Тепловой конструкторский расчет нагревательной (термической) печи

ZAPISKA (4).doc

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Энергетический факультет
Кафедра «Промышленная теплоэнергетика и теплотехника»
по курсу «Высокотемпературные теплотехнологические установки»
«Тепловой конструкторский расчет нагревательной (термической) печи»
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
ВВЕДЕНИЕ И ОПИСАНИЕ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИИ НАГРЕВА4
РАЗРАБОТКА ТЕМПЕРАТУРНОГО ГРАФИКА6
РАСЧЁТ ТОПЛИВА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЗОНАХ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА ПЕЧИ8
РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА13
РАСЧЕТ ВРЕМЕНИ ПРЕБЫВАНИЯ САДКИ В РАБОЧЕМ ПРОСТРАНСТВЕ ПЕЧИ19
РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА ПЕЧИ23
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ЗОН РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА ПЕЧИ24
ВЫБОР ГОРЕЛОЧНЫХ УСТРОЙСТВ37
РАСЧЕТ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА39
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССОМ46
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ51
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ54
ВВЕДЕНИЕ И ОПИСАНИЕ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИИ НАГРЕВА
В данном курсовом проекте необходимо произвести конструкторский расчет термической печи под отжиг.
Термическая обработка является завершающей операцией в теплотехнологиях производства стальных и чугунных металлоизделий. К основным видам термообработки следует отнести закалку отпуск нормализованный отпуск и многие другие.
Температура нагрева под термическую обработку определяется значением tAC3 tAC1 для конкретного состава металла. Как правило температура нагрева под термообработку не превышает 850 оС что не позволяет реализовать высокие скорости нагрева и перепады температур.
Отжиг стали обусловливает (вследствие фазовой перекристаллизации) изменение зерен степени дисперсности фаз и получение равновесных структур распада аустенита. Такой вид термообработки осуществляется нагревом стальных заготовок или изделий до или выше температуры в интервале превращений (tAC1 - tAC3) продолжительной выдержкой при этой температуре (для достаточно равномерного прогрева сечения) и последующим медленным охлаждением. В результате отжига получается равновесная структура ферритно-цементитной смеси снижается твердость и вязкость.
Принята следующая классификация видов отжига:
по условия нагрева и выдержки заготовки или изделия:
по условия охлаждения:
отжиг изотермический;
по условиям воздействия внешних факторов:
светлая нормализация.
по условиям изменения структуры:
сфероидизирующий отжиг.
Полный отжиг осуществляется нагревом стали до температуры tAC3=(30-50 оС) выдержкой при этой температуре и медленным охлаждением с печью до температуры 400-600 оС. Дальнейшее охлаждение происходит вне печи на воздухе.
Печь с шагающим подом – методическая печь в которой перемещение заготовок происходит путём циклического поступательно-возвратного шагания пода.
Эти печи обладают рядом преимуществ перед толкательными печами:
заготовки не трутся о подину и друг о друга и не получают механических повреждений;
при ремонтах печь легко освобождается от заготовок;
в печи легко варьируется односторонний и трёхсторонний нагрев заготовок;
первоначально образовавшаяся окалина не осыпается и защищает заготовки от дальнейшего окисления что снижает угар стали до 1 %;
пониженный расход топлива за счёт отсутствия глиссажных труб.
Принцип работы печи следующий.
Заготовки подаются внешним рольгангом к торцу посада и заталкиваются на подину с помощью торцевого толкателя. Далее заготовки проходят по печи с помощью специального механизма шагания расположенного под подом. Весь под равномерно разделен на чётное количество неподвижных и нечётное - подвижных балок. Подсосы холодного воздуха в печь через щели между подвижными и неподвижными балками исключены за счёт использования водяных затворов.
В конце печи каждая нагретая заготовка при очередном цикле шагания попадает на склиз (лекальная наклонная плоскость) и через торец выдачи выскакивает на рольганг прокатного стана.
В данной курсовом проекте нагреву под отжиг подвергаются заготовки имеющие форму параллелепипеда с размерами 150х150х3000 мм которые изготовлены из качественной конструкционной углеродистой стали Ст40.
РАЗРАБОТКА ТЕМПЕРАТУРНОГО ГРАФИКА
Для разработки температурного графика определим является садка термически массивным или тонким телом. Для этого принимаем коэффициент теплоотдачи для атмосферы печи а коэффициент теплопроводности металла В качестве определяющего размера садки принимается половина наименьшего размера . Исходя из этого получим:
Т. к. Bi > Biкр (0625 > 05) то будем рассматривать садку как термически массивное тело. Следовательно требуется выдержка садки. Температурный график будет состоять из 2 зон: (методическая томильная).
Температурный график позволяет получать исходные сведения которые ложатся в основу расчета и выбора эксплуатационных условий. Такой график базируется на технологических данных процесса (нагрева) свойствах металла и зависит от вида тепловой обработки.
Для нагрева стали Ст 40 под отжиг температура операции составляет [1]. По условию задана температура уходящих газов и начальная температура заготовок
Температура поверхности металла в конце первой зоны будет равняться температуре операции:
Величина перегрева поверхности составит:
где - удельная неравномерность прогрева садки в сечении 2-2;
- характерный размер садки в контрольном сечении в см для симметричного нагрева.
