Министерство образования РФ

Магнитогорский Государственный Технический Университет

имени Г.И.Носова

Кафедра специальных дисциплин

Теплотехнический расчет

четырехзонной методической печи

Методические указания для выполнения курсового и дипломного проекта для студентов специальностей

150105, 150106 очно – заочной формы обучения

Магнитогорск 2005 г.

Составители: И.В. Поперёков

Теплотехнический расчет четырехзонной методической печи: Методические указания по выполнению курсового и дипломного проектов по дисциплине « Теплотехника» для студентов 150105, 150106 Магнитогорск, МГТУ, 2006. 59с.

Рецензент: Тартаковский Ю.И.

© Попереков И.В.

Общий вид и разрез методической печи

1. Под печи

2. Устройство загрузки металла

3. Сварочная зона

4. Газопровод горелок

5. Вертикальные каналы

6. Дымоход

7. Рекуператор

8. Дымовая труба

Топливные нагревательные и термические печи

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Нагревательные колодцы

Нагревательные колодцы — это высокотемпературные камерные печи для нагрева слитков большой массы. Конструкция всех элементов колодцев должна отличаться простотой и надежностью работы по условиям воздей­ствия высоких температур и значительных механических усилий.

Современными типами нагревательных колодцев являются колодцы с отоплением из центра подины (КЦП) и наиболее совершенные — с отопле­нием одной верхней горелкой (КВГ) (рис. 1.1). Тепловая мощность КЦП не менее 5,8 МВт, КВГ — 11,6 МВт.

Рис. 1.1. Схемы нагревательных колодцев: а — с отоплением у центра подины (КЦП); б — с отоплением одной верхней горелкой (КВГ); / — подвод газа; 2 — керамический рекуператор;

3 — подвод воздуха; 4 — металлический рекуператор для нагрева инжектирующего воздуха

При подаче топлива через одну горелку ограничивается длина факела: в КЦП из условия стойкости крышки она должна быть не более 3 м. В КВГ длина факела ограничивается расстоянием до торцевой стены, то есть долж­на быть не более 7-9 м. В противном случае будет высока неравномерность нагрева слитков, стоящих на разных расстояниях от горелок. Поэтому в наг­ревательных колодцах применяют простейшую горелку с улучшенным сме­шением: газ подается несколькими струями.

Вследствие высокой температуры продуктов сгорания в нагревательных колодцах применяют керамические

рекуператоры, конструктивно объеди­ненные с рабочим пространством. В КЦП воздух к горелке через рекупера­тор подают вентилятором. В результате этого между воздушной и дымовой сторонами рекуператора возникает перепад давления, приводящий к попа­данию воздуха в продукты сгорания. В КВГ воздух просасывается через рекуператор и подается в горелку с помощью инжектора, работающего на компрессорном воздухе.

За керамическими рекуператорами возможна установка металлических рекуператоров для подогрева газа.

Топливом для нагревательных колодцев является газ с теплотой сгорания 5,45-5,85 МДж/м³и выше.

Методические нагревательные печи

Методические толкательные печи (ТП), печи с шагающим подом (ПШП) и с шагающими балками (ПШБ), кольцевые печи (КП) работают при противоточном движении металла и продуктов сгорания в рабочем пространстве. Тепловая мощность крупных печей составляет 200 МВт и выше.

Существующие ТП отапливают чаще всего с помощью торцевых горе­лок (рис. 1.2), расположенных на одном, трех, четырех или пяти горелочных торцах верхней и нижней зон обогрева.

В нижнем подогреве ПШБ (рис. 1.3) в большинстве случаев установке торцевых горелок препятствует наличие большого числа стоек стационар­ных и подвижных балок. Поэтому здесь применяют горелки, установлен­ные на продольных стенах или сочетание боковых и торцевых горелок.

В зонах верхнего обогрева методических печей могут быть установлены торцевые горелки (рис. 1.2 и 1.3, а) и сводовые плоско пламенные горелки по всей длине печи (рис. 1.3, б)или в отдельных зонах, чаще всего в томиль­ной.

Расположение горелок на ПШП аналогично их расположению

в верхнем обогреве ТП или ПШБ.

В КП при ширине пода до 3,5 м горелки устанавливают только на наруж­ной стене. Горелки располагают тангенциально, так, чтобы факелы были направлены навстречу движению металла. При ширине пода 4,5 м и более горелки устанавливают на наружной и внутренный стенах радиально. На КП возможно также применение сводовых плоскопламенных горелок.

Методические нагревательные печи отапливают газом с различной теплотой сгорания, мазутом или комбинированно – газом и мазутом.

В связи с тем. Что в этих печах необходима высокая калориметрическая температура сгорания (приблизительно 2000 ⁰С), схемы их отопления сильно зависят от вида и характеристики топлива или, наоборот, для определенного типа или конструкции печи требуется определенное топливо.

Если для отопления печи должен быть применен доменный газ или смесь коксового и доменного газов с Q<5,85 МДж/м³, сисиема отопления может быть решена на основе применения инжекционных горелок полного предварительного смешения в сочетании с высокотемпературным подогревом компонентов сгорания. Воздух следует подогревать в керамическом блочном рекуператоре до 500-600⁰С, газ – в металлическом трубчатом рекуператоре до 250-300⁰С. При работе инжекционных горелок с а=1,00-1,05 при этих условиях удается достичь высоких температур вблизи горелок и обеспечить нагрев металла до температуры прокатки.

