88451

Расчёт пламенной методической печи

Курсовая

Производство и промышленные технологии

Расчет включает в себя: расчет продуктов сгорания, определение калориметрической и действительной температуры продуктов сгорания, расчет времени пребывания садки в зонах рабочего пространства, расчет основных размеров рабочего пространства (технологических зон), тепловой баланс рабочего пространства...

Русский

2015-04-30

2.25 MB

8 чел.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УО “Гомельский государственный технический университет

имени П.О. Сухого”

Кафедра «Промышленная теплоэнергетика и экология»

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

по дисциплине: «Высокотемпературные теплотехнологические

процессы и установки»

на тему: «Расчёт пламенной методической печи»

                                                                       Выполнил:        студент гр. ТЭ-42

                                                                                              Дорошко П. В.                                                            

                                                            Руководитель:         преподаватель

                                                                                                 Вальченко Н. А.

                                                         Дата проверки                 __________________

                                                         Дата допуска к защите   __________________

                                                         Дата защиты                    __________________

                                                        Оценка работы                __________________

Гомель 2009

СОДЕРЖАНИЕ

                

                                                                                                                              стр.                                                                                                                                                                               Введение……………………..…………………………………….………….…......3

    Исходные данные………………………………………………………….……...4

       1. Расчёт горения топлива…………………………….………………..……....5

       2. Определение времени нагрева………………………………………..........14

           2.1. Предварительное определение основных размеров печи……...……14

           2.2. Определение степени развития кладки….…………….……..…..…...15

           2.3. Определение эффективности толщины газового слоя………………16

           2.4. Определение времени нагрева металла в методической зоне………17

           2.5. Определение времени нагрева металла в сварочной зоне…………..23

           2.6. Определение времени томления металла…………..………………...25

           2.7. Определение действительных основных размеров печи……………26

       3. Тепловой баланс………………………………………………………….…29

            3.1. Выбор футеровки печи………………………………………………..29

            3.2. Общие положения……………………………………………….…….29

            3.3. Статьи прихода теплоты……………………………………………...29

            3.4. Статьи расхода теплоты…………………………………………..…..31

            3.5. Потери теплоты теплопроводностью через кладку

                      (приближенный расчет)…………………………….…..32

       4. Расчет и выбор вспомогательного оборудования………………………..37

            4.1. Блочный керамический рекуператор…………………………..…….37

            4.2. Трубчатый металлический рекуператор……………………..………44

            4.3. Расчет инжекционной горелки…………………………..…………....51

     Заключение……………………………………………………………….…..…56

       Список литературы……………………………………….…………….……..57

       Приложение 1(график изменения температуры по длине печи)……...……58

       Приложение 2()……………….…………….…………………………….59

Приложение 3(.)…….……….…………………………………………….60

Приложение 4()…………………………………………………………….61

Приложение 5 (температурный критерий  для поверхности)……………….62

Приложение 6 (температурный критерий для центра)……..……………….63

Приложение 7().…………………………………………………………….64

Приложение 8………………………………………………………………….

Приложение 9………………………………………………………………….

Приложение 10………………………………………………………………...

                    

Введение

В данном курсовом проекте рассчитывается пламенная трёхзонная методическая печь. Результатом расчета являются основные размеры печи, выбор и расчет вспомогательного оборудования: керамический и металлический рекуператоры и газовая горелка.

Расчет включает в себя: расчет продуктов сгорания, определение калориметрической и действительной температуры продуктов сгорания, расчет времени пребывания садки в зонах рабочего пространства, расчет основных размеров рабочего пространства (технологических зон), тепловой баланс рабочего пространства, выбор типоразмера горелочных устройств, расчет теплообменников для регенерации использования теплоты энергетических отходов, расчет основных размеров горелки.