Следовательно температура металла по поверхности в сечении 2-2:
Согласно рекомендациям [1] принимает температуры газов в сечении 1-1 и 2 зоне:
По полученным температурам строим предварительный температурный график (рисунок 1.1).
Рисунок 1.1. – Температурный график печи
РАСЧЁТ ТОПЛИВА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЗОНАХ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА ПЕЧИ
Принимаем коэффициент избытка воздуха α = 105.
Состав топлива приведен в таблице 2.1.
Таблица 2.1 – Состав топлива
Объемная доля компонента в топливе
Низшая теплота сгорания рассчитывается по формуле [4]:
riт – объёмная доля i-ого компонента.
Теоретическая температура в зонах рабочего пространства печи определяется по выражению [1]:
где Qв.о – количество тепла вносимого в рабочее пространство печи с воздухом кДжнм3:
Qт – физическое тепло холодного топлива кДжнм3:
– средняя удельная объемная изобарная теплоемкость
– действительное количество воздуха нм3нм3 [4]:
где – теоретическое количество воздуха нм3нм3 [4]:
где – объемная доля соответствующего компонента в топливе %.
– средняя удельная объемная изобарная теплоемкость воздуха-окислителя [1];
– температура подогрева воздуха - окислителя °С;
– температура топлива принимаем ;
– объемная доля i-го компонента топлива.
– средняя удельная объемная изобарная теплоемкость i-го компонента топлива кДж(нм3.°С) [1].
Находим количество тепла вносимого с воздухом [1]:
Средние удельные объемные изобарные теплоемкости данных компонентов топлива выбираем при температуре tт = 20 °С [1].
Значения объемов долей компонентов топлива и их средние удельные изобарные теплоемкости сводим в таблицу 2.2.
Таблица 2.2 – Средние удельные изобарные теплоемкости компонентов топлива
Процентное содержание riт %
Средняя удельная изобарная теплоемкость кДж(нм3.°С)
Вычислим физическое тепло топлива [1]:
Объем азота в ДГ [4]:
где – объемная доля азота в топливе %.
Объем углекислого газа в ДГ [4]:
Объем водяных паров в ДГ [4]:
где d – удельное влагосодержание принимаем d = 10 гкг.
Объем избыточного воздуха [4]:
Суммарный объем дымовых газов [4]:
Средние удельные объемные изобарные теплоемкости данных компонентов ДГ выбираем при температуре tг2 = 1050 °С [1].
Значения объемов компонентов ДГ и их средние удельные изобарные теплоемкости сводим в таблицу 2.3.
Таблица 2.3 – Средние удельные изобарные теплоемкости компонентов ДГ
Объемное содержание Vi нм3нм3
Тогда теоретическая температура равна:
Действительная температура в рабочем пространстве печи вычисляется по выражению [1]:
где – пирометрический коэффициент. Принимаем для методической печи =07 [1].
Наиболее высокая температура газов устанавливается в конце первой зоны печи. Поскольку (1538 °С > 1050 °С) то в подогреве топлива нет необходимости и температурный график не требует корректирования.
РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА
Теплообмен между поверхностью заготовки и движущимися газами в ограниченном рабочем пространстве печи – сложный физический процесс. Интенсивность и равномерность нагрева изделия определяются многими факторами: температурой дымовых газов направлением и скоростью движения газов размерами и конфигурацией рабочего пространства печи расположением изделий в печи. В данном разделе рассматриваются наиболее простые случаи лучистого теплообмена в системе кладка – греющие газы – металл. Конвективная составляющая теплового потока к поверхности металла оценивается либо в процентном отношении его к лучистой составляющей либо рассчитывается по общеизвестным критериальным уравнениям. [1]
Поскольку температура дымовых газов в самой горячей зоне печи =1050 °С а толщина излучающего слоя печи (высота) более 1 м то конвективный коэффициент теплоотдачи принимаем равным:
% от лучистого коэффициента теплоотдачи в первой зоне;
% от лучистого коэффициента теплоотдачи во второй зоне;
Для примера засчитаем первую зону печи.
Степень развития кладки [1]:
где – площадь излучающей поверхности кладки в первой зоне м2;
– лучевоспринимающая поверхность металла м2.
Найдем площадь поверхности кладки:
где – площадь стенок в первой зоне м2;
– площадь свода в первой зоне м2;
– площадь торца загрузки в первой зоне м2;
– площадь пода в первой зоне принимаем равное 0 так как садка плотная м2.
По разрезу печи принимаем размеры первой зоны (из чертежа):
Длину печи во всех зонах принимаем равной
Лучевоспринимающая поверхность металла [1]:
где – количество заготовок расположенных в зоне печи;
– длина одной заготовки м;
– ширина одной заготовки м.
Принимаем количество заготовок n = 12.
Поскольку длина печи во всех зонах равна то площадь металла будет одинакова и составит:
Тогда определим степень развития кладки в первой зоне:
Эффективная длина луча [1]:
где – излучающий объем первой зоны печи м3;
– площадь внутренней поверхности обмуровки первой зоны печи м2.
Находим излучающий объем [1]:
Вычислим площадь внутренней поверхности обмуровки [1]:
Тогда эффективная длина луча в первой зоне:
Рассчитываем парциальные давления излучающих газов (углекислого газа СО2 и водяных паров Н2О) [1]:
где В – барометрическое давление Па.
