Расчет камерной сушильной печи

Камерная печь.doc

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» (УрФУ)
Кафедра «Металлургия»
тема «Расчет камерной сушильной печи»
Пояснительная записка
Руководитель проекта
Задание на проектирование2
Описание конструкции и тепловой работы агрегата5
Теплотехнические расчеты
1 Полный расчет горения топлива17
2 Компоновка рабочего пространства20
3 Расчет аэродинамического и температурного режимов24
Библиографический список
В рабочем пространстве пламенных нагревательных печей протекают во взаимосвязи три процесса: горение топлива (тепловыделение) движение печных газов и теплообмен. Совокупность этих процессов называют тепловой работой печи.
При курсовом проектировании аналогом обычно служит какая-либо нагревательная печь. Имея чертеж печи и задание на проект выданное руководителем студент выполняет теплотехнические расчеты печи используя закономерности внешнего теплообмена и теорию нестационарной теплопроводности определяет температурное поле и продолжительность нагрева металла затем с помощью уравнения теплового баланса находит расход топлива необходимый для осуществления предполагаемого технологического процесса а также показатели тепловой работы печи в виде удельного расхода условного топлива в кг у.тт удельной производительности р кг(м2×ч) и КПД-h. Рассчитав эти показатели и получив результаты расчета теплового баланса студенту необходимо проанализировать распределение по статьям введенной в печь теплоты и сделать вывод относительно правильности выбора технических решений.
Печи и нагревательные установки относящиеся к основному оборудованию термических цехов можно классифицировать по технологическому назначению источнику тепловой энергии способу и степени механизации и использованию различных сред при нагреве.
По технологическому назначению печи и нагревательные установки термических цехов группируются в зависимости от операций для которых они предназначены (закалочные отпускные цементационные и т. д.).
По источнику тепловой энергии печи и нагревательные установки подразделяются на печи работающие на жидком или газообразном топливе и электрические печи.
Печи можно классифицировать по способу и степени механизации. Печи с механизацией продвижения деталей разделяются на толкательные конвейерные с вращающимся подом и т. п. Они могут иметь устройства для ручной выгрузки изделий для автоматического сброса изделий в закалочный бак и др. К печам без механизации относится большинство камерных печей.
Кроме того печи можно различать по признаку использования различных сред при нагреве изделий. Согласно этому признаку печи могут иметь в рабочем пространстве контролируемую атмосферу например можно создать в печи нейтральную (неокисляющую и необезуглероживающую) или же науглероживающую атмосферу и т. д. К этой группе относятся печи с контролируемой атмосферой вакуумные и печиванны с расплавленными солями или металлами.
К термическим печам предъявляется ряд требований. Печи должны быть компактными и иметь хорошую теплоизоляцию наружного слоя футеровки. Кладка печи должна быть заключена в металлический кожух. Температура кожуха во время работы печи не должна превышать 50— 60° С. Рабочие камеры термических печей работающих на мазуте должны быть отделены от камер сжигания топлива. Рекомендуется располагать камеры сжигания под подом печи. В этом случае под печи будет всегда горячий. Менее удобны выносные топки печей. Совмещать камеры сжигания с рабочим пространством печи можно только при использований газообразного топлива и газовых печах осуществляется наиболее полное смешение газа с воздухом в результате чего нет необходимости создавать специальные камеры сжигания. Поэтому для газовых печей допускается сжигание топлива в рабочем пространстве печей.
Высокие требования предъявляют к футеровке термических печей. Огнеупорные и теплоизоляционные материалы должны быть высокого качества. Огнеупорные кирпич и изделия должны быть плотными с наименьшим количеством пор швы между кирпичами не должны пропускать газы и продукты сгорания. Это требование герметичности кладки особенно важно для печей с контролируемой атмосферой и вакуумных. Условное обозначение материалов для футеровки печей приведенных в книге показано в приложении. Большое значение имеет также качество жаростойких и жаропрочных деталей печей.
Некоторые детали печей должны быть стойки против газовой коррозии (радиационные трубы детали рекуператоров и др.).
Каждая печь должна иметь приборы для измерения и регулирования температуры а при необходимости и записи ее и для регулирования давления газа и воздуха. Кроме того печи газовой цементации и нитроцементации должны иметь приборы для автоматического регулирования углеродного потенциала. Печи предназначенные для быстрого нагрева как например печиванны должны быть снабжены специальными автоматическими минутными часами.
К основным показателям характеристики печей относятся: габаритные размеры размеры рабочего пространства расход топлива в кгч или м3ч (для электрических печей — номинальная мощность в кет) число тепловых зон и их мощность максимальная температура в °С вес в т производительность в кгч.
Описание конструкции и тепловой работы агрегата
Для нагрева мелких и средних деталей в термических цехах при индивидуальном и серийном производстве применяют камерные печи работающие на жидком и газообразном топливе а также с применением электроэнергии. Для печей жидкое топливо используют ограниченно так как оно имеет большую вязкость. Вследствие этого мазут плохо распиливается даже в подогретом состоянии плохо смешивается с воздухом и поэтому при горении выделяется большое количество дыма. В связи с этим затрудняется автоматизация теплового режима печей и нарушаются санитарно-технические условия в цехе. В настоящее время на заводах печи работают на газообразном топливе. Жидкое топливо используется только при отсутствии газообразного топлива.
