учётом потерь дыма на выбивание через дымовой шибер, а также подсоса воздуха

 м³/ч

где m – коэффициент, учитывающий потери дыма в печи и боровах до рекуператора; ρ – коэффициент подсоса воздуха.

Рассчитаем теплосодержание дыма

=15,37 кДж

где  – теплосодержание соответствующих газов, взятых при t _ух = 1037 ˚С [1, с.25].

Теплосодержание дыма перед рекуператором с учетом подсоса воздуха

Теплосодержанию дыма  соответствует температура (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Зависимость теплосодержания дымовых газов от их температуры

Принимая коэффициент потерь в рекуператоре ξ = 0,82, определим теплосодержание дыма за рекуператором

(270-20)= 882,3

Этому теплосодержанию соответствует температура дыма за рекуператором  (рис. 5.2).Среднелогарифмический температурный напор

Средняя температура дыма в рекуператоре

Приняв скорость дыма в рекуператоре W_Д = 4 м/с, вычислим коэффициент теплоотдачи конвекцией на дымовой стороне

Общий коэффициент теплоотдачи с учетом излучения на дымовой стороне

Средняя температура воздуха в рекуператоре

.

Принимаем скорость движения воздуха в рекуператоре W_В = 6 м/с. Определим коэффициент теплоотдачи конвекцией на воздушной стороне рекуператора

Предполагая, что тепловое сопротивление s/λ = 0, найдем коэффициент теплоотдачи =

где s – толщина стенки, м; λ – коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/м·град.

Площадь поверхности рекуператора

Произведем компоновку рекуператора. Чисто U-образных элементов

Средняя поверхность нагрева одного трубного элемента

Средняя длина одного трубного элемента

Число труб в ряду, перпендикулярном движению дыма:

= .

Число труб по ходу дыма: 6.  

 

 

Рис 5.3. Схема металлического петлевого рекуператора

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В ходе выполнения курсового проекта была спроектирована печь и произведен её тепловой расчет, а также расчёт горения топлива, рассчитаны параметры внешнего теплообмена и режим нагрева металла, произведен расчет рекуператора и аэродинамический расчёт воздушного тракта.

Данная печь предназначена для нагрева слитков под нормализацию. Используемое топливо: смесь природного (53,3%) и доменного (46,7%) газов. Нагрев слитков до температуры 900 ºС происходит за два этапа: нагрев (3,2 ч) и выдержка (3,7 ч), необходимая для выравнивания температуры по сечению слитка. Петлевой рекуператор рассчитан по коридорной схеме и позволяет экономить топливо, осуществляя передачу теплоты дымовых газов обратно в печь.

Список использованной литературы:

1. Казанцев Е.И., Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования. 2-е изд, М., «Металлургия», 1975, 368с.

2. Становой В.И., Буйлов А.А., Расчеты горения топлива, параметров внешнего теплообмена и режимов нагрева металла в печах периодического действия: методические указания, Л., ЛГТУ, 1991, 46с.

3. Становой В.И., Буйлов А.А., Расчеты теплового баланса и рекуператора, Аэродинамические расчеты камерных садочных печей: методические указания, Л., ЛГТУ, 1991, 40с.

4. Тайц Н.Ю., Расчеты нагревательных печей, 2-е издание, исправленное и дополненное, Издательство “ТЕХНIКА”, Киев, 1969, 549с.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

 

Тип и назначение печи                                 камерная садочная

Материал нагреваемых заготовок               Сталь 08

Габариты заготовок                                      цилиндр d = 760 мм, l = 1620 мм

Количество заготовок                                   2

Режим нагрева металла                                нормализация

Топливо                                                               смесь природного и доменного газов

Теплотворность топлива                              Q= 23000кДж/м³

Влажность топлива                                       W= 25 г/ м³

Температура подогрева воздуха                  t_{воздуха}= 290˚С

 

Выполнить аэродинамический расчёт воздушного тракта.

РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

По заданию печь отапливается смесью природного и доменного газов, поэтому расчеты ведутся на 1 м³ топлива. Составы используемых газов приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Состав природного и доменного газов (в процентах)

Газ	СО2	СО	N2	H2	CH4	C2H4	O2	H2S	H2O	Влажность,г/м3
Природный	0,3	0,6	3,0	2,0	93,0	0,4	0,5	0,2	-	25
Коксовый	2,8	5,4	11,4	50,8	26,5	1,7	1,0	-	0.4	25

 

Все расчеты проводят по рабочей массе топлива. Чтобы перейти к рабочим значениям, значения табличные необходимо умножить на коэффициент k, учитывающий содержание влаги W в топливе в реальных условиях.