Для работы на смеси коксового и доменного газов с Q^Р=6,25-7,55 МДж/м³при установке инжекционных горелок достаточно подогревать только воздух в керамическом рекуператоре до 500-550⁰С. Для экономии топлива можно подогревать газ до 250-300⁰С или установить за печью котел-утилизатор.

Следует отметить, что печи с инжекционными горелками и керамическим рекуператором получаются весьма громоздкими и дорогими. Такую конструкцию следует применять только при отсутствии более богатого топлива. С ПШБ, ПШП и КП керамические блочные рекуператоры скомпоновать очень трудно, поэтому для указанных печей такая схема отопления практически неприемлема.

Рис. 1.2. Схема толкательных печей (ТП): Рис. 1.3. Схема печей с шагающими балками

а — однозонная а - (ПШБ): о — с торцевым отоплением верхнего обогрева;

б — трехзонная; б- с верхнем отоплением

в — со сводовым отоплением верхнего обогрева

Отопление методических нагревательных печей смесью коксового и до­менного газов с Q^р =7,55-10,00 МДж/м³или смесью природного и домен­ного газов сQ^р< 18,75 МДж/м³нежелательно. При применении таких сме­сей резко возрастает опасность проскока (смесь коксового и доменного га­зов) и уменьшается теплопроизводительность инжекционных горелок. Го­релки без предварительного смешения типа "труба в трубе" могут обеспе­чить необходимую температуру в печи только при достаточно высокой сте­пени подогрева воздуха.

Оптимальным топливом для рассматриваемых печей являются природ­ный газ и смеси коксового и доменного газов с Q^р> 10,00 МДж/м³и при­родного и доменного газов сQ^р >18,75 МДж/м³. Для отопления этими газа­ми можно применять горелки типа "труба в трубе" (для торцевого отопле­ния) или

сводовые плоскопламенные горелки. Для сокращения расхода топ­лива воздух следует подогревать в металлических рекуператорах до 400 °С.

В данном случае конструкция печи получается наиболее простой, компакт­ной, а стоимость сооружения печи — наименьшей.

Мазут для отопления нагревательных печей используют весьма редко.

Гораздо чаще применяют комбинированное газо-мазутное отопление с раз­дельным или совместным сжиганием газа с высокой теплотой сгорания и мазута.

Осуществление совместного сжигания газа и мазута наиболее сложно. В этом случае значительно усложняется система автоматического регулирова­ния теплового режима печи. Кроме того, газ, сгорая быстрее, потребляет кислород воздуха для горения в первую очередь. В результате горение мазу­та затягивается и образуются продукты химического и механического недо­жога, в том числе сажистый углерод. Поэтому, как правило, газ и мазут сжи­гают раздельно, причем мазут является резервным топливом.

При газомазутном отоплении чаще всего применяют горелочные устрой­ства, представляющие собой горелку без предварительного смешения типа "труба в трубе" со встраиваемой в газовое сопло форсункой высокого давле­ния или специальные газомазутные горелки. Воздух для горения подогрева­ют в металлическом рекуператоре до 400 °С.

В случае отопления рассматриваемых печей мазутом на них устанавли­вают форсунки высокого давления с двойным распыливанием. Воздух так­же подогревают до 400 °С.

Проходные и протяжные печи для термической обработки

При термической обработке подвод тепла должен быть рассредоточен по длине рабочего пространства.

В печах этого типа нагреваемые изделия транспортируют с помощью ро­ликового пода, шагающих балок и пода, печных

конвейеров различных ти­пов или проталкивают по направляющим, а полосу и проволоку протягива­ют через печь.

Длина печей этого типа может достигать 100 м и более, а тепловая мощ­ность— 10 МВт.

При нагреве изделий до 700 °С и выше камеры нагрева этих печей осна­щают горелками, обычно расположенными с обеих сторон нагреваемого из­делия (сверху и снизу) а если это

невозможно, — только сверху. При терми­ческой обработке в атмосфере контролируемого состава таким же образом располагают радиационные трубы. В вертикальных протяжных печах горе­лочные устройства или радиационные трубы располагают с обеих сторон ветви полосы.

Для отопления проходных и протяжных печей часто применяют инжекционные горелки с инжекцией воздуха газом. При постоянном во времени тепловом режиме ограниченные пределы регулирования инжекционных го­релок приемлемы. При большом, а часто огромном числе горелок весьма

желательно избежать системы трубопроводов для разводки воздуха, кото­рые чрезмерно осложняют конструкцию печи и затрудняют ее обслужива­ние.

Однако инжекционные горелки работают на холодном воздухе. Поэтому в настоящее время стремятся применять двухпроводные горелки с исполь­зованием тепла уходящих продуктов сгорания для рекуперативного подо­грева воздуха горения.

Радиационные трубы обычно конструируют со встроенным рекуперато­ром для подогрева воздуха.

Если требуется высокая равномерность и интенсивность нагрева изде­лий, то прибегают к циркуляции среды в рабочем пространстве.