Конструкция термической камерной печи работающей на мазуте приведена на рисунке 1. Печь имеет рабочую камеру небольшого объема в которую печные газы поступают с законченным и процессом горения. Мазут сжигают в специальной топочной камере.
Рисунок 1 - Термическая камерная печь
Печь имеет площадь 04 х 05 =02 м*. Такие печи применяют для нагрева и подогрева деталей небольших размеров. Максимальная рабочая температура печи достигает 900° С. Эта печь может работать и на газообразном топливе. Иногда для удобства работы две такие печи монтируют в одном каркасе. Таким образом образуется двухкамерная печь с горизонтальным расположением камер: в одной камере осуществляется подогрев а в другой — окончательный нагрев деталей. Каждая камера имеет свою форсунку или горелку и работает независимо от другой печи.
На заводах встречаются разные печи работающие на жидком и газообразном топливе как по конструкции так и по размерам рабочего пространства и по производительности. ВНИПИ «Тепло-проект» систематизировал конструкции и типаж топливных печей. На основе данных заводов разработаны размерные ряды пламенных термических печей и введены буквенно-цифровые обозначения для печей разного назначения и с разными размерами рабочего пространства. Эти размерные ряды обеспечивают максимальное унифицирование основных узлов и деталей печей. Кроме того большое количество типоразмеров позволяет выбрать для производства наиболее подходящий тип печи и обеспечить лучшее их использование. Для обозначения печей принята следующая индексация: первая буква обозначает назначение печи (Т– термическая пламенная Н –нагревательная пламенная) вторая – конструктивную характеристику печи (А– с вращающимся подом Б – барабанные Д – с выдвижным подом Е – с подвесным конвейером И – с пульсирующим подом К– конвейерные Н –камерные периодического действия Р – рольганговые Т – толкательные Ш – круглого сечения шахтные Э – элеваторные Ю – с шагающими балками) третья среду рабочего пространства (О – окислительная 3 – искусственная защитная безокислительная и др.) четвертая — особенность печи (А – печь входит в агрегат если печь обозначена четырьмя буквами то буква А ставится на пятом месте В – вертикальное перемещение деталей К – под кольцевой – в печах с вращающимся подом М – механизированная – в печах периодического действия Н — непрерывного действия – в печах барабанных Т – под тарельчатый – в печах с вращающимся подом).
Цифры ставятся после буквенных обозначений через дефис и означают: первая группа – ширину пода в дм для печей с вращающимся подом – внешний диаметр рабочей поверхности пода; вторая группа – длину (глубину) пода печи в дм для печей с вращающимся подом – ширину рабочего пода (кольца); третья группа – высоту рабочего пространства или максимальную высоту окна загрузки в дм. Эти цифры разделяются точками и находятся в числителе а в знаменателе указывается предельная рабочая температура в сотнях градусов. Далее через черточку ставится буква обозначающая топливо: Г – природный газ М — мазут. Пример обозначения печей: ТНО–6.125.511–М – термическая камерная печь периодического действия атмосфера рабочего пространства – окислительная размеры рабочего пространства 600 X 1250 X 500 мм печь работает до температуры 11000 топливо – мазут. Эта же печь на газообразном топливе обозначается ТНО–6.125.511– Г.
Камерная печь показанная на рисунке 2 предназначена для различных видов термической обработки деталей и инструментов при единичном и мелкосерийном производстве. Для загрузки и выгрузки деталей в этих печах используют подвесные клещи на монорельсе и загрузочные машины. Воздух для горения в этих печах подогревается в рекуператоре. Если для печей используют газ среднего давления и сжигание газа производится в инжекционных горелках то воздух для горения не подогревают к рекуператор не устанавливают. Продукты горения отводятся под зонт и затем в вытяжную трубу. При работе с обычной печной атмосферой (окислительной) печи имеют максимальную температуру 1150° С и обозначаются ТНО. Иногда изготовляют печи с контролируемой атмосферой (защитной) и обозначают ТНЗ. Предельная температура нагрева в печах ТНЗ достигает 950° С.
Габаритные размеры камерных печей работающих только на газообразном топливе меньше мазутных так как в них отсутствует топочное пространство или камера сжигания обычно располагающаяся под подом печи.
Для нагрева крупных ковочных штампов и для цементации применяют камерную печь с шаровым подом 940x1510 мм (рисунок 3). Печь снабжена туннельными инжекционными горелками. На под печи уложены четыре желобковые направляющие в которых находятся шары из жаропрочной стали служащие для облегчения передвижения поддонов со штампами или цементационными ящиками. Поддоны устанавливают на шары и закатывают в печь. Производительность такой печи при цементации 25 кгч и при нагреве для закалки 150 кгч.