Исходные данные

  1.   Нагреваемый материал: среднеуглеродистая сталь Ст. 35  
  2.   Производительность печи:  Р = 0,5
  3.   Температура материала на входе:  t0 =23 oC
  4.   Температура материала на выходе:  tк = 1230 oC
  5.   Величина:  Δt=50 oC
  6.   Размер нагреваемых изделий,   
  7.   Температура уходящих газов:  tух = 1000 oC
  8.   Удельная производительность печи:  Hг = 250
  9.   Вариант расположения заготовок:  2 ряда
  10.   Конечная разность температур в томильной зоне:  Δtкон= 60 oC
  11.   Коэффициент несимметричности:  μ = 0,5
  12.   Температура наружного воздуха:  tв = 25 oC
  13.   Температура наружной поверхности свода:  tсв = 65 oC
  14.   Угар металла:  а = 0,7·10-2 

Вид топлива:  смесь природного и доменного газов с низшей теплотой сгорания 4200 кДж/кг

Температура подогрева воздуха:  oC

Температура подогрева топлива: oC

    Расчёт и подбор инжекционной горелки:  

      Состав газа: по доменному коксовых печей    ([1], с.137 )   

                            по природному месторождение Гоголево-Полтава  ([1], с. 36 )  

                                                                                                                    Таблица 1:

Газ

СО2 ,

%

СО ,

%

Н2 ,

%

N2 ,

%

O2 ,

%

Н2S ,

%

CH4 ,

%

C2H6 ,

%

C3H8 ,

%

C4H10

% 

C5H12

%

ДГ

10,5

28,0

2,7

58,2

-

-

0,3

-

-

-

-

ПГ

0,1

-

-

13,7

-

-

85,8

0,2

0,1

0,1

-

 

  1.  Расчёт горения топлива

Принимаем следующие влажности газов: для природного газа влажность лежит в диапазоне  1-3 % следовательно  (примем ) при плотности      ; Влажность доменного газа   при плотности      .  

Рассчитаем состав влажных газов:

    [1.1]

где i – количество i-го компонента в газе, %;

      - величина переводящая влажность  , (г/кг) в процентную часть от 1  газа, для природного , для доменного ;

      - влажность газа (природного или доменного).

Тогда состав влажного природного газа,  %;

  [1.11]

Аналогично рассчитываем другие компоненты:

 

 

 

 

 

Следовательно, влаги в природном газе будет:

%

Состав влажного доменного газа:

 

 

 

 

 

Следовательно, влаги в доменном газе будет:

 

    

Находим низшую теплоту сгорания каждого газа в отдельности (теплота сгорания i-го компонента[2], с. 138),

  [1.12]

где  - низшая теплота сгорания i-го компонента газа;

      i – количество i-го компонента в газе в частях.

Природного:

  

 

   Доменного:

т. к. низшая теплота сгорания смеси газов   ,то доля доменного газа в смеси, ([4], с. 67):

  [1.13]

Следовательно, доля природного газа составит:

Находим состав смеси газов, %:

  [1.14]

где ,  - количество i-го компонента в доменном и природном газах.

 

Масса каждого компонента, поступившая в печь со 100  газа, кг:

 [1.15]

где  - количество i-го компонента в смеси газов;

       - молярная масса i-го  компонента смеси газов([2], с.).

 

 

Всего поступило массы газа в печь:

 [1.16]

Расход воздуха, состав и количество продуктов сгорания смеси газов при нормальных условиях представлены в таблице 2.

Из представленной ниже таблицы следует:

Получено 177.492  продуктов сгорания, в том числе каждого компонента, кг:

 [1.16]

где  - количество i-го компонента в продуктах сгорания;

Всего продуктов сгорания, кг:

  [1.17]


Таблица 2

 

Реакция горения

          Воздух, м^3

         Образующиеся прод. сгорания, м^3

Объём компонента в 100 м^3 топлива,м^3

 

O2

N2

Vв (всего)

CO2

H2O

O2

N2

Vпр.сг. (всего)          

3

4

5

6

7

8

9

11

12

13

10,1272

 

 

 

10,127

 

 

 

 

27,0022

CO+0,5*O2=CO2

13,5011

 

 

27,002

 

 

66,2889

 

1,4023

CH4+2*O2=CO2+2*H2O

2,8046

 

1,4023

2,8046

 

из возд

 

0,0026

2*C2H6+7*O2=4*CO2+6*H2O

0,0078

 

 

0,0052

0,0052

 

 

 

0,0013

C3H8+5*O2=3*CO2+4*H2O

0,0052

 

 

 

 

 

 

 

2,6039

H2+0,5*O2=H2O

1,30195

 

 

 

2,6039

 

 

 