На рис. 1.4 показана схема поперечного сечения печи с шагающими бал­ками для нагрева изделий на поддонах до 900-950 °С. Двухпроводные го­релки расположены попеременно выше и ниже уровня пода. Нижняя горел­ка соединена каналом,

расположенным в кладке продольных стен, с верх­ней частью рабочего пространства, а верхняя горелка — с нижней частью рабочего пространства. Через эти каналы к корню факела подсасываются продукты сгорания из рабочего пространства. В результате в печи создана система интенсивной рециркуляции продуктов сгорания. Это обеспечивает высокую равномерность распределения температур в поперечном сечении печи.

В печи с роликовым подом для светлого отжига тяжелых бунтов прово­локи (нагрев до 770-810 °С) для интенсификации и повышения равномер­ности нагрева применены циркуляционные вентиляторы (рис. 1.5).

Циркуляционный вентилятор 7, установленный на поду печи, отсасыва­ет атмосферу контролируемого состава из рабочего пространства. Поток ат­мосферы из направляющего аппарата 2 омывает тупиковые радиационные трубы 3,расположенные вертикально у продольных стен печи. Нагретая ат­мосфера омывает бунты4,транспортируемые на роликах 5 печного роль­ганга.

При нагреве до низких температур (200-600 °С) наиболее предпочти­тельна система отопления с интенсивным теплообменом конвекцией

.

Рис. 1.4. Схема печи с шагающими балками и с Рис. 1.5. Схема печи с роликовым подом рециркуляцией продуктов сгорания, для отжига тяжелых бунтов проволоки.

Рис. 1.6. Схема печи струйного нагрева алюминиевых слябов

На рис. 1.6 показана схема поперечного разреза печи с шагающими бал­ками для нагрева до 400-630 °С тяжелых алюминиевых слябов. Циркуляци­онный вентилятор I,расположенный на боковой стене печи, подсасывает газовую среду из рабочего пространства и подает ее в продольный канал 2. В этом канале установлены горелки 3, позволяющие получить низкотемпе­ратурные продукты сгорания. Затем смесь газов через канал4поступает в короб 5. Из коробов через большое число сопел горячий газ направляется с большой скоростью на верхнюю и нижнюю поверхности слябов. Избыточ­ное количество продуктов сгорания сбрасывают через дымопровод 6. При организованном таким образом струйном нагреве удается достичь высокой равномерности и скорости нагрева.

Иной способ решения системы отопления печи для низкотемпературно­го нагрева представлен на рис. 1.7. Здесь схематически показан поперечный разрез печи с шагающими балками для нагрева до 250-350 °С (отпуск) па­кетов прутков. Продукты сгорания, смешанные с воздухом, с помощью ды­мососов отсасываются из рабочего пространства печи. От дымососов смесь поступает в коллектор 1,а из него в патрубки 2. В патрубках, встроены го­релки, где газ сгорает в рециркуляте; образуются низкотемпературные про­дукты сгорания, которые подаются в продольный короб3,а из него в ряд труб4.Продукты сгорания из труб выходят в рабочее пространство и нагре­вают пакеты прутков. В обоих случаях (см. рис. 1.6 и 1.7) рециркуляционные контуры разбиты по длине печи на несколько одинаковых секций. При проектировании низко-

Рис. 1.7. Схема конвективной печи для нагрева пакетов прутков

температурных печей совершенно необходимо

предусматривать специ­альные меры по обеспечению взрывобезопасности при эксплуатации: за­пальные горелки, устройства контроля пламени и тому подобное.

Если в печи должны проводиться две операции с существенно разными тем­пературами нагрева (например, отпуск и нормализация), то систему ее отопле­ния предпочтительно решать с применением горелок с широким диапазоном изменения коэффициента расхода воздуха. Благодаря возможности работы этих горелок с большими пределами регулирования расходов топлива и высо­кими коэффициентами расхода воздуха переход от одного режима к другому может проводиться без отключения части горелок. Если же заданные режимы окажутся неосуществимыми по характеристике этих горелок, то необходима система отопления, предусматривающая отключение части горелок.

Неудобством этой системы является то, что отключать и включать горел­ки приходится вручную. Для обеспечения безопасности эксплуатации печи при 500-600 °С и менее необходимо конструктивно выделить группы горе­лок, работающих при этом режиме. Эта группа горелок должна быть осна­щена устройствами контроля пламени, автоматической отсечкой зоны при погасании горелки и другими устройствами, обеспечивающими взрывобезопасность низкотемпературных печей.

При значительной ширине печи равномерность нагрева изделий может быть обеспечена путем применения отопления сводовыми горелками. Тип горелок должен выбираться в зависимости от технологического режима ра­боты печей.

В современных агрегатах непрерывного горячего цинкования в камере скоростного нагрева необходимо проведение безокислительного нагрева от­крытым пламенем. С этой целью камеру скоростного нагрева отапливают с помощью горелок, которые обеспечивают сжигание газа с коэффициентом расхода воздуха несколько меньше единицы и практически с полным выго­ранием кислорода воздуха.

Для проходных и протяжных печей часто применяют горелочные уст­ройства, снабженные запальными горелками. При разработке

системы отопления в этих случаях необходимо предусматривать питание запальных горелок газом и воздухом таким образом, чтобы при изменении расхода компонентов сжигания на основные горелки их расходы на запальные горелки оставались постоянными.

Ниже дается пример расчета тепловой работы трёх зонной методической печи.