Электрическая печь с шаровым подом для нагрева штампов и цементации типа НШ-100 (рисунок 4) имеет размер рабочего пространства 910 X 1825 X 615 мм мощность печи достигает 100 кВт. Нагревательные элементы печи размещены на боковых стенках подвешены на своде и уложены в поду. Подовые нагреватели сверху закрыты жароупорными плитами с пазами в которых находятся желоба 2 с шарами 3 для передвижения поддонов со штампами. Поднимают и опускают дверцы вручную с помощью механизма 4 состоящего из противовесов и блоков. Печь работает с контролируемой атмосферой. Газ подводится через заднюю торцовую стенку 5. Производительность печи при закалке штампов 300 кгч. Для загрузки штампов в печь применяют толкатель 6 имеющий подъемные желоба которые опускаются на порог проема 7 печи. С помощью электродвигателя толкатель приводится в действие. В течение двух ходов толкатель задвигает поддон в печь. Выгрузка производится этим же толкателем. Толкатель передвигается по рельсам и может обслуживать несколько печей.
Камерные печи еще больших размеров предназначены для отжига и нормализации деталей. Такие печи часто конструируют с выдвижным подом. Отливки или поковки загружают так чтобы более тяжелые находились внизу а более легкие во избежание коробления сверху. Детали укладывают на под с учетом наиболее выгодной циркуляции печных газов. Под печи представляет собой футерованную выдвижную тележку на колесах с роликовыми подшипниками передвигающуюся по рельсам при помощи троса связанного с электродвигателем. Характерное отличие большинства таких печей от камерных печей рассмотренных выше конструкций заключается в том что вследствие своей конструкции топка не может быть устроена под подом и таким образом под снизу не обогревается.
Печи работают на мазуте газе и иногда с использованием электроэнергии. Сгорание топлива в этих печах происходит в рабочей камере. Для лучшего нагрева деталей форсунки или горелки располагают выше уровня пода детали нагреваются в результате лучеиспускания стенок и свода печи а также конвекции горячих газов. Нагрев садки расположенной непосредственно на поду печи отстает от нагрева ее верхних рядов.
ВНИПИ «Теплопроект» разработал типоразмеры для большого количества печей с выдвижным подом. Печи с обычной печной атмосферой типа ТДО выполняют в двух вариантах: с отводом дыма в боров и вверх. На выходе отходящих газов часто устанавливают рекуператоры для нагрева воздуха. Часть печей может выполняться для работы с искусственной контролируемой атмосферой (ТДЗ) в таких печах производится муфелирование садки. Максимальная температура нагрева изделий в печах ТДО достигает 1100° С а в печах ТДЗ 900° С.
Конструкция тупиковой печи ТДО представлена на рис. 5. Кладка печи выполнена из шамотного шамотного легковесного диатомового и красного кирпича и заключена в сварной металлический каркас. Под печи монтируют на сварной раме и футеруют шамотным нормальным и легковесным кирпичом. Рама перемещается на цепях катков а механизмы передвижения пода изготовляют с рейками цевочного типа. В некоторых случаях под устанавливают на колесах. Для выкатки пода на значительное расстояние используют механизмы с грузовой цепью. В этом случае выкатка пода производится в одну сторону но при необходимости может быть выполнена с выкаткой в обе стороны. Для подъема заслонок применяют электролебедки или гидравлические подъемники. Производительность печей с муфелированием садки с использованием контролируемой атмосферы (ТДЗ) на 20 – 25% ниже чем для печей ТДО. Во всех печах предусмотрен автоматический контроль температуры. Печи устанавливают на общий с рельсовыми путями фундамент. Механизмы выкатки пода и лебедка механизма подъема располагаются в приямках фундамента.
Для электрических печей ВНИИЭТО были также разработаны типоразмеры и введена новая индексация. Обозначение печей производится буквами и цифрами. Первая буква – вид нагрева: С обозначает нагрев сопротивлением. Вторая буква определяет конструкцию печи (обозначения те же что и для топливных печей). Дополнительными обозначениями для электрических печей являются: В – ванна и Г – колпаковая. Третья буква в индексе печи характеризует среду: А – азот В – вакуум Г – металл соли щелочи 3 – защитная контролируемая атмосфера П – пар водяной – вода С – соль (селитра) Ц – цементационный газ. Четвертая буква показывает особенности: А – агрегат Л – лабораторная. Цифры в числителе указывают размеры рабочего пространства – ширину длину высоту или диаметр в дм; для карусельных электропечей – диаметр внешний внутренний и высота в дм; в знаменателе указывается максимальная температура печи в сотнях °С. За температурой через дефис ставится обозначение вспомогательных признаков печей.