 

.

где Н₂О – заданное содержание влаги в топливе, %; (Н₂О)_Т – содержание влаги в топливе по справочным данным, %; W – содержание водяных паров в топливе, г/м³.

Рабочий состав топлива определяем по формуле:

,

где Г^р – содержание газа в рабочей массе, %; Г^с – содержание газа в сухой массе, %. Данные расчета приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Рабочий состав природного и доменного газов (в процентах)

Газ	СО2	СО	N2	H2	CH4	C2H4	O2	H2S	Н2О	всего
Природный	0,29	0,58	2,91	1,94	91,21	0,39	0,49	0,19	3,02	100
Коксовый	2,71	5,24	11,06	49,28	25,71	1,65	0,97	-	3,02	100

 

Теперь определим низшую теплоту сгорания природного газа  и доменного газа :

 МДж/м³

 МДж/м³

 

Из задания известно, что теплота сгорания смеси эти газов      Q  кДж/м³.

где х – объемная доля природного газа в смеси, %; отсюда находим

таким образом объемная доля природного газа x =0.4, а коксового 1- x =0.6.

Состав смеси газового топлива рассчитывается по формуле:

.

Результаты:

Таблица 1.3

СО2	СО	N2	H2	CH4	C2H4	O2	H2S	Н2О	всего
2,01	3,89	8,70	35,55	44,71	1,29	0,83	0,06	3,02	100

 

Теоретически необходимый объем воздуха рассчитаем по формуле:

 м³

где d _в – влагосодержание сухого воздуха, которое принимаем равным 10 г/м³.

Действительный объем воздуха считаем по формуле:

,

где  – коэффициент избытка воздуха, принимаем ; получаем:

 м³

Рассчитаем количество продуктов сгорания:

 м³

 м³

 м³

 м³

 м³

Общее количество продуктов сгорания:

 м³

Рассчитаем процентный состав продуктов сгорания. Общая формула:

.

Результаты приведены в таблице 1.4:

Таблица 1.4

Процентный состав продуктов горения рабочей смеси газов

СО2	Н2О	N2	O2	SO2	всего
7,78	20,26	70,34	1,62	0,01	100

 

Вычисляем плотность продуктов горения:

 кг/м³.

 

Итог:

• состав смеси топлива (см. таблицу 1.3);
• теоретический объем воздуха L ₀ =5,41 м³;
• действительный объем воздуха L _Д = 5,95 м³;
• состав продуктов горения (см. таблицу 1.4);
• плотность продуктов сгорания =0,22 кг/м³.

РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ ВНЕШНЕГО ТЕПЛООБМЕНА

Садка состоит из двух слитков D =810мм, l =1520мм.

 

 

 

 

Рис.2.1. Схема размещения слитков в рабочем пространстве печи

 

Длина рабочего пространства  мм. Ширина рабочего пространства печи  мм. В камерных печах рабочее пространство перекрывают арочным сводом с центральным углом . Это значит, что R = B, а высота боковой стенки

 мм

Т.к. R = B, то H = R = B. Таким образом средняя высота печи

 мм

Определим геометрические параметры излучения. Поверхность кладки

м²

Определяем излучающую поверхность металла

где n – число слитков.

 м²

Общий объем рабочего пространства

 м³

Объем металла

 м³

Определим эффективную длину луча

 м

Угловые коэффициенты

Вычислим приведенный коэффициент С_пм при степени черноты окисленной стали, равной ε_м = 0,8

 

Так как в продуктах сгорания содержится 7,78 % СО₂ и 20,26 % H ₂ O, парциальное давление углекислого газа и паров воды равняется

 МПа,

 МПа.

Определим степень черноты газов для ряда температур от 650˚С до 1500˚С с шагом 50˚. Для этого используем ниже приведенные формулы (плюс пример расчета при t₁=900˚С).

Коэффициент ослабления:

Степень черноты газов:

Приведенный коэффициент излучения в системе газ-металл:

 Вт/м²К⁴

Приведенный коэффициент в системе кладка-металл:

   Вт/м²К⁴

Результаты расчета сводим в таблицу 2.1.

Таблица 2.1

Результаты расчета параметров внешнего теплообмена

t, ˚С	K	e	Cгм	Cкм	Cпм
			Вт/(м2К4)
850	1,58	0,23	2,52	5,38	3,63
950	1,48	0,22	2,45	5,39
1050	1,37	0,20	2,23	5,41