Задание

Рассчитать и спроектировать трех зонную методическую печь. Производительностью Р=80m/ч с двухсторонним нагревом заготовок из материала сталь 40 с размерами 280×280×6000 мм до температуры 1215⁰С.

1. Характеристика печи

2. Расчет горения топлива

3. Определение времени нагрева металла

4. Определение основных размеров печи

5. Составление теплового баланса печи

6. Расчет и выбор топливо сжигающего устройства (горелки)

7. Расчет рекуператора

8. Расчет дымового тракта

9. Расчет дымовой трубы

10. Выбор дутьевого устройства (вентилятора)

11. Технико-экономические показатели печи

Список литературы

1. Характеристика печи

Нагревательные толкательные печи характеризуются противоточным движением нагреваемого металла и продуктов сго­рания, а так же наличием в начале печи (со стороны посада ме­талла) развитой не отапливаемой методической зоны, вследст­вие чего их часто называют методическими печами.

Методические печи по числу зон нагрева могут быть двух-, трёх- и многозонными с односторонним и двусторонним нагре­вом металла. При трёхтонном режиме нагрева имеются три теплотехнические зоны по ходу металла: методическая, в кото­рой повышается температура, сварочная с высокой постоянной температурой и томильная с постоянной температурой, близкой к заданной конечной температуре поверхности металла. Ме­талл толщиной до 100 мм нагревают с одной стороны в печах без нижнего нагрева, а толщиной больше 100 мм - с двух сто­рон (с нижним нагревом).

Большое значение для работы методических печей имеет способ выдачи металла из печи. Различают торцевую и боковую выдачу металла. При торцевой выдаче необходим толкатель, который и выполняет роль выталкивателя.

Конструкцию методических печей выбирают в зависимости от типа стана и вида топлива. Тип стана определяет производи­тельность печей , толщину применяемой заготовки, температу­ру нагрева металла и его сортамент. От вида используемого топлива зависит конструкция горелочных устройств и примене­ние рекуператоров. При использовании трёх зонных методиче­ских толкательных печей на среднесортных и крупносортных станах под печи выполняют прямым, с торцевой подачей и вы­дачей металла.

2. Расчет горения топлива

Рассчитать процесс горения природного газа следующего состава:

СО₂=0,2%; СН₄=92,8%; С₂Н₆=3,7%; С₄Н₁₀=0,2% С₅Н₁₂=0,3%; N₂=2,8%.

Содержание влаги в газе W=28г/м³

Коэффициент расхода воздуха = 1,06

Температура подогрева воздуха = 300⁰С

Определить:

1. Низшую теплоту сгорания топлива, .

2. Расход воздуха на горение: - теоретический

- практический

3. Расход продуктов горения: - теоретический

- практический

4. Состав продуктов горения.

5. Температура горения топлива, t^ж,t^к. Коэффициент перерасчета сухого на влажный газ:

Состав влажного газа:

Всего:100%

Отношение в дутье

где доля О₂в воздухе

Теоретический расход воздуха на горение 1 м³газа:

Вычисляем практический расход воздуха:

Определяем количество продуктов горения при

Вычисляем процентный состав влажных продуктов горения при

Всего:100%

Вычисляем количество продуктов горения при

Коэффициент расхода воздуха не изменяет

Действительный выход влажных продуктов горения

Найдем процентный состав продуктов сгорания при

Всего 100%

Проверим правильность расчета составлением материального баланса горения топлива объемом

Поступило: топливо (природный газ)

где:

Плотность продуктов сгорания:

Получено:

Определяем низшую теплоту сгорания топлива

Начальная энтальпия продуктов сгорания для расчета температур жаропроизводительности и калориметрической

Определим температуру жаропроизводительности

Зададимся найдемq=рi, где р-объемная доля компонента в продуктах горения иi-теплосодержание компонента (из приложенияIII[1] )

<, поэтому>2000⁰С

Зададимся тогдаq=ipсоставит

>, поэтомулежит в пределах 2000-2100Интерполяцией уточняем:

Определим калориметрическую температуру горения(

Зададимся , тогдаq=imсоставит

<; поэтому

Зададимся , тогдаq=imсоставит

поэтому 2100⁰<<2200⁰

Действительная температура горения:

где -пирометрический поправочный коэффициент, для методических печей=0,65÷0,8

III. Определение времени нагрева металла

Выберем температурный график процесса нагрева. Темпе­ратуру уходящих из печи газов примем равной 800° С, а тем­пературу в томильной зоне - на 50° С выше, чем температура поверхности нагрева металла, то есть 1265° С. Температуру в сварочной зоне принимаем на 100° С выше, чем температура нагрева ме­талла, то есть 1315°С.

Методическую зону условно разделим на 3 участка и ус­редним температуру печи в пределах каждого из них. Для пред­варительного определения основных размеров печи зададимся величиной напряженности Н габаритного пода, Н=Р/F=500кг/м²час. Тогда площадь пода будет равнаF=Р/H=80000/500=160м²

Рис. 1 Температурный график нагрева металла

I - V -температурные участки методической печи; 1 - температура печи; 2 - температура поверхности металла; 3 – температура центра металла

Выбираем печь с однорядным расположением заготовок;

Определим ширину В и длину Lпечи. Ширина печиВ=l+2=6,5м. где:l-длина заготовки, l = 6м.