Так например СДО-35.70.3010-45 обозначает: электропечь сопротивления с выдвижным подом с окислительной атмосферой с размерами рабочего пространства 3500x7000x3000 мм максимальная температура нагрева 1000° С садка 45 т. Электропечи с выдвижным подом предназначаются для различной термообработки: низкотемпературные до 700° С для отжига стальных деталей и старения чугунного литья среднетемпературные до 1000° С и высокотемпературные до 1200° С для отжига нормализации закалки и отпуска деталей из легированной стали и сплавов. В комплект установки входят механизмы для подъема двери и передвижения подовой тележки щиты управления и приборы для автоматического регулирования температуры. Выдвижной под монтируется на колесах и имеет индивидуальный привод передвижения. В крупных печах с шириной более 3000 мм устанавливают подвесной свод. При использовании контролируемой атмосферы на под печи ставят муфель с песочным затвором. В муфель вводится взрывобезопасный газ.
Электрические печи имеют ряд преимуществ перед топливными: отсутствие дымовых газов; не требуется дымососной системы; хорошая теплоизоляция; облегченное регулирование температуры и сигнализации; лучшие возможности применения контролируемой атмосферы; хорошие санитарные условия в цехе.
К недостаткам электропечей относятся: более длительный нагрев деталей чем в газовых и мазутных печах вследствие передачи тепла главным образом излучением (циркуляция горячего воздуха или газа в печи создает конвективный теплообмен и ускоряет нагрев); необходимой заземления печей и др.; окисление деталей при нагреве если не применяется контролируемая атмосфера. Большие затраты при эксплуатация.
На машиностроительных заводах широко используются камерные электрические печи.
Существует серия камерных электропечей обозначаемых индексом СНО с металлическими нагревателями. Электропечи имеют большую производительность небольшой расход электроэнергий и больший срок службы металлических нагревателей. К недостаткам печей серии СНО относится наличие окислительной атмосферы в рабочем пространстве невозможность использования контролируемых атмосфер и ручной подъем и опускание дверей печей (за исключением печи СНО-85.17.510 где подъем и опускание дверец производится с помощью электромеханического привода).
Конструкция печи СНО-85.17.510 показана на рис. 6. Размеры пода этой печи — 850x1700 мм. Футеровка печи состоит из огнеупорного слоя ультралегковесного кирпича и изоляции. Нагрев печи производится с помощью элементов изготовленных из проволоки диаметром 7 мм сплава марки Х20Н80. Эти элементы расположены на боковых стенках своде и на поду печи. Питание элементов осуществляется от трехфазной сети через понизительный трансформатор типа ТПТ-60ВЧТ. Рабочая температура печи 1000° С регулируется автоматически. 2*19. ВНИИЭТО разработал типаж камерных электропечей с металлическими и карборундовыми нагревателями. Электропечи выпускают заводы электротермического оборудования. Этот типаж состоит из большого количества печей с различными размерами рабочего пространства. В основу разработанного типажа печей положено: увеличение мощности и производительности печей создание специализированных конструкций для разных технологических процессов и деталей внедрение форсированного нагрева уменьшение габаритов и веса печей повышение рабочих температур расширенное использование контролируемых атмосфер механизация и автоматизация загрузочных и разгрузочных операций.
Электропечи применяются для отжига нормализации и закалки стальных деталей. Преимуществом этих печей является возможность применения контролируемой атмосферы и механизация загрузки и разгрузки. Контролируемая атмосфера вводится через заднюю торцовую стенку. Кроме того в нижней части кожуха печи крепится трубопровод состоящий из двух линий: по одной подается газ по другой — воздух. Газ и воздух смешиваясь в горелке и сгорая в камере сгорания создают пламенную газовую завесу перекрывающую проем при открытой дверце. Этот типаж состоит из трех групп камерных печей с металлическими нагревателями которые подбирают в зависимости от температур нагрева (700 1000 и 1250° С). Печи с рабочей температурой до 700° С предназначены для отпуска стальных деталей а также для обработки деталей из цветных металлов и сплавов. Печи с температурой до 1000° С служат для отжига нормализации и закалки стальных деталей а печи с рабочей температурой до 1250° С предназначаются для термической обработки деталей и инструментов из быстрорежущих и других высоколегированных сталей. Эти печи имеют индекс СНЗ. На рисунке 7 показана печь СНЗ-25.5.1710 изготовляемая Чадыр-Лунгским заводом электротермического оборудования. Эта печь имеет наименьшие размеры рабочего пространства – 500Х250Х 170 мм. Кожух печи герметичен проволочные зигзагообразные нагреватели расположены на поду и боковых стенках рабочей камеры. В других печах СНЗ нагреватели уложены дополнительно на своде и дверце. Устройство для создания пламенной завесы смонтировано под дверцей. Расход защитного газа на рабочую камеру составляет 25 м3ч и на пламенную завесу 5 м 3ч (при непрерывном горении). Потребляемая мощность печи при садке 50 кг и нагреве до 850° С составляет 12 кВт.
Для более высоких температур (до 1350° С) изготовляли электрические камерные печи серии Г двух типов (Г-30 и Г-50) различающиеся между собой размерами и потребляемой мощностью. В этих печах используют карборундовые нагреватели.
