Расчёт камерной печи для термообработки (часть курсовой)

2.5.Расчет времени нагрева металла с учетом требуемой производительности печиРасчетная толщина нагреваемых изделий[3,4]:Sрасч = β · dпод ,м, где:- β==0,785 – коэффициент, учитывающий форму изделия; - dпод =0,20м – высота поддона с изделиями.Принимается значение Sрасч =0,2м (равное диаметру заготовок).Критерий массивности нагреваемых изделий:Bi== 1,75(– средний коэффициент теплопроводности металла);-λмн. ср =21,1и λмк.ср =25,8, Вт/(м∙°К) – коэффициенты теплопроводности нагреваемого металла (для стали 45Л – см. исходные данные) при начальной и конечной средней по массе температуре изделия,определяемые графическим путем при осреднении и экстраполяции табличных значений λ=λ(t℃), см. [4], Приложение 11. Расчет времени нагрева ведется по методике для «массивных» изделий[3]. Температурный критерий поверхности: =0,034, где:tмпов.к.=tмк=1100℃;tмн.ср.=tмн =20℃.Требуемое время нагрева заготовки для обеспечения заданных темпера-турных режимов: =4,88час. где Fо=2,8– критерий Фурье, определяемый графическими зависимостями Будрина по вычисленным значениям Bi=1,75 и θ=0,034; a =3,6∙λмср/(сt∙ρ) =0,0164Вт/(м2∙ч) – коэффициент температуропроводности металла; сt=0,66кДж/(м∙°К) –средняя теплоемкость нагреваемого металла; ρ=7800кг/м3 – плотность металла; кзаз.=1,4 – коэффициент, учитывающий влияние на нагрев наличия зазора между заготовками на поддоне[3].Температурный критерий нагрева низа изделия: θниз = 0,030 (определяется по кривым Будрина[4], прилож.16) для низа изделия при Fo =3,2 и Bi = 1,37).Температура низа в конце нагрева: tмниз.к= tгн(к) – θниз (tгн(к) – tмн. ср) =1100˚ С. Период температур в конце нагрева: ||=Время нагрева заготовок в печи для обеспечения заданной производительности (ПР =12000кг/час) при заданных размерах и количестве заготовок (массе садки): = = 3,88час. Напряженность активного пода печи: =992,35кг/м2Поскольку , рассматриваемая печь с Накт=992,35кг/м2 не обеспечивает заданную ПР=12000кг/час (3,333кг/сек).В связи с этим, исходя из конкретной ситуации, при проектировании печи для выполнения требований по производительности, можно будет использовать следующие приемы или их комбинации: - увеличение числа заготовок (удлинение печи); - увеличение длины заготовок(увеличение ширины печи); - использование поддона второго уровня (увеличение высоты печи, уменьшение ее длины, дополнительная проработка и моделирование процессов массо-теплопереноса в рабочем пространстве печи). 3.Расчет теплового баланса и определение расхода топлива печиВ рассматриваемой печи непрерывного действия (методическая нагрева-тельная печь) тепловой баланс (баланс между приходными и расходными секундными тепловыми потоками) составляется для постоянных по времени температурного и теплового режимов работы агрегата. Здесь тепловой баланс составляется для определения теплотехнических показателей печи, необходимых для ее проектирования, в связи счем уравнение теплового баланса решается относительно расхода топлива (ß).3.1.Приходные статьи баланса теплаТепло, выделяемое при горении топлива:Qг.т = Qрн·ß =35060∙ß, ( кВт), где: - Qрн = 32800кДж/м3 – удельная теплота сгорания топлива (см.таблицу 2.1);- ß, (м3/с) – искомый расход топлива печи. Тепло, вносимое подогретым воздухом:Qф.в.=Vв∙ß∙сtв∙tв= 3685,(кВт), где:=300 - температура воздуха, подаваемого на горение после подогрева в рекуператоре (см.разд.1.2, п.4.4);- = 1,318кДж/(м3град) – теплоемкость подогретого воздуха[4].