56,5951

 

 

 

 

 

56,5951

 

2,2663

 

 

 

 

 

2,2663

 

 

 

 

17,6207

66,2889

83,9095

38,537

7,68

 

122,884

169,101

%

 

21

79

100

22,789

4,54167

 

72,669

100

 

19,3827

72,9178

92,3005

38,537

7,68

1,7621

129,513

177,492

%

 

21

79

100

21,712

4,32696

0,9928

72,9684

100


Количество воздуха 92.3005 , в том числе кислорода, кг:

Азота, кг:

 Всего азота и кислорода, кг:

Итого поступило газа и воздуха, кг:

Определяем калориметрическую температуру горения  из балансового уравнения условно адиабатного топочного объема.

Согласно этому уравнению вся теплота, вносимая в радиационную зону, включая химическую теплоту  топлива, физическую теплоту прогрева воздуха  и топлива , расходуется исключительно на нагрев образующихся продуктов сгорания, характеризуемый теплосодержанием

     или         

Откуда       ;                                           [1.18]

где - расчётные удельные объемы воздуха на горение и образующихся  продуктов сгорания, отнесённых к 1м3 топлива [Таблица 2]:

;

;

- температуры подогрева воздуха и газа, оС (по условию),     

- средняя изобарная теплоемкость воздуха:

           ([3], с. 40-41) 

 - средняя изобарная теплоемкость продуктов сгорания в интервале температур от 0 до . Поскольку теплоемкости реальных газов, к которым относятся и продукты сгорания топлива, существенно зависят от температуры , то в балансовое уравнение топочного объема входят две взаимосвязанные искомые величины:  и . Поэтому поиск  необходимо проводить методом последовательных приближений.

В современных методических печах минимально необходимая калориметрическая температура составляет 1800оС.

т. к. при заданных температурах подогрева воздуха и топлива не обеспечивается необходимая калориметрическая температура, то увеличиваем их. Для проверки данного утверждения зададимся калориметрической температурой сгорания: .

Тогда теплоёмкость продуктов сгорания:  

,    [1.19]

где  - средняя изобарная теплоемкость отдельных компонентов продуктов сгорания при  , ([3], с. 40-41):

;

;

;

;

- объемные доли компонентов, вычисленные при расчете процесса горения по стехиометрическим реакциям [Таблица 2].

Теплоёмкость подогретой смеси газов при :

 

  [1.20]

где - средняя изобарная теплоемкость компонентов смеси, ([3], с. 40-41):

;

;

;

;

;

;

;

;

- объемные доли компонентов в смеси [Таблица 2].

Теплоёмкость воздуха при   oC, ([3], с. 40-41):

Тогда калориметрическая температура будет:

т.к.

то увеличиваем температуру подаваемого в печь воздуха до , а температуру топлива до . Принимаем .

Тогда теплоёмкость топлива:

Теплоёмкость продуктов сгорания:

Теплоёмкость воздуха:

Калориметрическая температура:

Тогда расхождение между предполагаемым и расчетным значением:

Принимаем .

Для определения действительной температуры в сварочной зоне печи необходимо воспользоваться пирометрическим коэффициентом:

Тогда  

 [1.21]

для методической печи с торцевой выдачей металла ;

 

Принимаем – действительная температура в сварочной зоне.

2. Определение времени нагрева металла и основных

размеров печи

Общее время пребывания металла в печи складывается из отрезков времени, которые определяются для отдельных участков печи. Расчет времени нагрева на каждом участке печи выполняется с учетом специфических особенностей этого участка. Большинство распространенных методов расчета времени нагрева металла выполняется при граничных условиях третьего рода, т. е. когда температура по длине печи неизменна. Поэтому в тех случаях, когда температура в пределах какого-либо участка печи переменна, приходится ее усреднять и по средней температуре, считая ее постоянной, вести расчет.

Зададимся температурным графиком процесса нагрева [Приложение 1], изображающим изменение действительных температур печного пространства и поверхности нагреваемого материала по длине печи.