Конструкция печи с карборундовыми нагревателями показана на рисунке 8. По четыре нагревателя в виде стержней с утолщенными выводными концами помещают в горизонтальном положении у свода и под подом печи состоящим из карборундовых плит. В задней стенке печи имеется отверстие для установки термопары. Эти печи снабжены трансформаторами с несколькими ступенями напряжения. По мере увеличения сопротивления карборундовых стержней (вследствие старения) повышают напряжение на зажимах трансформатора.
В настоящее время типаж печей с карборундовыми нагревателями расширен. Введено новое обозначение печей СНО. Разработано четыре типоразмера с установленной мощностью от 10 до 100 кВт. Максимальная рабочая температура 1350° С. В новых печах обеспечивается высокая стойкость нагревателей вследствие снижения удельной поверхностной мощности. Кожухи печей и выводы выполняются газонепроницаемыми для того чтобы было можно использовать контролируемую атмосферу. При открытии дверцы создается пламенная завеса.
Новые печи с карборундовыми нагревателями имеют некоторые преимущества: используется контролируемая атмосфера и деталь при нагреве не окисляется автоматическое регулирование температуры не вызывает трудностей. К недостаткам печей относятся частый выход из строя карборундовых стержней в результате хрупкости приводящей к поломке отсутствие механизированной загрузки и выгрузки деталей окисление деталей при выходе их из печи при переносе в закалочный бак.
Печи с карборундовыми нагревателями применяются для нагрева под закалку инструментов из быстрорежущих и хромистых высоколегированных сталей.
Обычно инструменты перед загрузкой в высокотемпературную печь подогревают до 850° С в другой печи. Для осуществления этих двух операций в одной печи удобна двухкамерная печь показанная на рис. 9. Нижняя камера служит для подогрева деталей до температуры 850° С верхняя — для окончательного нагрева до температуры 1300° С. Обе камеры футерованы огнеупорным кирпичом. В качестве теплоизоляции нижней камеры использована диатомитовая засыпка а верхней камеры – зонолит. Нагреватели нижней камеры 2 выполнены из сплава Х20Н80 и уложены на боковых стенках печи; в верхней камере устанавливаются карборундовые нагреватели 3. Нагреватели нижней камеры соединены непосредственно с сетью 380 в а нагреватели верхней камеры подключаются через понижающий трансформатор; Температура регулируется автоматически для этого в каждой камере установлены отдельные термопары. Размеры подогревательной камеры 330х410x180 мм мощность 9 кВт. Размеры камеры высокого нагрева 250x360x175 мм мощность 975 кВт производительность печи 25–30 кгч.
В промышленности часто возникает необходимость нагревать детали при температурах 1400–1500° С как в окислительной так и защитной атмосфере. В этих случаях используют электропечи с нагревателями из дисилицида молибдена. Наиболее устойчивы эти нагреватели в окислительных средах (воздухе кислороде водяном паре углекислоте). Для таких высоких температур нужны высокоогнеупорные материалы. Для кладки печей в этих случаях применяют силиманит шамот и диатомитовый кирпич.
Камерная электропечь типа СНО-3.45.216 с нагревателями из дисилицида молибдена для обработки различных деталей в окислительной и защитной атмосферах при температурах 1400–1600°С приведена на рис. 10. Кожух печи сварной из листовой стали верхний лист кожуха съемный. Футеровка выполнена из высокоглиноземистого шамотного и легковесного шамотного кирпича а теплоизоляция— из ультралегковесного шамотного кирпича. На печи установлен конечный выключатель который в момент открывания дверцы автоматически отключает нагревательные элементы. В печи используется двухпозиционное регулирование температуры с помощью двух термопар и двух потенциометров. Термопары установлены через свод печи. Одна из термопар подключена к регулирующему прибору а другая — к отключающему. Кроме того производится периодический контроль температуры деталей с помощью радиационных пирометров через отверстия в боковой стенке печи и дверце. Эти отверстия закрыты пробками и открываются только во время контроля температур. Нагревательные элементы печи и-образной формы.
Максимальная температура печи 1600° С а рабочая 1500° С. Напряжение питающей сети 380 – 220 в а рабочее напряжение на нагревателях 75 в. Их питание электроэнергией производится через понижающий трансформатор. Размеры рабочего пространства 300х450х200 мм габаритные размеры 1090х1320х1840 мм. Такие печи изготовляют на Артикском заводе вакуумных электропечей.
1 Полный расчет горения топлива
Состав исходного топлива:
Природный газ заполярного месторождения – 984 СН4; 007 С2Н6;
1 С3Н8; 001 СmНn; 02 СО2; 13 N2.
Найдем низшую теплоту сгорания газов:
Для расчета горения топлива примем коэффициент расхода воздуха а=115 имея в виду применение горелок типа ГНП. Воспользовавшись формулами в книге «Теплотехнические расчеты металлургических печей» под ред. А. С. Телегина или данными табл. 3.1
Теоретически необходимое количество воздуха для полного сжигания 1 м3 доменного газа по формуле (1.1) и прил. 2:
L0 =0001l1Q+ l2Wp - DL (1.1)
где DL = 005(природный газ) по таб. 24
Wp – содержание влаги в рабочем жидком топливе в весовых процентах
L0 = 0001×0264×35483 + 0 – 005 = 1071 м3м3.