Тепло, выделяемое при окислении металла в процессе нагрева:Qок = qокуд · ПР·Y=185,31кВт, где:- qокуд =5650кДж/кг – тепло, выделяющееся в процессе окисления 1кг железа; - ПР = 12000кг/ч = 3,33кг/с – производительность печи (см. исходные данные); - Y=1% – угар металла.3.2.Расходные статьи баланса тепла.Тепло, необходимое для нагрева металла:=2375,76кВт.Затраты тепла на аккумуляцию кладки:Qакк.={[Vкл∙ρкл∙скл∙(tкср.м – tнср.м)]шам.+[Vкл∙ρкл∙скл∙(tкср.м – tнср.м)]диат.}/τ=2370,31кВт,где: - для шамотного кирпича: - кладки ; - =0,25м – толщина кладки; - Vкл=Fш∙δш=21,49м3 – объем кладки ; - ρкл=1850кг/м3 – плотность шамота кл.А; - скл=0,865 +0,21∙tср∙10-3=1,023кДж/кг∙гр – теплоемкость шамота; - tкср.м=1138℃ - средняя температура внутренней поверхности кладки в конце процесса нагрева; - tнср.м= 300℃ - условная средняя температура внутренней поверхностикладки в начале процесса нагрева; - tср=750℃ - приблизительное значение средней температуры шамотного слоя кладки для диапазона температур между наружной и внутренней стенами печи 40 - 770℃ и теплового сопротивления слоя Sш/λш=0,132Вт/м2∙с (рассчитано по методике[3,4], Приложения 20 и 22); - для диатонитного кирпича: -кладки ; - =0,25м – толщина кладки; - Vкл=Fд.кл∙δд=27,92м3; - ρкл=450кг/м3; - скл=0,116+0,15∙tср∙10-3=0,175кДж/кг∙гр; - tкср.м=750℃; - tнср.м=40℃; - tср=395℃ - для диатонитового слоя кладки с Sд/λд=2,000м2∙гр/Вт.Потери тепла через кладку за счет теплопроводности кладочного материала:где: - tвоз=20℃– температура окружающего воздуха;- tвнкл =1138℃ – температура внутренней поверхности кладки;=0,06 – тепловое сопротивление при передаче тепла от наружной стенки печи к окружающему воздуху Вт/м2·К°; - Σ s/λ – сумма тепловых сопротивлений огнеупорной и теплоизоляционной части стенки: - теплопроводность конструкционных материалов и толщина стенок печи, соответственно в Вт/(м∙°К) и метрах : - λш – теплопроводность шамота (λш = 0,65); - Sш – толщина шамотной стенки (Sш = 0,250); - λд – теплопроводность диатомита (λд = 0,125); -Sд – толщина диатомитовой стенки (Sд = 0,250); =97,98м2 – поверхность стенок, определяющих теплоотдачу печи; Наружные размеры печи с учетом огнеупорных и теплоизоляционных материалов: -Lн = L + 2 ·ш + 2 · д = 10,21м; -Bн = B + 2 ·ш + 2 · д = 6,50м; -Hн = H + ш + д = 1,45м; -Fнст = (BнLн + LнHн + BнHн) · 2 = 181,19 м2. Расчет подогрева кладки рассматриваемой печи произведен с использованием экстраполяции данных[4] (прилож.22, табл.1-22) на область температур до 1138℃для значенияτ=3,43ч. Результаты расчетов для τ=0ч и τ=3,43ч сведены в таблицу 3.1. Таблица 3.1. Подогрев кладки печиМатериал кладки Шамот Диатомит Толщина кладки0,0000,0580,2500,0000,0520,1040,1560,2080,250τ=0чtвнкл3002892782782301821348638τ=3,43ч1138942716716539362269236219Потери тепла излучением через открытые окна и щели:где: -f =(Lпод +0,2)∙(Bпод +0,3) = 49,45м2 – открытая площадь отверстия;- Ф=0,6 – коэффициент диафрагмирования;- (1 – ψ) =0,05 – доля времени, в течение которого открыто окно печи. Тепло, уносимое отходящими продуктами горения:Qпг= ß·Vпг·Спгср · tпгср =11480,10∙ß,кВт, где:- tпгср0,5∙(- средняя температура продуктов горения; - =740 -температура выходящих продуктов горения с учетом возможных конструктивных мероприятий, повышающих эффективность процесса сжигания и регенерацию тепла отходящих газов (примерно 30-40%); - Cпгср =1,552кДж/(м3∙°К) – средняя теплоемкость продуктов горения. С учетом возможных конструктивных мероприятий, повышающих эффективность процесса сжигания газа и регенерации тепла отходящих газов (примерно 30-40%), принимается Qпр.гор.=15114∙М, кВт. Потери тепла из-за химической неполноты горения:Qх.