-зазор между заготовками и стенами печи

Длина печи

Для определения степени развития кладки примем высоту печиh:

• в методической зоне нагрева-1,0м;

• в сварочной зоне нагрева-2,0м;

• в томильной зоне нагрева-1,3м.

Определим степень развития кладки Тогда степень развития кладки по зонам будет:

Эффективную толщину газового слоя для каждой из зон печи находим из выражения:

м

где V-объем зоны, м³

F-суммарная площадь стен, свода и пода данной зоны, м²;

поправочный коэффициент, равный 0,9.

Следовательно, для методической зоны с длиной L_мэффективная толщина газового слоя

Определим время нагрева для Iучастка методической зоны. Найдем степень черноты газов

По номограммам (рис.82-84[1]) находим

Принимая степень черноты металла определим величину коэффициента С_к.г.м.:

Коэффициент теплоотдачи излучением на 1-ом участке методической зоны будет равен при t_пов=(20+300)/2=160⁰С:

Для определения критерия Вiи коэффициента температуропроводности находим из приложенийVIиVII[1] коэффициенты теплопроводности и теплоемкости (по средней температуре металла на участке 160⁰С):

Отсюда для двухстороннего нагрева критерий Вiбудет равен:

<0,25-тело тонкое

где:S=, м

Из величины критерия Вiследует, что на первом участке методической зоны заготовки греются как тонкое тело и время нагрева следует определять по формуле:

где,- вес заготовки, кг

Поскольку тонкое тело греется без перепада t⁰по сечению, средняя температура по сечению металла к концуIучастка нагрева составит 300⁰С.

Определим время нагрева для IIучастка методической зоны:

По номограммам см.рис.(82-84[1]). Находим

Принимая степень черноты металла определим величину коэффициента С_к.г.м.:

Для определения критерия Вiи коэффициента температуропроводности(a),находим из приложенийVIиVII[1] коэффициенты теплопроводности и теплоемкости (по средней температуре металла на участке 450⁰С):

Отсюда для двухстороннего нагрева критерий Вiбудет равен:

>0,25

Следовательно, на данном участке заготовка греется как массивное тело. Определим величину температурного критерия для поверхности металла.

По номограмме для поверхности пластины (рис 51]) по значениям Вiинаходим величину критерия Фурье.

F₀=0,8

Коэффициент температуропроводности будет равен

час

Определим температуру центра металла, к концу нагрева на IIучастке методической зоны, для чего по значениямF₀=0,8 и Вi=0,5, пользуясь номограммой для центра пластины рис 52 (1)найдем

Следовательно,

Определим время нагрева в первой сварочной зоне (участок III)

По номограммам (рис.82-84[1]). Находим

Принимаем степень черноты металла определим величину коэффициента С_к.г.м.:

Для определения критерия Вiи коэффициента температуропроводности (a),находим из приложенийVIиVII[1] коэффициенты теплопроводности и теплоемкости (по средней температуре металла на участке 740⁰С):

Коэффициент температуропроводности будет равен

Отсюда для двухстороннего нагрева критерий Вiбудет равен:

>0.25- тело массивное

Определим величину температурного критерия для поверхности металла.

По номограмме для поверхности пластины (рис 51[1]) находим величину критерия Фурье. F₀=0,4 , отсюда

По номограмме для центра пластины (рис 52[1]) по значениям F₀ иBiнайдем

Следовательно, температура центра,

Определим время нагрева в сварочной зоне (IVучасток).

Степень черноты газов

По номограммам (рис.82-84[1]). находим

Принимая степень черноты металла определим величину коэффициента С_к.г.м.:

Для определения критерия Вiи коэффициента температуропроводности - находим из приложенийVIиVII[1] коэффициенты теплопроводности и теплоемкости (по средней температуре металла на участке 1017,5⁰С):

Отсюда критерий Вiбудет равен:

Следовательно, на данном участке заготовка греется как массивное тело. Определим величину температурного критерия для поверхности металла.

Коэффициент температуропроводности будет равен

По номограмме для поверхности (рис 51[1])находим величину критерия Фурье. F₀=0,8

По номограмме для центра пластины (рис 52[1])по значениямF₀и ВiнайдемСледовательно,

Определим время выдержки (томления), пользуясь номограммой (рис.82[1]). Разность температур по сечению металла в начале выдержки составит:

Определим допустимую разность температур в конце выдержки, учитывая условие: 200⁰С на 1м толщины заготовки, т.е.

При , рис.89 [1]F₀=0,4

Средняя температура поверхности металла по толщине в зоне выдержки равна:

Находим из приложений VIиVII[1] коэффициенты теплопроводности и теплоемкости (по средней температуре металла на участке 1129⁰С):

Коэффициент температуропроводности будет равен

Время выдержки будет равно:

Таким образом, время пребывания металла в печи составит:

=1,28+0,41+1,05+0,47=3,2часа

IV. Определение основных размеров печи

Для обеспечения заданной производительности 80т/ч в печи должно постоянно находиться следующее количество металла.

Масса одной заготовки равна

Найдем число заготовок в печи:

При однорядном расположении заготовок:

длина печи

ширина печи

площадь активного пода

площадь габаритного пода

Высоту печи принимаем ту, что была принята при предварительном расчете.