Принимаем коэффициент избытка воздуха a = 115. Затем определяем действительный расход воздуха для сжигания 1 м3 природного газа (расчет сухого воздуха):
La = 115× 932 = 1071 м3м3
Разность между объемами продуктов сгорания и воздуха:
DV = V0 – L0 = S1 – 0001 S2 Q – 00124 (WP – Wгр)
где S1 S2 – коэффициенты S1 = 1; S2 =0(природный газ) по таб. 24
DV = 1 – 0 – 0 = 1 м3м3
Теплосодержание продуктов горения (энтальпия продуктов сгорания) определяем по формуле (1.8):
Содержание избыточного воздуха в продуктах горения по формуле (1.7):
VL = 100(La - L0) Va (1.7)
VL = 100(10.71 – 9.32)10.71 =1298%
По it диаграмме (приложение 3.2) при i VL=1298%
Найдем балансовую температуру горения t=1760 оС
2 Компоновка рабочего пространства
В соответствии с рис. 1.3 и рекомендацией п. 1.2 разместим формы в рабочем пространстве по ширине камеры в два ряда с промежутками
между рядами и между садкой и боковыми стенками 0375 м; по высоте – в один ряд и по длине – в девять рядов с промежутками между формами а также между последними и торцовыми стенками – 025 м. С учетом высоты платформы (092 м) на которой размещены формы высота верха садки над уровнем пола камеры и цеха составит 182 м. Примем расстояние от верха садки до свода камеры 032 м. При указанных размерах форм
и их количестве получим габаритные размеры рабочего пространства:
НS = 09+032+092=214 м
D = 2× 05+0375×3=2125 м
L = 9× 04 + 025 × 10 = 61 м.
При этом коэффициент заполнения определяемый по формуле (1.1) будет иметь значение k3 = 025. В качестве материала стен принимаем
строительный кирпич. Свод и двери с двойными стенками изготавливаем из стального листа заполняя промежуток между стенками шлаковатой или волокнистыми плитами. Таким образом в результате расчетов и конструирования формируется камерная сушильная печь изображенная на рис. 2.1.
Продукты горения топлива входят в рабочее пространство из
топок через отверстия диаметр которых определим по фор-
где b – угол раскрытия струи из горелки b = 80;
Н1– величина зазора между садкой и стенкой печи
где с – расстояние от верха садки до свода камеры с = 032 м
Определим число отверстий по длине топочной камеры
Найдем площадь поперечного сечения топки (ее длина рав-
на длине рабочего пространства печи) по (1.5):
Примем размеры поперечного сечения топки: высота – 033 м ширина –033 м.
3 Расчет аэродинамического и температурного режимов
По формуле (1.13) определим величину относительного расхода:
где r0 – радиус отверстия топки через которое топливо ходит рабочее пространство r0= d02=0065=00325 м.
Далее воспользуемся данными табл. 1.3 и рекомендациями
п. 1.3 для определения теплосодержания газов i0 выходящих из топки в рабочее пространство через жаровые каналы.
Примем температуру t0 = 700°С тогда значение полусуммы:
(t0 + t1)= 05(700+400)= 550 °С
И значение коэффициента по табл. 1.3 составит 075.
Температуре t1111 = 400° С соответствует теплосодержание газов i1=586кДжм3 а температуре t211 = 350°C – i2 =513 кДжм3. Тогда значение i0 по (1.16) составит:
где i1 i2 – температура
m – величина относительного расхода: m = 49;
k– коэффициент k = 075;
Приняв в первом приближении как рекомендовано в п. 1.3
значение удельной теплоемкости газов сv=14 кДж(м3×К)
найдем температуру газов выходящих из топок:
что отличается от выбранной ранее температуры t0 = 700°С
менее 10 %. Для того чтобы продукты горения выходили из топочной камеры с температурой 700°С необходимо топочные газы разбавить более холодными газами.
В данном примере рассматривается сушильная печь с разбавлением топочных газов атмосферным воздухом.
Приняв пирометрический коэффициент hпир = 09 определим теплосодержание топочных газов по формуле (1.10)
По (1.8) находим количество воздуха необходимое для снижения теплосодержания продуктов горения от iф до i 0 :
1.4. Расчет теплового баланса.
Расход теплоты затраченной на испарение 1 кг влаги характеризующий экономичность сушильной печи можно рассчитать зная количество топлива израсходованного на операцию сушки которое определим из теплового баланса печи.
Приход теплоты. Химическая теплота топлива согласно
где – теплота сгорания топлива
В – расход топлива неизвестная величина;
t– время работы сушильной печи t=28800 с
Расход теплоты. Для расчета баланса периодически работающей печи необходимо знать изменение температуры газовой среды в процессе сушки.