Парциальные давления излучающего газа CO2 и H2O по зонам меняться не будут.
Находим произведение парциальных давлений излучающих газов на эффективную длину луча [1]:
Вычисляем среднюю температуру газов в первой зоне печи [1]:
По полученным значениям средней температуры газов и произведениям соответствующих парциальных давлений излучающих газов на эффективную длину луча с помощью номограмм получаем следующие значения степеней черноты и поправки на парциальное давление водяных паров [1].
Находим степень черноты излучающих дымовых газов [1]:
Степень черноты поверхности заготовки для первой зоны принимаем равной [1]:
Поскольку коэффициент самооблучения и в дымовых газах присутствуют углекислый газ СО2 и водяные пары Н2О (случай серого тела) то приведенная степень черноты будем находить по формуле [1]:
Определяем приведенный коэффициент излучения [1]:
Вычисляем среднюю температуру поверхности металла в первой зоне [1]:
Лучистый коэффициент теплоотдачи составляет [1]:
Тогда конвективная составляющая теплоотдачи равна 10% от лучистого коэффициента теплопередачи [1]:
Эффективный коэффициент теплоотдачи составляет [1]:
По выше перечисленной методике рассчитываем оставшуюся зону печи. Полученные значения расчета оставшейся зоны печи сведем в таблицу 3.1.
Таблица 3.1 – Расчет теплообмена второй зоны
Площадь стенок (Fст2)
Площадь поверхности торца выгрузки (Fтз2)
Площадь поверхности кладки (Fкл2)
Лучевоспринимающая поверхность металла (Fм)
Степень развития кладки (2)
Излучающий объем (Vизл2)
Окончание таблицы 3.1
Площадь внутренней поверхности обмуровки (Fизл2)
Эффективная длина луча (lэфф2)
Барометрическое давление (B)
Парциальное давление CO2 (pco2)
Парциальное давление H2O (pH2O)
Средняя температура газов (tг2)
Степень черноты CO2 (2CO2)
Степень черноты H2O (2H2O)
Поправка на парциальное давление водяных паров (2)
Степень черноты излучающих дымовых газов (г2)
Степень черноты поверхности заготовки (м2)
Коэффициент самооблучения (φм.м)
Приведенная степень черноты (п2)
Коэффициент излучения абсолютно черного тела (c0)
Приведенный коэффициент излучения (сп2)
Средняя температура поверхности металла (tм2п)
Лучистый коэффициент теплоотдачи (αл2)
Конвективный коэффициент теплоотдачи (αк2)
Эффективный коэффициент теплоотдачи (αэфф2)
РАСЧЕТ ВРЕМЕНИ ПРЕБЫВАНИЯ САДКИ В РАБОЧЕМ ПРОСТРАНСТВЕ ПЕЧИ
Интенсивность нагрева материала в печи во многом определяет качество и экономичность тепловой обработки. Поэтому наряду с правильным выбором расчетных параметров важно произвести оценку длительности пребывания материала в зонах печи [1]. Принимаем симметричный нагрев. Расчет выполняется для каждой зоны в отдельности.
Определяем время пребывания садки в первой зоне рабочего пространства печи. Безразмерные температуры для поверхности и центра садки соответственно равны [1]:
Число Био находим по формуле[1]:
где – характерный размер садки при симметричном нагреве.
где – площадь сечения заготовки м2;
– периметр сечения заготовки м;
– коэффициент теплопроводности стали Ст40 в первой зоне [1] .
В соответствие с полученными значениями критерия Био и безразмерной температуры поверхности металла с помощью номограммы для поверхности цилиндра находим критерий Фурье [1]:
Теперь зная критерий Фурье определим время нагрева садки в первой зоне:
где – коэффициент температуропроводности стали Ст40 при средней температуре поверхности металла [1].
По известным значениям критериев Био и Фурье находим безразмерную температуру центра металла в первой зоне по номограмме для центра цилиндра [1]:
И уже с помощью безразмерной температуры для центра металла находим действительную температуру:
Безразмерные температуры для поверхности садки во второй зоне равна:
Определяем критерий Био:
где – коэффициент теплопроводности Ст40 во второй зоне [1] .
По полученным значениям критерия Био и безразмерной температуры поверхности металла с помощью номограммы для поверхности цилиндра находим критерий Фурье [1]:
Теперь зная критерий Фурье определим время нагрева садки во второй зоне:
где – коэффициент температуропроводности стали Ст40 при средней температуре поверхности металла [1] .
Общее время нагрева садки в печи:
При расчёте времени нагрева садки в печи тело рассматривалось как массивное классическое. Общее время нагрева составило 0953 часа при этом большую часть времени занимает основная зона нагрева а на зону выдержки приходится лишь 0009 ч. После определения температур центра металла в сечениях 1–1 2–2 уточняем температурный график (рисунок 4.1).
Рисунок 4.1 – Уточненный температурный график
РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА ПЕЧИ
Длину каждой зоны печи находим из материального баланса:
где P – производительность печи кгч;
– время пребывания садки в
– число заготовок в одном ряду расположенных в
hм – высота одной заготовки м;
– плотность садки в i–ой зоне [1] кгм3.