Методическую зону разделим условно на три участка (I,II,III) и усредним температуру печи в пределах каждого из них. При этом температуру отходящих газов принимаем равной  (по условию), температура в сварочной зоне равна , температура в томильной зоне – на величину  выше температуры нагрева материала, т.е. равна:

Исходя из вышесказанного строим график изменения температуры поперечного пространства по длине печи. (см. Приложение 1)

Поскольку основным назначением методической зоны является медленный нагрев материала до состояния пластичности, температура центра металла при переходе из методической зоны в сварочную зону должна быть порядка          400-500 оС.

2.1. Предварительное определение основных размеров печи

Площадь пода печи определяется по формуле:

;   [2.1]

Для двухрядного варианта расположения заготовок ширина и длина печи равны:

  [2.2]

где    - зазор между заготовками и стенами печи ([7],с.9);

 - длина заготовки (по условию);

По конструктивным соображениям высота печи принимается ([7],с.9);

  •  в томильной зоне - ;
  •  в сварочной зоне -  ;
  •  в конце методической - ;

Средняя высота методической зоны будет равна:

        [2.3]

2.2. Определение степени развития кладки

Определять степень развития кладки необходимо для вычисления приведенного коэффициента  излучения газов и кладки на металл:

;   [2.4]

где   - суммарная внутренняя площадь поверхности и свода зоны печи, м2;

   - площадь поверхности материала, воспринимающего тепловое            

             излучение, м2.

Иначе можно записать (для двухрядного варианта расположения заготовок):

;   [2.5]

где - высота зоны, м.

Для методической зоны подставляется её средняя высота . Величина  определяется для каждой из рассматриваемых зон:

1) в методической зоне:

2) в сварочной зоне:

3) в томильной зоне:

2.3. Определение эффективности толщины газового слоя -

Значение , является усредненной характеристикой длины пути тепловых лучей, поступающих из газового объема на твердую ограждающую поверхность. Влияние этого геометрического параметра на радиационный тепловой поток из газового объема учитывается при выборе соответствующих расчетных значений степени черноты отдельных, активно излучающих компонентов газовой смеси.

Для расчета  пользуются формулой Невского-Порта:


                   
  [2.6]

где Н - высота зоны (для методической -  );

      В - ширина зоны [см. п. 2.1].

Расчет  ведется для каждой из рассматриваемых зон:;

  1.  для методической зоны:

2)  для сварочной зоны:

  1.  для томильной зоны:

2.4. Определение времени нагрева металла в методической  зоне

Расчет проводится для каждого из трех участков методической зоны.

Степень черноты газов:

  [2.8]

где -  степени черноты углекислого газа и водяных паров, соответственно; определяются по номограммам ([4], с. 138-139) (см. Приложения 2, 3) в зависимости от температуры газа  и произведения ,где - парциальное давление компонента газовой смеси (и ).

- поправочный коэффициент на отклонение от закона аддитивности, определяется по графику ([4], с. 49) (см. Приложения 4).

Парциальное давление  компонентов газовой смеси можно рассчитать через их объёмные доли:

;                ;

где  -  [Таблица 3].

 - барометрическое давление в соответствующей зоне печи при соответствующей температуре (или средней температуре) зоне; по конструктивным соображениям (разрежение в печи) принимаем :

.

Степень черноты газов

                                                                                                                     Таблица 3

№ участков

, оС

I

1056

0.13

0.054

0.185

1,02

II

1167

0.12

0.049

0.17

III

14901295

0.11

0.043

0.154

Приведенный коэффициент излучения в системе газ – кладка – материал определяется для каждого участка методической зоны по формуле:

                [2.9]

где - степень черноты металла ([7], с. 11);

- коэффициент лучеиспускания абсолютно чёрного тела.

 I участок:

 II участок:

 III участок:

Средний по длине участка методической зоны коэффициент теплоотдачи излучением определяется:

        [2.10]

где  и - соответственно температуры поверхности металла в конце и начале i-того участка методической зоны, K.

 - средняя по длине i-того участка методической зоны температура газов, K.

I участок:

II участок:

III участок:

В технике для градации условий нагрева, связанных с понятием термически тонких и массивных тел, служит численное значение безразмерного коэффициента теплоотдачи критерий Био, т. е. для определения времени нагрева материала необходимо вначале определить значение :

;   [2.11]

где - характерный размер при двухстороннем нагреве материала.