С этой целью в соответствии с рисунком 1.3 и 1.4 приведем значения температур (°С) в различных частях рабочего пространства за различные периоды работы сушильной печи
Найдем среднее значение температуры t2 за период сушки по
где n– показатель степени кривой изменения температуры отходящих газов от t2 нач до t2 1 n=07– 08
) Расход теплоты на нагревание просушиваемых материалов и
испарение влаги. В задании указаны значения влажности началь-
ной WB1 = 10 % и конечной WB2= 1 % от постоянно уменьшающейся
массы влажного материала. Рассчитаем влажность материала в про-
центах от неизменяющейся сухой массы по (1.23)
Используя (1.21) найдем температуру массы сушимого материала в конце сушки
tм2 05(t1 + t2) – 100
tм2 05(400+350) – 100 = 275 °С.
Теперь можно определить статью баланса Q1 по (1.25)
где см – удельная теплоемкость сухих материалов или изделий
свл – удельная теплоемкость водяного влаги свл=419 кДжкг;
сп – удельная теплоемкость водяного пара сп =209 кгкг;
Gм – масса сухого материала всех форм Gм =6100 кг;
)Потери теплоты с отходящими газами:
где q2 – удельное значение физической теплоты отходящих газов приходящихся на единицу топлива
Найдем по i2B = 382 кДжм3.
Тогда согласно формуле (1.28)
)Потери теплоты вследствие химического недожога. Согласно рекомендациям табл. 1.4 принимаем
Тогда по формуле (1.32)
Согласно рекомендациям табл. 1.4:
)Потери теплоты на нагрев приспособлений и теплопроводностью через стенки. Согласно заданию масса выкатной тележки составляет 500 кг. Тогда затраты теплоты на нагрев приспособлений по формуле (1.36) составят:
где спр– удельная теплоемкость материала приспособлений и теплопроводность через стенки спр =054 кДжкг;
Gпр – вес приспособлений Gпр =500 кг;
Для определения потерь теплоты теплопроводностью через стенки камеры найдем среднюю за операцию температуру внутренней
поверхности стенок рассчитав аналогично t2 (см. рис. 1.4 и фор-
Вычислим температуру наружной поверхности стенок приняв
по опытным данным плотность теплового потока q5т = 700 Втм2.
Взяв первую часть уравнения (1.34) и формулу (1.25) решим уравнение
относительно величины tCT2 подставив значение q5Т = 700 Втм2 и
В результате решения получаем ст2 = 76°С. Затем по формуле
(1.34) найдем толщину стенок камеры:
Здесь применен коэффициент запаса 08 учитывающий не-
точность формулы вследствие нестационарного теплового со-
При этом коэффициент теплопроводности для легковесного
шамотного кирпича находим в табл. прил. 4.
Примем окончательную толщину стенки в два кирпича
(2 X 0230) что с учетом швов при кладке кирпича составит
= 0470 м. При внутренней поверхности стен сушильной ка-
меры Fi = 395 м2 и наружной поверхности Fi = 46 м2 средняя
поверхность стен будет
F = 05 (395 + 46) = 428м2.
Тогда потери теплоты теплопроводностью через стенки сушильной печи согласно (1.34):
Потери теплоты через свод рассчитываем аналогично приняв
q = 700Втм2 Тсв г = Тг = 380°С Q = 76°С.
Выполним свод в виде двухслойной стенки первый слой
которой состоит из шамота легковеса а второй — из диатомитовой засыпки.
Температура на границе слоев составляет 295°С. Поэтому
для первого слоя согласно прил. 4 Xi = 0528 Вт(м-К) а для
второго слоя — 2 = 0129 Вт (м ■ К) -
Рассчитаем толщины слоев по (1.34) и получим Si =
= 0115 м S2 = 0075 м. Тогда при поверхности свода FCb =
— 289 м2 потери теплоты составят
Рассчитав при X = 0084 Вт(м-К) S = 0035 м F= 925 м2 потери теплоты через двери сушильной камеры
ф5т.дв = 0196- 10б кДж найдем общие потери теплоты теплопроводностью
Q5т.р.п = Q5т.ст + Q5т.св + Q5т.дв = (0546 + 0318 + 0196) 106 =106-106 кДж.
Тогда затраты теплоты на нагрев приспособлений и на покрытие потерь теплоты теплопроводностью составят
Q5p.n =(0410 + 106)-106 = 1470-106 кДж.
)Потери теплоты топкой. По (1.37) получим
Q5TOn =(1 —08) -В-33500-28800 = 193-106-В кДж.
)Аккумуляция теплоты стенками рабочего пространства.
Для расчета количества аккумулированной теплоты найдем сна-
чала температуры внутренней поверхности стенок. Эти температуры примем равными средним температурам газов омывающих стенки изнутри значения которых изменяются от to до ti (см. рис. 1.3 и 1.4). Следовательно средняя температура внутренней поверхности стенок в начале операции (когда перед этим камера охлаждалась воздухом с температурой rB=20°C а
затем в нее стали поступать газы с температурой t0Ha4 =
= 450°С — при температуре газов под сводом камеры гщач =
^~ст. нч = 05 [05 (20 + 450) + 200] = 217°С.