Определим средние температуры металла в зонах:
Значения плотностей металла для каждой зоны [1]:
Тогда длины зон печи равны:
Общая длина рабочего пространства печи составляет:
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ЗОН РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА ПЕЧИ
Целями составления теплового баланса высокотемпературной теплотехнологической установки является: определение расхода топлива необходимого для нагрева садки в печи выяснение влияния различных статей баланса на удельный расход тепла а также разработка мероприятий по снижению расходных статей баланса. Составляется тепловой баланс для каждой зоны печи в отдельности.
Поскольку печь непрерывного действия то тепловой баланс составляется на один час от всей работы печи.
Уравнение теплового баланса высокотемпературной тепло технологической установки [1]:
где – коэффициент использования топлива в
– теплота сгорания топлива кДжкг;
– теплота необходимая для нагрева садки в
5 – коэффициент неучтённых потерь;
– потери соответствующие
– потери через ограждающие конструкции
- теплота вносимая в зону печи в результате окисления металла кДжч. Для термической печи равна 0 т.к. низкая температура операции;
– потери с продуктами сгорания в
– теплопотери излучением через открытые отверстия i-ой зоны печи кДжч.
Коэффициент использования топлива определяется по следующей формуле [1]:
где – энтальпия дымовых газов:
– энтальпия подогретого воздуха-окислителя.
где – удельная объемная изобарная теплоемкость воздуха-окислителя;
– температура подогретого воздуха-окислителя;
– энтальпия дымовых газов покидающих i-ю зону.
Полезно использованную теплоту необходимую для нагрева садки в i-той зоне печи определяем по формуле [1]:
где – средние по сечению температуры металла на выходе и входе в
– средняя весовая изобарная теплоемкость металла в интервале температур соответственно.
Потери через ограждающие конструкции печи определяем по формуле [1]:
где – площадь поверхности кладки м2;
– тепловой поток Втм2;
– температура поверхности футеровочного слоя °C;
– толщина соответствующего слоя обмуровки м;
– коэффициент теплопроводности соответствующего слоя обмуровки Втм*К;
Теплопотери в результате излучения через открытые отверстия печи определяем по формуле [1]:
где – площадь излучающего отверстия (находится из чертежа печи);
– коэффициент учитывающий время открытия окна загрузкивыгрузки (учитывается в зонах где имеется окно загрузкивыгрузки);
– коэффициент диафрагмирования отверстия или окна через которое происходит излучение [1];
– температуры излучающих газов в рассмотренной зоне печи и температура окружающей среды
Потери с продуктами сгорания выбивающимися через открывающиеся окна загрузки и выгрузки в i-ой зоне печи определяем по формуле [1]:
где – энтальпия газов покидающих печь кДжм3;
– количество продуктов сгорания топлива выбивающихся из печи м3с.
где – расстояние от уровня пода печи до оси окна загрузки м;
– ускорение свободного падения ;
– плотность окружающего воздуха;
– плотность продуктов сгорания;
Для примера расчитаем первую зону печи.
Тепловой баланс для первой зоны печи можно записать по формуле (6.1).
Энтальпию дымовых газов вычислим по формуле (6.4).
Энтальпию подогретого воздуха-окислителя вычислим по формуле (6.5).
Энтальпию дымовых газов покидающих первую зону печи вычислим по формуле (6.6).
Следовательно теперь можно вычислить коэффициент использования топлива для первой зоны печи по формуле (6.3).
Полезно использованную теплоту необходимую для нагрева садки в первой зоне печи определяем по формуле (6.7).
Далее определяем потери через ограждающие конструкции в первой зоне печи. Для этого вычислим теплопотери через стенки торец загрузки и свод по формуле (6.8). В качестве огнеупорного материала принимаем шамотный кирпич ШЛ-13 а в качестве теплоизоляции –диатомитовый кирпич Д-500 [6]. Толщина огнеупорного слоя м толщина теплоизоляционного слоя м.
Температуру кладки найдём по следующей формуле:
Принимаем температуру наружной стенки tст = 45 оС.
Средняя температура кладки и наружной стенки:
Средняя температура изоляции и наружной стенки:
В первом приближении среднюю температуру огнеупорного слоя принимаем равной 4515 0С а среднюю температуру теплоизоляции равной
825 0С. Тогда при этих температурах найдём коэффициенты теплопроводности.
Для огнеупорного слоя [6 Приложение 2];
Для слоя теплоизоляции [6 Приложение 2]
Рисунок 6.1 - Схема теплопроводности через ограждающую конструкцию состоящую из двух слоев (огнеупор и теплоизоляция)
Поток теплоты через стенки в первой зоне:
При условии того что тепловой поток через все слои будет постоянен можем записать выражения для каждого слоя в отдельности:
Следовательно можно выразить из этих формул и .
Средняя температура слоев:
Теперь уточняем коэффициенты теплопроводности подставляя в них уже найденные выше средние температуры по формулам 6.18 и 6.19.
Для огнеупорного слоя
Для слоя теплоизоляции
Пересчитываем при новых значениях коэффициентов теплопроводности:
Определим невязку тепловых потоков:
Невязка составляет выше 5% следовательно нужно производить второе приближение.
Принимаем qст(1)’ = qст(2) = 63728 Втм2.
Следовательно можно выразить новые и .
Теперь уточняем коэффициенты теплопроводности подставляя в них уже найденные выше средние температуры.
Для огнеупорного слоя [6]
Для слоя теплоизоляции [6]
Невязка составляет ниже 5% следовательно расчёт окончен.