 

где - толщина изделия (по условию); в качестве определяющего размера можно брать и другие размеры заготовки (смотря, как она будет распологаться);

- коэффициент теплопроводности материала, определяется для средней температуры рассматриваемого участка методической зоны ([4], прил. 9). Данные заносим в Таблицу 4 (в т. ч. коэффициент температуропроводности материала ([4], прил. 9)).

Таблица 4

№ участка

Материал заготовок

Средняя температура материала  , оC

I

Ст.35

358.5

43.79

---

II

799

226

50

III

999.5

26.9

55.56

т.к. критерий Био для первого участка меньше 0.25, то в этом случае расчет времени нагрева материала ведется как для термически тонкого тела. Для второго и третьего участков расчет ведется как для термически массивных тел потому, что критерий Био для них больше 0.25.

Рассчитываем время нагрева материала на участках методической печи:

- для первого участка:

        Объём заготовки:

        Площадь теплообменной поверхности:

                 Плотность нагреваемого материала (Ст.35) при температуре 23 oC:

                 

                 Тогда масса заготовки:

                Массовая теплоёмкость заготовки при конечной температуре 1-го участка методической зоны , ([4], прил.9).

                  Тогда время нагрева материала на первом участке методической зоны:

-для второго и третьего участка:

                 Температурный критерий для поверхности материала:

  [2.12]

где - средняя температура газов на i-том участке методической зоны;

   - текущая и начальная температуры нагреваемого тела на i-том участке методической зоны.

По номограмме ([4], с. 46) для поверхности пластины по значениям  и   определяем критерий Фурье – (см. Приложения 5), затем по номограммам ([4], с. 47) для центра пластины по найденным значениям  и  определяем температурный критерий (см. Приложения 6). Значения критериев сводим в Таблицу 5.

                                                                                                             Таблица 5

№ участка

I

0.092

0.418

9.3

0.44

II

0.311

0.484

2.36

0.53

III

0.461

0.512

1.5

0.6

Рассчитываем время нагрева материала на участках методической зоны по формуле:

  [2.13]

Полное время нагрева изделия в методической зоне:

  [2.14]

Температура металла в центре заготовки на i-том участке методической зоны рассчитывается по формуле:

  [2.15]

2.5. Определение времени нагрева металла в сварочной зоне.

Парциальное давление  компонентов газовой смеси:

Степень черноты газов:

  [2.16]

- ([4], с. 49) (Приложение 4);

, - (см. п. 2.4) (Приложения 2, 3);

Приведенный коэффициент излучения в системе газ-кладка-металл:

 

       [2.17]

Коэффициент теплоотдачи излучением:

     [2.18]

Определяем критерий :

  [2.19]

где    

т.к. тело термически тонкое(<0.25), то расчет ведем как для термически тонкого тела.

Время нагрева в сварочной зоне:

- теплоёмкость заготовки при конечной температуре  , ([4], прил. 9).

Температурный критерий для поверхности материала в сварочной зоне:

По  и   определяем критерий Фурье для сварочной зоны (см. Приложения 5, 6).

По   и   определяем температурный критерий для центра пластины:

Температура металла в центре заготовки:

  [2.22]

2.6. Определение времени томления металла.

Перепад температур по толщине металла в начале томильной зоны составляет:

             [2.23]

Допустимая разность температур в конце выдержки (по условию).

Степень выравнивания температур определяется по формуле:

             [2.24]

т.к. , то принимаем его равным 1.

При коэффициенте несимметричности  (по условию) и степени выравнивания  по номограмме ([4], с. 139), (см. Приложение 7) определяем критерий Фурье    для томильной зоны:  .

Тогда время томления металла равно:

                                    [2.25]

где    - коэффициент температуропроводности  

     


Тогда полное время пребывания металла в печи:

                      [2.26]

2.7. Определение действительных основных размеров печи.

Для обеспечения заданной производительности  P = 0.5 т/ч, в печи должно одновременно находиться следующее количество металла:

                            [2.27]

    

Масса одной заготовки составит:

  [2.28]

          

где - соответственно ширина, толщина и длина заготовки, м (по  

                   условию);

- средняя плотность материала;

 

Тогда число заготовок, одновременно находящихся в печи:  

  [2.29]

При однорядном расположении заготовок:

               - общая длина печи:  

               - ширина печи:   

               - площадь активного пода:   

               - площадь габаритного пода:   

Высоты отдельных зон печи сохраняем принятыми в предварительном расчете.