Всю длину печи делим на зоны пропорционально времени нагрева:

так, длина методической зоны

длина I-ой сварочной зоны

Длина II- сварочной зоны

длина томильной зоны

Напряженность габаритного пода печи

т.е. значение близко к тому, которое задавалось при предварительном расчете.

Выберем для печи следующую футеровку: свод подвесного типа из шамота класса А, толщиной 300мм, стены двухслойные (шамот класса А δ=3345мм),тепловая изоляция из диатомита δ =115мм, под томильной зоны- трехслойный (тальк δ =230мм, шамот класса Б- δ =230мм, диатомит δ=115мм).

V. Составление теплового баланса печи

Далее выполняем конструктивную разработку печи. В данном примере расчета это сделать невозможно. При составлении теплового баланса печи приходится опускать некоторые статьи расхода тепла, не превышающие 5% всего расхода.

Приход тепла:

1. Тепло от сжигания топлива:

, где В - искомый расход топлива, м³/час

2. Тепло, вносимое подогретым воздухом:

3. Тепло экзотермических реакций (примем угар 1%, теплота сгорания железа 5650кДж/кг)

Расход тепла:

При составлении теплового баланса опущены следующие статьи расхода:

А) потери тепла излучением через открытые окна;

Б) потери от химической неполноты сгорания;

В) потери от механической неполноты сгорания.

1.Тепло, затрачиваемое на нагрев металла:

гдеP-производительность печи;C-средняя теплоемкостьMe;

при

3. Тепло, уносимое уходящими газами. Прежде всего определяем теплоемкость дымовых газов при t=800⁰С приложениеVI[1],

3.Потери тепла через кладку теплопроводностью:

1.Потери через свод.

Средняя площадь свода

Толщина свода 0,3м, материал шамот. Принимаем, что температура внутренней поверхности свода равна температуре газов.

Средняя температура газов в печи:

Если считать, что температура наружной поверхности кладки около 50⁰С, то средняя температура огнеупорного материала свода ~590⁰С.

По этой температуре из приложенияIX(1) выбираем коэффициент теплопроводности шамотного материала:

Таким образом, потери через свод составляют:

где α – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стен к окружающему воздуху, равный 71,2 кДж/(м²ч⁰С)

2.Потери через стены, кладка стен выполнена двухслойной (шамот 345мм, диатомит 115мм)

Площадь стен, м²:

методической зоны

сварочной зоны

томильной зоны

торцевых:

Полная площадь стен:

При линейном распределении температуры по толщине стен средняя температура шамота будет равна 550⁰С, а диатомита 150⁰С. Следовательно,

Полные потери через кладку

3. Потери тепла с охлаждающей водой по практическим данным принимаем равными 10%Q_xприхода, (то есть от)

5. Неучтенные потери принимаем в количестве 15% Q_xприхода тепла

Запишем уравнение теплового баланса печи

Тепловой баланс печи сведем в табл 1

Таблица 1

Приход , кДж/ч;	%
Тепло, получаемое от сгорания топлива	86,1
Тепло, вносимое подогретым воздухом	11,1
Тепло экзотермических реакций	2,8
Итого: QΣ=157*106	100

Расход кДж/ч;	%
Тепло, затрачиваемое на нагрев металла	42
Тепло уходящих газов	33
3. Потери через кладку	1,17
4. Потери с охлаждающей водой	9,7
5. Неучтенные потери	14,6
Итого: 157*106	100

Удельный расход тепла на нагрев 1 кг металла

составит q=

VI. Выбор и расчет горелок

Выбираем, что в печи установлены горелки типа «труба в трубе». В сварочных зонах: верхние и нижние по 10 шт. , в томильной 4 шт. Общее количество горелок в печи 24 шт.

Определим количество воздуха, приходящееся на одну горелку.

где: V_B- часовой расход воздуха;

Т_В= 300+273=573К- температура подогрева воздуха;

n- количество горелок.

Давление воздуха перед горелкой принимаем 2,0 кПа. Из графика на рис.30[2]следует, что требуемый расход воздуха обеспечивает горелка ДВБ225.

Определим расчетное количество газа на одну горелку:

где: V_Г=В=3923 м³/ч- часовой расход топлива

Т_Г=50+273=323К –температура газа;

n- количество горелок в печи

VII.Расчет рекуператора

Для подогрева воздуха проектируем металлический петлевой рекуператор из труб диаметром 57/49,5 мм с коридорным расположением и шагом

- расстояние между осями труб в ряду, перпендикулярном и по ходу движения дыма соответственно.

Исходные данные для расчета:

1. Часовой расход топлива В=3923м³/час,

2. Расход воздуха на 1 м³топливаL_α=9,86 м³/м³

4. Количество продуктов сгорания от 1 м³горючего газаV_α=10,89м³/м³

5. Температура подогрева воздуха t_В=300⁰С,

6. Температура уходящих газов из печи t_ух=800⁰С.

Расчет:

1.Часовой расход воздуха:

V_В=ВL_α=39239,86=38681м³/час

2. Часовой выход дыма:

V_Д=ВV_α=3923 ·10,89=42722м³/час

3.Часовое количество дыма, проходящего через рекуператор с учетом потерь дыма на выбивание и через обводной шибер и подсоса воздуха.