н. = ß·Vпг ∙ [126,45 (% CO) + 107,6 (% H2)]=2790,32∙MТ, кВт, где: - qco =12645кДж/м3 – тепловой эффект реакции горения СО; - qH2 =10760кДж/м3 – то же Н2; - (%СО)=1,5% - содержание СОв продуктах горения при пламенном сжигании природного газа в высокотемпературных печах [3]; - (%Н2)=0,75% - то же для Н2 . Потери тепла из-за механических потерь:Qмех. = ß·Qрн · а=876,50∙ß, кВт, где а ~2,5% – механические потери топлива. Неучтенные потери:Qну = 0,20∙ [(Qх.н. + Qмех.)∙ß+Qкл + Qокизл]=(733,36∙ß +107,36) ,кВт.Расход топлива:ß = 0,247 м3/с (в соответствии с уравнением теплового баланса):Qг.т. +Qф.в.+Qок = Qм +Qакк +Qкл + Qщизл + Qпр. гор + Qх.н. + Qмех. + Qнеучт ).Данные топливного баланса приведены в таблице 3.2. Теплотехнические показатели печи:- КПД печи: ηп =QM/Qгт =0,25;- расход тепла для идеальных условий: qид=Qгт/ßуд =2,715 , где ßуд =ПР/ =3499кг/ч – удельный расход условного топлива;- расход тепла для нагрева 1кг металла до заданной температуры:q= = 2430кДж/кг.Таблица 3.2. Данные теплового балансаПриход теплаРасход теплаСтатьи приходакВт%Статьи РасходакВт%1.Тепло, выделяемое при горении топлива8659,8288,81. Нагрев металла2375,7625,62.Тепло на аккумуляцию кладки2370,3125,52. Тепло от подогретого воздуха910,209,33.Потери через кладку за счет теплопроводн.53,860,6Относительная погрешность: =4,63%3. Тепло от окисления металла185,311,94. Излучение через откр. окна и щели482,965,25.Потери с уходящими продуктами горения2835,4730,66. Химическая неполнотасгорания689,187,47. Механич. потери216,482,38. Неучтенные потери278,983,0Всего9755,33100Всего9304,00100ЗаключениеВ данной работе решены следующие расчетные задачи реконструирования камерной садочной печи для термообработки изделий из стали. 1.Выполнен расчет горения топлива заданного месторождения (состава), в котором определены: - теоретический расход воздуха на горение – 9,32м3/м3; - количество продуктов горения, образующихся при сжигании топлива – 10,32м3/м3; - низшая теплота сгорания топлива – 35060кДж/м3; - температура горения природного газа заданного состава - 1699. 2.Определены основные размеры печи, в том числе: - размеры рабочего пространства (длина 9,21м; ширина 5,5м; высота пода 1,2м);- наружные размеры печи с учетом огнеупорного и теплоизоляционного слоев (длина 10,21м; ширина 6,5м; высота 1,45м). 3.Произведен расчет теплового баланса рабочего пространства печи, на основе которого определены: - расход газового топлива -0,247м3/с; - коэффициент полезного действия печи – 25%; - удельный расход условного топлива – 3499кг/ч; - расход тепла для нагрева 1кг металла до заданной температуры – 2430,00кДж/кг; - расход тепла для идеальных условий процесса - 2,715 .Литература 1.Эстеркин Р.И. Котельные установки. Курсовое и дипломное проектирование: Учеб.пособие.-СПб.: Энергоиздат, 1989.-280с. 2.Характеристика газов. Средние составы и характеристики ПГ месторождений СССР.-http://www.yanvictor.ru/transport/index-1/htm3.Зеньковский А.Г. Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию «Расчет пламенных нагревательных печей. М., Типография МГП «Эвтектика», 1991. 4. Зеньковский А.Г. Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию «Расчет пламенных нагревательных печей (Приложения). М., Типография МГП «Эвтектика», 1991. 5. Телегин А. С., Лебедев А. Н. Конструкция и расчет нагревательных устройств. – М.,: Машиностроение, 1975. 6. Сомов В.В. Котельные установки / ВИСИ.- СПб., 1996. 7. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. - М.:Энергия, 1973. -295 с.8. Урушев М.В. Теплофизические свойства рабочих тел и материалов / ЛВВИСУ. – СПб., 1978