В конце периода_1 (см. рис. 1.4) ~д = 05(400 + 700) = 550°С
в конце периода II fCT-II = 05 (400 + 550) = 475°С.
Средние изменения температур внутренней поверхности стенок
будут следующими: за время t1 (см. рис. 1.5) по формуле (1.43)
за время t11 по формуле (1.44):
за время t1 +t11по формуле (1.45)
За период охлаждения тш = 25200 с или 7 ч внутренняя поверхность стенок остывает от ГпЛ1 = 475°С до Гст_ нач = 217°С при
этом среднее изменение температуры по формуле (1.46) и (1.47) составляет
ДСт. охл = 08 (475 — 217) = 206°С.
Полное изменение температуры внутренней поверхности стенки
по формуле (1.42) составит 295°С.
v Определим приведенное время нагрева и охлаждения по фор-
мулам (1.40) и (1.41) учитывая что тнагр = 28800с тохл=тт = 25200с.
т' = 2.8800 (—)2 = 23065 с т" = 25200 (—Y = 12289 с.
При средней температуре внутренней поверхности кирпичных сте-
нок за время нагрева Т. нагр = Гст. нач + Дт. нагр = 217 + 264 =
= 481°С согласно прил. 4 Х = 065 Вт(м-К) с = 960 Дж(кг-К)
р= 1300 кгм3. Материал изоляции двери имеет меньшие X и р но
зато охлаждается сильнее поэтому при расчете Q6 принимаем теплофизические свойства одинаковыми для всех ограждений печи.
Суммируя внутренние поверхности стен 395 м2 свода 2375 м2
и двери 925 м2 получим всего 725 м2. Тогда по (1.39)
Составим уравнение теплового баланса по формуле (1.17)
из которого определим расход топлива по (1.48)
В = (4.35+1470+219). 10» = q 01809 м'с
(9648 — 3098— 193— 193) -10°
Составим таблицу теплового баланса (табл. 2.1).
Основные теплотехнические показатели сушильной печи:
коэффициент полезного действия по (1.49)
расход теплоты на 1 кг испаренной влаги по (1.50)
При этом удаляется воды GBn = 666 кг (см. формулу (1.52)).
баланса показывает что в сушильной печи данной конструкции основными являются потери теплоты с отходящими газами вследствие балластирования продуктов горения воздухом подаваемым в топку для разбавления газов с целью снижения их температуры. Показатели работы печи можно улучшить если вместо воздуха использовать продукты
горения покинувшие рабочее пространство и вновь возвращенные в
топку для разбавления горячих газов т. е. применить рециркуляцию. В соответствии с рекомендациями данными в п. 1.2 проверим работоспособность топок сушильной печи с точки зрения теплового напряжения по сжигаемому топливу.
По формуле (1.6) найдем тепловое напряжение единицы объ-
ема топки. Учитывая что в данной конструкции печи две топ-
ки формула (1.6) примет вид Объем одной топки на основании предыдущих расчетов со-
Утоп = 1-Йтоп = 7-0432 = 3024 м3.
Тогда .тепловое напряжение одной топки будет
q 001809-33500 .юоо^юог.юа Втм3
что полностью соответствует рекомендации выраженной в фор-
Тепловой баланс рассчитанной методической печи
Из таблицы теплового баланса видно что наибольшее количество теплоты из печи уносят продукты горения поэтому следовало предусмотреть в проекте более высокий подогрев воздуха для горения топлива чтобы уменьшить расход последнего.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Блох А.Г. Основы теплообмена излучением – Л.; М.: Гос. энергетическое изд–во 1962. – 331 с.
Горелочные устройства промышленных печей и топок: А.А.Винтовкин М.Г.Ладыгичев В.Л.Гусовский Т.В.Калинова. Справочник – М.: Интермет инжиниринг 1999. – 559 с.
Теплотехнические расчеты металлургических печей. 3-е изд. Б.Ф.Зобнин М.Д.Казяев Б.И.Китаев и др. – М.: Металлургия 1993. – 365 с.
Современные нагревательные и термические печи: Справочник Под ред. А.Б.Усачева. – М.: Машиностроение 2001. – 656 с.
Основы теории теплогенерации Под ред. М.Д.Казяева. – Екатеринбург: УГТУ 1999. – 283 с.
Справочник конструктора печей прокатного производства. Т. 1 2 Под ред. В.М. Тымчака. – М.: Металлургия 1970. – 991 с.
Теория конструкции и расчеты металлургических печей. Т. 2. Расчеты металлургических печей. Мастерюков Б. С. – М.: Металлургия 1978. – 272 с.
Теплотехнические расчеты металлургических печей. Зобнин Б. Н. Казяев М. Д. Китаев Б. И. Лисиенко В. Г. Телегин А. С. Ярошенко Ю. Г. Учебное пособие для студентов вузов. Изд-2-е. – М. «Металлургия» 1982. – 360 с.

Камер печь.cdw