V’_Д=mV_Д(1+Δp)

Коэффициент m, учитывающий потери дыма, принимаем 0,7

Коэффициент Δp, учитывающий подсос воздуха в боровах, примемΔp=0,10

V’_Д=0,7*42722*(1+0,1)=32895,9м³/час

4.Температура дыма перед рекуператором с учетом подсоса воздуха

, гдеi_ух - теплосодержание уходящих газов приt_ух=800⁰С

где: р и iпарциальное давление(доля) и теплосодержание компонентов дыма, соответственно.

Этому теплосодержанию соответствует температура дыма t_Д=750⁰C( рис. 67[3])

5. Температура дыма за рекуператором

где: - теплосодержание воздуха приt_В=300⁰С

= 395,42 кДж/м³

- теплосодержание холодного воздуха

=25,2 кДж/м³

- коэффициент, учитывающий тепловые потери рекуператора в окружающую среду,=0,9

Этому теплосодержанию соответствует температура дыма t_Д=440⁰С ( рис.6[3])

7. Среднелогарифмический напор

8. Коэффициент теплопередачи в рекуператоре

где: α^’-коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне,

α^”-то же, на воздушной стороне, α^’= α^’_изл+ α’_k;

где: α^’_изл- коэффициент теплоотдачи излучением,

α’_k- коэффициент теплоотдачи конвекцией.

Определим эффективную толщину газового слоя S

Средняя температура дыма в рекуператоре

При t_Д=595⁰С,S=0,193 и α_изл=9Вт/(м²град) (рис93[3])

Величина α’_kопределяется по формуле:

где: С=1+0,1х₁/d=1+0,12=1,2

а скорость дыма принимаем:

Общий коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне

α^’=9+39,9=48,9Вт/м²град

Коэффициент теплоотдачи на воздушной стороне

где:средняя температура воздуха

а скорость воздуха принимаем:

Коэффициент теплопередачи:

Поверхность нагрева рекуператора :

Произведем компоновку рекуператора:

Число Uобразных элементов

Средняя поверхность нагрева одного трубного элемента

Средняя длина одного трубного элемента

Число труб в ряду, перпендикулярном движению дыма

где:х₁=2d_н=20,057=0,114м;

Число труб по ходу дыма в каждой секции рекуператора

Z₂=Z/Z₁=712/48=15шт

Ширина рекуператора равна:

Определим радиус R_сртрубы длинойL_ср. По счету она будет восьмой, тогда

Следовательно, высота рекуператора равна:

Длина рекуператора равна:

Рис. 2. Схема трубчатого петлевого рекуператора

VIII. Расчёт дымового тракта

Исходные данные для расчета:

1. Количество продуктов горения

V_Д=42722м³/час

3. Плотность дымовых газов

=1,24кг/м³

4. Размеры рабочего пространства в конце печи

6,5×1,0м

5.Температура дыма в конце печи 1073К

6.Температура дыма в вертикальных каналах

7.Падение температуры дыма в рекуператоре ΔТ_Р=310К

Схема дымового тракта представлена на рис.2.

Потери давления в дымовом тракте складываются из потерь:

а) на трение,

б) на местных сопротивлениях,

в) на преодоление геометрического давления (разрежение),т.е:

Δ Р_пот= Δ Р_тр+ Δ Р_м.с+ Δ Р_геом

Скорость движения дымовых газов в конце печи с учетом уменьшения сечения рабочего пространства печи за счет нагревающихся заготовок, толщиной а=0,28 м, составит:

Скорость движения в вертикальных каналах принимаем равной W_верт=2,5м/с;h-высота методической зоны.

Тогда площадь сечения каждого канала

гдеn=6 число вертикальных каналов.

Размеры вертикальных каналов принимаем следующими:

а=0,9м, b=0,9м

F_верт=аb=0,90,9=0,8м²

и высота Н_верт=3м, тогда приведенный диаметр равен

Потери давления на трение составят:

где: для кирпичных каналов

Потери давления при повороте из печи в вертикальные каналы на 90⁰с сужением:

для случая из рис.(91[5])

Потери на преодоление геометрического давления составят:

Суммарные потери давления в вертикальных каналах:

Определим потери давления при движении дымовых газов от вертикальных каналов до рекуператора, которые складываются из потерь при повороте на 90⁰с изменением сечения при входе в боров, потерь на трение и поворот на 90⁰в борове без изменения сечения, то есть:

Скорость движения дыма в борове принимаем

Сечение борова

Высоту борова принимаем равной h=2м. В этом случае ширина борова

.

Приведенный диаметр борова:

Потери давления при входе в боров:

где для случая

Принимаем падение температуры дыма равными 2К на 1м длины борова. При длине борова от вертикальных каналов до рекуператора 11м, падение температуры дыма равно 22К. Температура дыма перед рекуператором будет:

Средняя температура дыма в борове:

Потери давления на трение:

Потери давления при повороте борова на 90⁰

где ( приложениеV,6;[3]), для случая

Суммарные потери давления на участке от вертикальных каналов до рекуператора составят:

Потери в рекуператоре складываются из потерь при внезапном расширении на входе в камеру рекуператора, потерь при внезапном сужении при входе из камеры рекуператора и потерь давления при поперечном омывании дымом коридорного пучка труб.