Длину печи разбиваем на зоны пропорционально времени нагрева:

- длина первой методической зоны:

- длина второй методической зоны:

- длина третьей методической зоны:

- длина методической зоны:

- длина сварочной зоны:

- длина томильной зоны:

Напряжённость габаритного пода печи:

 [2.30]

  

 

3. Тепловой баланс печи

3.1. Выбор футеровки печи

Для расчета теплового баланса необходимо выбрать материал, из которого выполняются стены печи, и их толщину.

Для печи задается следующая футеровка:

- свод подвесного типа выполнен из шамота класса А толщиной δ1=250 мм

- стены двухслойные: слой шамота класса А толщиной δ2=250 мм   и тепловая  изоляция из диатомита толщиной   δ3= 113 мм;

- под томильной зоны выполнен трехслойным:

1) тальк толщиной слоя δ4=250 мм

2) шамот класса Б толщиной δ5=250 мм

3) тепловая изоляция из диатомита толщиной   δ6=113 мм.

[ГОСТ 390-80, ГОСТ 2694-80] 

Все толщины берутся по конструктивным соображениям.

3.2. Общие положения

Тепловой баланс печи записывается в виде:

  [3.1]

Неизвестной величиной, входящей в это уравнение, является расход топлива – В,  для определения которой  и составляется такой баланс. Он может быть отнесен только к рабочему пространству печи (это далее и будет рассчитываться) или ко всей установке в целом, включая теплоутилизационные устройства (что менее целесообразно).

При проектировании печи после определения основных размеров следует конструктивная разработка деталей. В данном расчете такая разработка не проводится, поэтому некоторые статьи расхода тепла, не превышающие 5% от общего расхода, опускаются.

3.3. Статьи прихода теплоты

1. Теплота от процесса горения топлива (химическая теплота):

  [3.2]

где – искомый расход топлива, м3/c.

  1.  Физическая теплота, вносимая подогретым воздухом:

  [3.3]

где    [см. Раздел 1]

  1.  Физическая теплота, вносимая подогретым газом:

  [3.4]

  где   [см. Раздел 1]

  1.  Теплота экзотермических реакций (в нагревательных печах учитывается теплота реакции от окисления железа, равная 5652 кДж/кг)

                                                                       [3.5]   

где    - производительность печи;

- угар металла (исходные данные);

3.4. Статьи расхода теплоты

1.Теплота, затраченная на нагрев металла:

                       [3.6]         

где   (равная средней температуре металла на выходе из печи);

- средняя теплоемкость материала, выбирается по средней температуре , ([3], с. Табл. 4.5)

2. Теплота, уносимая уходящими газами:

  [3.7]

,   [3.8]

где  - средняя изобарная теплоемкость отдельных компонентов газовой смеси продуктов сгорания при  :

- объемные доли компонентов  [Таблица 3];

 

3.5. Потери тепла теплопроводностью через кладку (приближенный расчет)

Потерями теплоты через под пренебрегаем. Рассчитываем потери через свод и стены печи. Площадь свода  равна площади габаритного пода печи, т.е.

Толщина свода материал – шамот класса А. 

Принимаем, что температура внутренней поверхности свода равна средней, по длине печи, температуре газов :

  [3.9]

Т.е.     

Температура окружающей среды   (исходные данные); температура поверхности кладки свода  (исходные данные).

Тогда средняя по толщине температура шамотного свода равна:

  [3.10]

Данным температурным условиям отвечает коэффициент теплопроводности шамотного материала определяемый по формуле:

  [3.11]

Тогда потери через свод составят:

                      [3.12]

где   - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности свода в окружающую среду, получаемый статическими методами.

- для вертикальной стенки:

 

     - для пода печи:

Тогда потери через свод    

Определяем потери теплоты через стены.

Кладка стен выполнена двухслойной (шамот толщиной ) и диатомит толщиной

Площадь стен следующая:

- методической зоны -

- сварочной зоны -

- томильной зоны -

- торцевых стен –

Общая площадь стен:

При прямолинейном распределении температуры по толщине стены средняя температура шамота равна:

  [3.13]

диатомитового кирпича:

                           [3.14]

         где   

                 

                  -  температура на границе слоев.