В качестве огнеупорного материала принимаем шамотный кирпич ШЛ-13 а в качестве теплоизоляции –диатомитовый кирпич Д-500 [6]. Толщина огнеупорного слоя м толщина теплоизоляционного слоя м. для всех ограждающих конструкций всех зон печи.
Тогда qсв=qтз= qст(2)’= 63728 Втм2 для свода и торца загрузки.
Теплопотери через стенки составляют:
Теплопотери через свод составляют:
Теплопотери через торец загрузки составляют:
Теплопотери через под равны 0 так как садка плотная.
Потери через ограждающие конструкции печи составят:
Площадь излучающего отверстия для первой зоны равна:
где h – высота окна загрузки (берется из чертежа) м;
а – высота заготовки м;
b – ширина окна загрузки (берется из чертежа) м;
Теплопотери в результате излучения через открытые отверстия печи определим по формуле (6.11).
где a = 02 – т.к. имеется заслонка на окне загрузки;
= 072 – коэффициент диафрагмирования отверстия или окна через которое происходит излучение [1];
Сп = 346 - приведенный коэффициент излучения для первой зоны.
Количество продуктов сгорания топлива выбивающихся из первой зоны печи найдём по формуле (6.12).
Далее можно найти потери с продуктами сгорания выбивающимися через открывающееся окно загрузки в первой зоне печи по формуле (6.12).
Выразим из формулы (6.1) расход топлива для первой зоны:
По выше перечисленной методике рассчитываем оставшуюся зону печи. Полученные значения расчета оставшейся зоны печи сведем в таблицу 6.1.
Таблица 6.1 – Расчет теплового баланса второй зоны печи
Энтальпия дымовых газов (iг)
Энтальпия подогретого воздуха (iв)
Теплоемкость газов покидающих зону (cpух.г2)
Энтальпия дымовых газов покидающих зону (iух.г2)
Коэффициент использования топлива (и.т.2)
Продолжение таблицы 6.1
Средняя температура металла на входе в зону (tм вх)
Средняя температура металла на выходе из зоны (tм вых)
Средняя теплоемкость металла в зоне (cpм ср2)
Полезно используемая теплота необходимая для нагрева садки (Qпол2)
Температура кладки (Tкл2)
Средняя температура кладки и внешней стенки (t1)
Средняя температура слоя изоляции и внешней стенки (t2)
Коэффициент теплопроводности слоя огнеупора стен (λ1)
Коэффициент теплопроводности слоя теплоизоляции стен (λ2)
Толщина огнеупорного слоя стен (1)
Толщина теплоизоляционного слоя стен (2)
Удельный поток теплоты через стенки (q2ст)
Температура наружной поверхности огнеупора стен (t1)
Температура наружной поверхности теплоизоляции стен (t2)
Средняя температура огнеупора стен (t1)
Средняя температура теплоизоляции стен (t2)
Уточненный коэффициент теплопроводности слоя огнеупора стен (λ1)
Уточненный коэффициент теплопроводности слоя теплоизоляции стен (λ2)
Уточненный удельный поток теплоты через стенки (q2ст)
Невязка тепловых потоков ()
Новая температура наружной поверхности огнеупора стен (t1)
Новая температура наружной поверхности теплоизоляции стен (t2)
Уточненный удельный поток теплоты через стенки (q2ст’)
Теплопотери через стенки (Qок2ст)
Теплопотери через свод (Qок2св)
Теплопотери через торец выгрузки (Qок2тв)
Потери через ограждающие конструкции (Qок2)
Высота окна выгрузки (h)
Ширина окна выгрузки (b)
Площадь излучающего отверстия (F)
Коэффициент учитывающий время открытие окна (ai)
Коэффициент диафрагмирования отверстия или окна (i)
Теплопотери через открытые отверстия печи (Qизл2)
Плотность окружающего воздуха (ρ в.о.)
Окончание таблицы 6.1
Плотность окружающего воздуха(ρ дг.)
Количество продуктов горения выбивающееся из зоны (Wг)
Потери теплоты с продуктами сгорания выбивающимися через открывающееся окно загрузки (Qг2)
ВЫБОР ГОРЕЛОЧНЫХ УСТРОЙСТВ
Тип принимаемых к установке горелочных устройств в основном зависит от способа сжигания топлива характера обогрева заготовок схемы теплообмена в рабочей камере печи гидромеханики рабочего пространства а также единичной производительности горелки.
Число горелочных устройств устанавливаемых в зоне печи определяется в соответствии с расходом топлива. Наиболее важными критериями при выборе количества горелок являются равномерный обогрев рабочего пространства печи а также поддержание по ее длине заданного распределения температур согласно температурному графику.
Согласно заданию в печи устанавливаются блочные горелки. Для всей печи выбираются горелки одного вида а для температурной зоны – одного типоразмера.
Мощность одной горелки в i–ой зоне:
где – количество горелок в i-ой зоне.
– расход топлива в i-ой зоне.
Принимаем 14 горелок в 1-ой зоне.
Мощность одной горелки:
Принимаем блочную горелку MG31 455-1310kW.
Принимаем 2 горелки во 2-ой зоне.
Принимаем блочную горелку MG32 530-2100kW.
