Особенности расчета нагрева металла

 

При расчете нагрева металла в секционной печи каждая секция является расчетным участком. Температуру продуктов сгорания и кладки в секции считают постоянной. Расстояние от нагреваемого металла до кладки в секционных печах невелико, поэтому при расчете газовый слой в секциях считают лучепрозрачным. Нагрев рассчитывают только излучением кладки. В результате вращения заготовок во время транспортировки обеспечивается их всесторонний нагрев. При всестороннем нагреве и небольшой толщине нагреваемых заготовок они являются теплотехнически тонкими телами.

 

 

Таким образом, расчетная схема нагрева заготовок в секционной печи - всесторонний нагрев тонкого тела при постоянной температуре окружающей среды. Особенностью нагрева металла в секционных печах является то, что между секциями он попадает в неотапливаемые тамбуры. Тепло попадает в тамбур с горячим металлом, а также излучением из секции, а теряется через ролик и стенки тамбура. В зависимости от соотношения поступающего и теряемого тепла заготовка в тамбуре может нагреваться или остывать.

секционная печь тепловой баланс

Расчёты

 

Расчёт теплообмена в рабочем пространстве печи

 

Площадь наружной поверхности трубы (на 1 метр длины):

 

 

Площадь внутренней поверхности кладки секции (на 1 метр длины):

 

 

Угловой коэффициент излучения кладки на трубу:

 

 

Приведённый коэффициент излучения:

 

Вт/ (м²*К⁴)

 

где C_s=5,77 Вт/ (м²*К⁴) - приведённый коэффициент излучения а. ч. т.; ε_м= ε_кл=0,8 - степени черноты металла и кладки соответственно.

Приведённый коэффициент излучения с учётом конвекции:

 

Расчёт нагрева труб в секции

 

Средняя температура трубы

 

 

Теплопроводность металла при средней температуре нагрева равна: λ_м=45Вт/ (м*К). Средняя теплоёмкость металла в интервале температур нагрева: C_ср=0.561кДж/ (кг*К). Число Старка:

 

 

Расчёт коэффициента теплоотдачи излучением:

 

 

Средний коэффициент теплоотдачи излучением:

 

 

Коэффициент теплоотдачи излучением и конвекцией

Коэффициент теплоотдачи конвекцией принимаем равным 10 % от коэффициента теплоотдачей излучением

 

 

Число Био

 

 

При нагреве тел одновременно конвекцией и излучением область тонких тел определяется выражением:

 

, следовательно, нагреваемое тело является тонким в тепловом отношении.

 

Коэффициент заполнения печи:

 

 

Масса одного метра трубы:

 

 

Продолжительность нагрева трубы в секции:

 

Расчёт горения топлива

 

Состав исходного топлива (сухого газа):

Природный газ %

Компонент	СН4	C2H6	C3H8	C4H10	СО2	N2	Всего
%	83.5	4.3	0.8	1.6	0,2	9,6	100

 

Температура подогрева воздуха, ^оC: 389

Коэффициент расхода воздуха n=1,12

Принимаем влажность исходного топлива W=10 г/м³.

 

X =X ,

X X =0,987 X

 

Состав влажного топлива:

Компонент	СН4	C2H6	C3H8	C4H10	СО2	N2	H2O	Всего
%	82.41	4.24	0.79	1.58	0,2	9,48	1.3	100

 

Расход кислорода на горение при коэффициенте расхода воздуха n=1

 

0.01*

(2*82.41+3.5*4.24+5*0.79+6.5*1.58) =1.94 м³/м³

 

Расход сухого воздуха:

 

 

Объёмы компонентов продуктов сгорания:

 

=0.01*

(0.2+82.41+2*4.24+3*0.79+4*1.58) =1м³/м³

=0.01* (1.3+0.5*

(4*82.41+6*4.24+8*0.79+10*1.58)) =1.9м³/м³

=0.01*9.48+1.12*3.762*1.94=8.27м³/м³

= (1.12-1) *1.94=0.233м³/м³

 

Объём продуктов сгорания:

 

=1+1.9+8.27+0.233=11.4м³/м³

 

Процентный состав продуктов сгорания:

 

 

Низшая теплота сгорания топлива:

=127,7∙CO+108∙H₂+358∙CH₄+590∙C₂H₄+555∙C₂H₂+636∙C₂H₆+913∙C₃H₈+1185∙C₄H₁₀+1465∙C₅H₁₂+234∙H₂S=358*82.41+636*4.24+913*0.79+1185*1.58=34629,34 кДж/м³=34,79МДж/м³

 

Калориметрическую температуру сгорания топлива определяем методом последовательного приближения. Теоретически необходимое количество воздуха для горения газообразного топлива:

 

 

Действительное количество воздуха на горение топлива:

 

 

Определяем физическое тепло, вносимое воздухом:

 

 

Калориметрическая энтальпия продуктов сгорания i_k равна:

 

 

Калориметрическая температура горения:

 

 

Зададим температуру t_k^’=1800°Cи при этой температуре находим энтальпию продуктов сгорания:

 

= (5186,81*1+4121,79*1,9+3131,96*8,27+3314,85*0,233) /11,4=3481,74 кДж/м³

 

Поскольку i₂₁₀₀>i₀, то принимаем температуру t_k^’’=2000°Cи снова находим энтальпию продуктов сгорания

 

= (4910,51*1+3889,72*1,9+2970,25*8,27+3142,76*0,233) /11,4=3298 кДж/м³

 

Теперь определяем калориметрическую температуру горения:

 

 

Действительная температура продуктов сгорания:

 

Материальный баланс

Поступило		Мол. масса		м3				Кг
CH4	=	16	x	82.41	/	22.4	=	58.86
C2H6	=	30	x	4.24	/	22.4	=	5.68
C3H8	=	44	x	0.79	/	22.4	=	1.55
C4H10	=	58	x	1.58	/	22.4	=	4.09
C5H12	=	72	x	0	/	22.4	=	0
CO2	=	44	x	0.2	/	22.4	=	0.39
N2	=	28	x	9.48	/	22.4	=	11.85
H2O	=	18	x	1.3	/	22.4	=	1.04
Всего				100				83,46
Воздух
O2	=	32	x	194	/	22.4	=	277,14
N2	=	28	x	827	/	22.4	=	1033,75
Всего				1021				1310,89
Итого				1121				1394,35
Продукты сгорания
CO2	=	44	x	100	/	22.4	=	196,43
H2O	=	18	x	190	/	22.4	=	152,68
O2	=	32	x	23.3	/	22.4	=	33,29
N2	=	28	x	827	/	22.4	=	1033,75
Всего				1121				1394,35
Невязка				0				0

Тепловой баланс печи

 

Приход тепла

) Тепло, образующееся при сжигании топлива.

_хим=B∙Q^р_н=34,79 ∙В МВт

 

2) Физическое тепло, вносимое подогретым воздухом:

 

, где

 

V_{в -} расход воздуха на 1 м³ топлива i_в=504,75 кДж/м³ - энтальпия воздуха при температуре 380 ^оC.

Так как у нас топливо не подогрето, то Q_т=0.

Расход тепла

1) Расход тепла на нагрев труб

 

С_мнач=0.476 кДж/ (кг*К) С_мкон=0.691 кДж/ (кг*К) C_ср=0.584

2) Потери тепла с уходящими продуктами сгорания

Определим температуру газов в зоне теплообмена:

 

 

При t=930⁰С

 

 

3) Потери тепла теплопроводностью через кладку T_кл=1100°С

Удельный тепловой поток через кладку:

 

λ^’=0.25 Вт/ (м*К); α^’=7+0.05*t_нач=21.65 Вт/ (м²*К)

 

Поверхность кладки:

 

Потери тепла через кладку

 

 

4) Потери тепла излучением в соседние тамбуры

5)     

 

Площадь полностью открытого проёма:

 

 

Площадь проёма, перекрытого трубой:

 

 

Коэффициент диафрагмирования для проёма

Для полностью открытого:

 

Следовательно, Ф₁=0.58

 

Для перекрытого трубой:

 

 Следовательно, Ф₂=0.56

 

Угловой коэффициент излучения для проёма

Полностью открытого

 

 

Следовательно, В₁=1

 

 

Для перекрытого трубой:

 

Следовательно, В₂=1,2

 

6) Неучтённые потери

 

 

Уравнение теплового баланса 1 секции

 

34790B+5219.09B=206.67+16018.7B+9.39+0.25+21.63