Размеры камеры для установки рекуператора равны:

В×Н×L=5,4×2×3,6

Наружный диаметр труб составляет:

Температура дыма на входе в рекуператор , на выходе:

Скорость движения дыма в рекуператоре принята равной:

Число рядов труб по ходу дыма

Потери давления при внезапном расширении(изменении скорости) при входе в рекуператор:

где ( приложениеV,6[3]), для случая

При поперечном омывании дымом коридорного пучка труб потери давления:

где:

где: n=30 число труб по ходу дыма;

α=0,11; β=1,0 коэффициенты, определяемые по рис.112[5];

х₁=2d;x₂=2dшаг пучка труб перпендикулярно и по ходу дыма соответственно.

Потери давления при внезапном сужении на выходе из камеры рекуператора в боров:

где ( приложениеV,6;[3]), для случая

Скорость движения дыма в камере рекуператора за трубами составит:

Потери давления в рекуператоре составят:

Определим потери давления на участке от рекуператора до шибера:

Принимаем падение температуры дыма на этом отрезке 1,5К на 1м длины борова (длина борова 6м). Тогда средняя температура на этом участке составит:

При этом же сечение борова, что и до рекуператора, потери на трение составят:

Общие потери давления при движении продуктов сгорания от рабочего пространства до шибера составит:

Рис.3. Схема дымового тракта 4-х зонной методической печи.

1-печь; 2-вертикальные каналы; 3-рекуператор; 4-боров; 5-шибер; 6-труба дымовая

IX. Расчет дымовой трубы

Определим высоту дымовой трубы, предназначенной для удаления продуктов сгорания из методической нагревательной печи. Общая потеря давления при движении дымовых газов:

Температура дыма перед трубой Т_Г1=704К. Плотность дымовых газов Р_ГО=1,24кг/м³ .Температура окружающего воздуха Т_В=293К.

Количество продуктов сгорания, проходящих через дымовую трубу:

V_Д=42722м³/час=42722/3600=11,9 м³/c

Найдем площадь сечения устьятрубы, принимая скорость движения дыма в устье

;

Отсюда диаметр устья: =2,4м.

Диаметр основания трубы находим из соотношения

d₁=1,5d₂, то естьd₁=1,5·2,4=3,6м.

Скорость движения дымовых газов в основании трубы составит:

Действительное разрежение, создаваемое трубой должно быть на 50-60% больше потерь давления дымовых газов, то есть

.

Определяем температуру газов в устье трубы, для чего ориентировочно принимаем по графику (рис.4 [3])

высоту дымовой трубы (Н=50м).

Понижение температуры по высоте для кирпичной трубы принимаем равным 1,0-1,5К на 1м высоты трубы:

Тогда температура газов в устье трубы будет равна:

Т_Г2=704-62,5=641,5К

Средняя температура газа составит:

.

Средний диаметр трубы составит:

Тогда: .

Средняя скорость движения дымовых газов в трубе составит:

Определим высоту дымовой трубы:

гдеg=9.81м /с²;и- плотность воздуха и дыма соответственно при нормальных условиях .( температура 0,давление 101,325 кПа ); λ – коэффициент трения, для кирпичных труб примем λ=0,05,[1].

Х. Выбор вентилятора

Для выбора вентилятора воспользуемся номограммой рис.8 ст. 160 – 161 [5].

По характеристикам, соответствующим параметрам печи ( часовой расход воздуха V_в=38681 м/ч³с давлением перед горелками 4кПа ), выбираем вентилятор: ВД-15 с рабочими оборотамиn=730 об/мин

XI. Технико-экономические показатели печи

№	Показатель печи	Величина
1	Производительность	80т/ч
2	Часовой расход газа	3923м3/ч
3	Удельный расход тепла	1987кДж/кг
4	КПД печи	43,6%

Рис. 51.[1] Зависимость безразмерной температуры от критериев BiиFoдля нагрева поверхности пластины при линейном граничном условииIIIрода.

Рис. 52 [1] Зависимость безразмерной температуры от критериев BiиFoдля нагрева центра пластины при линейном граничном условииIIIрода.

Рис. 89 [1].

График для определения продолжительности выдержки:

1-цилиндр; 2,3,4,5,- призма; 6- пластина;

BиS– стороны призмы; 7- в томильной зоне

методической печи.

Рис.90[1].

Функция Fдля температур печи и теплового потока при постоянной температуре поверхности.

Список литературы

1. Кривандин В.А., Марков Б.Л. Металлургические печи. М;1967 г.

Металлургия, 1977.46 с.

2. Мастрюков Б.С. Расчет металлургических печей. М; Ме­таллургия. 1986.376 с.

3. Тайц Н.Ю., Розенгарт Ю. И. Методические нагреватель­ные печи.М Металлургиздат, 1964. 408 с.

4. Тымчак В.Н. Гусовский В.Л. Расчет нагревательных и термических печей.

Справ. Изд. М; Металлургия, 1983, 480 с.

5. Казанцев Е.И. Промышленные печи. Изд. Металлургия, 1964.

6. Расчет нагревательных печей под. Ред. Аверин С.И., Тайц Н.Ю

60

59

3

58

4

57

5

56

6

55

7

54

8

53

9

52

10

51

11

50

12

49

13

48

14

47

15

46

16

45

17

44

18

43

19

42

20

41

21

40

22

39

23

38

24

37

25

36

26

35

27

34

28

33

29

32

30

31