Рисунок 7.1 – Технические характеристики горелок типа MG
Рисунок 7.1 – Конструктивные размеры горелок типа MG
РАСЧЕТ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА
В высокотемпературных установках внутреннее теплоиспользование реализуется чаще всего путем установки на дымовом тракте рекуператора – устройства для регенеративного теплоиспользования тепловых отходов промышленной печи. Рекуператоры применяются для подогрева воздуха-окислителя реже – газообразного топлива.
В данном курсовом проекте для подогрева воздуха-окислителя используется петлевой трубчатый рекуператор. Трубчатые рекуператоры обладают в 15-2 раза меньшей (по сравнению с игольчатыми) металлоемкостью. В силу своей высокой газоплотности трубчатый рекуператор может использоваться как для подогрева воздуха так и топлива[1].
Номинальный расход топлива = 031 м3с.
В первом приближении задаемся скоростями теплоносителей [1]:
скорость воздуха = 15 мс;
скорость дымовых газов = 5 мс.
Определяем расход теплоносителей [1]:
где n – доля перетока. Для петлевого рекуператора n = 0 [1].
Предварительно задаемся температурой уходящих газов на выходе из рекуператора
Вычисляем среднюю температуру дымовых газов:
Определяем среднюю температуру воздуха:
Находим водяные эквиваленты теплоносителей [1]:
Вычисляем температуру дымовых газов на выходе из рекуператора [1]:
где – коэффициент удержания теплоты. = 085 095 [1];
Схема движения теплоносителей в петлевом рекуператоре
представлена на рисунке 8.1.
Рисунок 8.1. – Схема движения теплоносителей в петлевом рекуператоре
Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к наружной поверхности трубы.
Эффективная длина луча равна [1]:
где поправка на коэффициент избытка воздуха [1];
эквивалентный диаметр [1];
Парциальные давления излучающих газов (углекислого газа СО2 и водяных паров Н2О) в методической зоне:
Находим произведения парциальных давлений излучающих газов на эффективную длину луча [1]:
Вычисляем среднюю абсолютную температуру дымовых газов [1]:
По полученным значениям средней температуры газов и произведениям соответствующих парциальных давлений излучающих газов на эффективную длину луча с помощью номограмм получаем следующие значения степеней черноты и поправки на парциальное давление водяных паров [1]:
Вычисляем среднюю абсолютную температуру стенки рекуператора:
Лучистая составляющая коэффициента теплоотдачи от ДГ. к стенке рекуператора:
Конвективный коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к наружной поверхности трубки рекуператора [1]:
где – коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном обтекании гладкотрубного пучка с коридорным расположением [1]
– поправка на число рядов труб по ходу газа [1] ;
– поправка на температуру [1]
Эффективный коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке рекуператора составляет:
Вычислим действительные скорости воздуха и уходящих газов в рекуператоре по формуле:
Определим режим течения в трубах и вычислим число Рейнольдса при течении воздуха в гладких трубах:
где – кинематическая вязкость воздуха [5]
Следовательно режим течения турбулентный.
Воспользуемся формулой Михеева М.А. описывающей среднюю теплоотдачу в гладких трубах:
где Pr – критерий Прандтля [5] Pr=0689;
Тогда коэффициент теплоотдачи от стенки трубы рекуператора к нагреваемому воздуху определим из критерия Нуссельта:
где λ – коэффициент теплопроводности [5] λ =0031
Эффективный коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху составляет:
Коэффициент теплоотдачи между теплоносителями [1]:
Вычисляем безразмерную температуру воздуха–окислителя [1]:
Находим значение выражения [1]:
По полученным значениям безразмерной температуры воздуха и отношения водяных эквивалентов определяем параметр H [1].
Площадь поверхности теплообмена:
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССОМ
1Регулирование температуры теплового агрегата
Металлы и сплавы перед обработкой давлением нагреваются до определенной температуры для повышения их пластичности и уменьшения сопротивления деформации. Нагрев заготовок в прокатныхцехах металлургических предприятий осуществляется в основном в методических пламенных печах. Система управления и регулирования режимом нагрева заготовок оказывает существенное влияние в конечном итоге на качество проката. Автоматическое регулирование в нагревательных печах можно проводить путем частичной или полной автоматизации управления тепловыми процессами. Наиболее распространенными в системах автоматизации печей являются узлы регулирования температуры горения топлива т.е. соотношения топливо - воздух; давления в печи расхода и давления газа. Автоматическое регулирование температурного режима как правило является основной задачей системы автоматикинагревательных печей. В качестве регуляторов температуры используются самые разнообразные модификации регулирующих устройств: электрические (наиболее распространенные) пневматические гидравлические и др. Принципиальная схема регулирования температуры в рабочем пространстве пламенной печи приведена на рисунке 9.1
Рисунок 9.1 - Принципиальная схема регулирования температуры в печи
Температура в печи измеряется термопарой или пирометром 1 в комплекте с автоматическим показывающем и регистрирующим потенциометром 9. В потенциометре предусмотрен задатчик ЗД при помощи которого формируется электрический сигнал соответствующей фазы при отклонении температуры от задания в ту или иную сторону. Этот сигнал небаланса поступает на вход электрического регулятора непрерывного действия 8. Регулятор управляет исполнительным механизмом 4 который перемещает регулирующий орган (заслонку) 2 установленный на подводе топлива в печь. При отклонении температуры выше задания регулятор через исполнительный механизм и регулирующий орган уменьшает расход топлива а при отклонении температуры вниз от задания - увеличивает. От вида и размеров регулирующего органа зависит крутящий момент который должен развивать исполнительный механизм. Применение исполнительных механизмов повышенной мощности требует введения в схему регулирования блока усиления3. Для контроля положения вала исполнительного механизма и следовательно положения регулирующего органа служит дистанционный указатель положения 7. Сигнальный контакт СК потенциометра и лампа 10 сигнализируют о разрыве цепи термопары. Для перехода от ручного управления исполнительным механизмом к автоматическому и обратно для дистанционного ручного управления служат универсальные ключи 5 и 6.
2Автоматическое регулирование соотношения топливо – воздух
Автоматическое регулирование соотношения расходов топлива и воздуха подаваемых в печь обеспечивает необходимые условия сжигания топлива. Эти условия могут быть различны для печей того или иного назначения но в целом их можно сформулировать следующим образом:
топливо должно сжигаться экономично;
сжигание топлива должно быть организовано так чтобы в печи сохранились наилучшие условия теплообмена факела с металлом и футеровкой;
сжигание топлива должно быть организовано так чтобы в печи поддерживалась газовая атмосфера определенного состава.
В зависимости от типа печи перед системой автоматического регулирования ставится задача выполнения одного из перечисленных требований или определенной их совокупности. Численно соотношение
топливо - воздух определяется коэффициентом расхода воздуха. Схема узла автоматической стабилизации значения α с применением электрической аппаратуры показана на рисунок 9.2.
Рисунок 9.2 - Схема регулирования соотношения топливо-воздух
Расходы топлива (газа) измеряются диафрагмами 1 и 2 перепады давлений с которых поступают на дифманометры 11 и 13. С выходных электрических дифманометров сигналы подаются на вторичные показывающие и регистрирующие приборы 10 и 12 и на электрический регулятор 9. Задание на регулирование устанавливается дистанционным задатчиком 8. С выхода регулятора управляющий сигнал через управляющие ключи 6 и 7 поступает на исполнительный механизм 4 вал которого соединен с валом регулирующего клапана 3 на воздуховоде. Значение α определяется соотношением величин сигналов поступающих на регулятор с выходных электрических датчиков дифманометров – расходомеров. При отклонении этого соотношения от заданного соотношения расходов газа и воздуха регулятор через исполнительный механизм и регулирующий орган выполняет соответствующие изменения расхода воздуха. С помощью универсальных ключей 6 и 7 осуществляется переход с управления вручную на автоматическое и дистанционное ручное управление исполнительным механизмом. В систему также включен дистанционный указатель 5 положения вала исполнительного механизма и регулирующего органа. В рассмотренной схеме топливо является ведущим потоком а воздух ведомым. Расход топлива не зависит от функционирования системы регулирования соотношения регулятор может изменять лишь расход воздуха. Помимо таких простых схем построения регулирования. В системах автоматики печей встречаются и обратные т.е. схемы в которых ведущим потоком является воздух а ведомым регулируемое топливо.
3Автоматическое регулирование давления в печи
Режим давления в рабочем пространстве печи во многом определяет качество нагрева и экономичность работы теплового агрегата. Системами регулирования давления должны быть оснащены как негерметичные так и герметичные печи для термической обработки прокатной продукции. Наиболее распространенным для негерметичных пламенных печей является такой режим при котором на уровне пода поддерживается нулевое давление и наблюдается сбое выбивание газов в связи с ростом геометрического напора на высоте рабочего пространства. Для мартеновских печей у которых подина волнообразной формы нулевое давление должно поддерживаться на уровне порогов завалочных окон. В термических печах с защитными специальными атмосферами в которых происходит безокислительная и термохимическая обработка металла давление должно поддерживаться таким чтобы свести к минимуму потери через затворы и уплотнения газов заполняющих печь и исключить подсос воздуха. Абсолютные значения давления невелики и составляют в среднем 40-100нм2 или 4-10 мм в.ст. Продукты сгорания из рабочего пространства печи 22 (рисунок 10.3) через рекуператор 21 и дымопроводы удаляются при помощи разрежения создаваемого эксгаустером (вентилятором-дымососом) 7 или дымовой трубой 8.
Рисунок 9.3 - Схема регулирования давления в тепловом агрегате
При нормальной работе агрегата продукты сгорания транспортируются через котел-утилизатор 3 при закрытом дымовом клапане 10. При остановке котла-дымососа на ремонт и чистку продукты сгорания удаляются при закрытом клапане 4. Перемещение клапана осуществляется электроприводом 2 с дистанционным управлением из помещений автоматики оператора. Измерение давления в печи осуществляется отборным устройством 1 через свод печи. Импульсная и компенсационная линии подведен к дифманометру 20 сигналы с электрических датчиков которого поступают на регистрирующий прибор 19 и электрический регулятор 17 с задатчиком 18. Управляющий сигнал регулятора через ключи 13 и 14 служащие для перевода системы с управления вручную на автоматическое и обратно блок управления 12 и ключ 11 подается к исполнительным механизмам 9 и 5 приводов регулирующих органов (при работе эксгаустера регулирующим органом являются жалюзи 6 а при отключенном котле-утилизаторе - дымовой шибер 10). Ключ 11 служит для подключения регулятора к приводу 9 или 5 в зависимости от режима работы агрегата. У дымопроводов промышленных печей предусмотрены большие проходные сечения и в них установлены регулирующие органы требующие значительных перестановочных усилий. Поэтому в электрических схемах регулирования применяются достаточно мощные исполнительные механизмы комплектуемые усилителями командных сигналов 12. Положение шибера 9 и жалюзей контролируется при помощи дистанционных указателей 15 и 16 расположенных на щите автоматики печи. При отклонении давления в печи от заданного уровня или при изменении задания вручную задатчиком 18 на вход регулятора 17 подается сигнал небаланса. Регулятор формирует управляющее воздействие которое через исполнительные механизмы 9 или 5 перемещает регулирующие органы 6 или 10 изменяя тем самым разрежение в дымоходе и следовательно давление в печи устраняя возникшее отклонение.
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ
Определим удельный расход топлива на нагрев 1 кг садки для каждой зоны печи:
Степень рекуперации:
Экономия теплоты топлива за счет использования рекуператора:
Топливный эквивалент подогрева:
Снижение расхода топлива за счет использования рекуператора:
Основной характеристикой печи является его технический КПД который находится по формуле:
Фактический технологический КПД который находится по формуле:
Результаты расчета показателей характеризующих экономичность работы печи по каждой зоне сведем в таблицу 10.1.
Таблица 10.1. – Технико–экономические показатели работы печи
Расход топлива Вi м3ч
Производительность P тч
Удельный расход топлива на нагрев 1 кг садки bi м3кг
Коэффициент использования топлива и.тi
Степень рекуперации p
Экономия теплоты топлива за счет использования рекуператора Э
Топливный эквивалент подогрева Эпод
Снижение расхода топлива за счет использования рекуператора ΔВ м3ч
Время пребывания садки в рабочем пространстве i ч
Технологический КПД техн %
Фактический технический КПД ф %
Цель данного курсового проекта состояла в тепловом конструкторском расчете толкательной методической нагревательной печи под прокатку. В связи с конструктивными особенностями заготовок нагрев осуществлялся по трехзонному графику. Лучистый теплообмен в рабочей камере значительно преобладал над конвективным из-за большой толщины излучающего слоя и высокой температуры в пространстве печи. Во всех трех зонах значения эффективных коэффициентов теплоотдачи укладываются в допустимые пределы для соответствующих зон и составляют:
αэфф1 = 1319 Вт(м2.К) αэфф2 = 28896 Вт(м2.К).
Время нахождения заготовок в зонах печи составляет:
Время нахождения заготовок в зонах печи влияет на расчетную длину каждой из зон печи.
Согласно расчету: L1 = 3622 м L2 = 035 м L = 3657 м.
В результате выполнения теплового баланса был определен необходимый расход топлива для нагрева садки.
Расходы топлива по зонам и суммарный расход составили:
B1 = 816 м3ч B2 = 293 м3ч B = 1109 м3ч
На основании необходимого расхода топлива были выбраны горелочные устройства для обогрева рабочей камеры: для первой зоны – 14 горелок MG31 455-1310kW для второй зоны – 2 горелок MG32 530-2100kW.
Для подогрева воздуха-окислителя расчетная площадь теплообмена составила F=49 м2.
Для автоматического регулирования в каждой зоне установлены 3 блока: блок регулирования температуры теплового агрегата блок соотношения «топливо – воздух» блок регулирования давления в печи.
Технический КПД печи составил 442 %. Фактический технический КПД составил 4858%. Экономия теплоты топлива за счет использования рекуператора – 007 топливный эквивалент подогрева –129 снижение расхода топлива за счет использования рекуператора составил 1001 м3ч.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Несенчук А.П. Тепловые расчеты пламенных печей для нагрева и термообработки металла А.П. Несенчук Н.П. Жмакин. – Минск: Высшая школа 1974. – 288 с.
Богданович И. А. Теплоэнергетические установки: учебно-методическое пособие для студентов инженерных специальностей И. А. Богданович - Барановичи: РИО БарГУ 2010. – 93 с.
Попов А.Г. Тепловое ограждение нагревательных и термических печей: учебное пособие А.Г. Попов. – Ульяновск: УлГТУ 2006. – 31с.

Termicheskaya_pech_s_shagayuschim_podom1_ispr.dwg

КП-1060511218-ДО-2016
Продольный разрез методической толкательной печи
Тепловой конструкторский расчет нагревательной печи
КП - 1060521710 - ДО - 2021
Продольный разрез печи с шагающим подом
Тепловой конструкторский расчет термической печи
Операция - нагрев под отжиг; Производительность - 40 тч; Температура операции - 820 °С; Топливо - природный газ; Теплота сгорания топлива - 35647 кДжм3; Размеры нагреваемых заготовок - 150
Рекуператор - металлический петлевой; Температура подогрева воздуха - 150 °С; Количество температурных зон - 2; Количество отсеков горения - 2;
Технические характеристики печи

Termicheskaya_pech_s_shagayuschim_podom2_ispr.dwg

КП-106512.010-ДО-2015
Ось рольганда выдачи
Ось рольганда загрузки
КП - 1060521710 - ДО - 2021
Поперечный разрез печи с шагающим подом
Тепловой конструкторский расчет термической печи