Тогда теплопроводность шамота и диамитового кирпича:

                     [3.15]

  [3.16]

Количество теплоты, теряемое теплопроводностью через стены:

  [3.17]

Полные потери теплоты через кладку составят:

  [3.18]

Потери теплоты с охлаждающей водой по практическим данным принимаются равными 10% от статьи прихода теплоты, т.е.

                     [3.19]

Неучтенные потери принимаем равными 15% прихода теплоты, т.е.

  [3.20]

Уравнение теплового баланса печи примет вид:

  [3.21]

Откуда можно получить искомое значение расхода топлива , м3/c

   -  искомое значение расхода топлива.

Результаты расчета статей теплового баланса методической печи заносим в таблицу 6.

Таблица 6

Статьи прихода

Статьи расхода

1.Теплота от реакции горения топлива

362.232

1. Теплота, затраченная на нагрев металла

101.667

2. Теплота, вносимая подогретым воздухом

68.277

2. Теплота, теряемая с уходящими газами

230.911

3. Теплота, вносимая подогретым газом

35.684

3. Потери теплоты теплопроводностью через кладку

22.56

4. Теплота экзотермических реакций

5.495

4. Потери теплоты с охлаждающей водой

46.619

5. Неучтенные потери теплоты

69.929

Итого:

471.688

Итого:

471.686

Погрешность:

Удельный расход теплоты на нагрев 1кг металла составит:

  [3.22]

По производительности P=500 кг/ч выбираем методическую нагревательную печь с гладким подом: НУО-6.30/13, размеры рабочего пространства:  5803016500, мм.

4.Расчёт и выбор вспомогательного оборудования

 

4.1. Блочный керамический рекуператор

Собираются из шамотных блоков с каналами для прохода воздуха. Для основной установки выбираем блоки марки Б-1, как наиболее распространенные. Каждый блок имеет четыре отверстия прямоугольного сечения и опорные буртики.

Блоки устанавливаются так, что их отверстия образуют сплошные вертикальные каналы, по которым снизу вверх проходит воздух. Продукты сгорания движутся между блоками в горизонтальном направлении.

  1.  Расход газа (топлива) на отопление печи:

  [см. п.3]

  1.  Расход воздуха на 1 м3 топлива:

  [Табл. 2]

  1.  Расход воздуха, подаваемого в рекуператор без учёта потерь:

  [4.1]

  1.  Потери воздуха в рекуператоре:

  [4.2]

где - для керамических рекуператоров, работающих с прососом

                       воздуха.

  1.  Расход воздуха, подаваемого в рекуператор:

  [4.3]

  1.  Определяем расход продуктов сгорания перед рекуператором:

  [4.4]

где m – коэффициент, учитывающий потери продуктов горения в печи и  

             боровах до рекуператора; ; принимаем  ;

- присос воздуха в долях от количества продуктов горения;

; принимаем

   [4.5]

                                 

где  - объём продуктов сгорания   

                             

Для газоплотных рекуператоров тепловой баланс составляется с учётом 10% потерь тепла в окружающую среду:

   [4.6]

где     и - средние изобарные объемные теплоемкости в интервале    

                                      температур от 0 oC до соответствующей температуры,  

                                       стоящей в произведении;

,- начальная и конечная температуры продуктов сгорания на входе

                     и выходе из рекуператора, oC;           

,- начальная и конечная температуры воздуха на входе и выходе из

рекуператора,oC;

- расход продуктов сгорания, м3/с; 

- расход воздуха, м3/с.

При проектировании нового рекуператора обычно задаются тремя температурами: начальной и конечной температурами воздуха - , ,а также начальной температурой уходящих газов: ;                                [см. раздел 1.1]

      ([3], с.40)  

Температуру уходящих дымовых газов после рекуператора получим из уравнения:

                        [4.7]

                         [4.8] 

      

где    ;   [4.9]

                                           

                                                 [см. раздел 3.4]                              

Т.к. в уравнении [4.8] две неизвестные величины, то мы решаем его методом последовательных приближений:

Принимаем    

         

                                                                                               

Погрешность:     - что допустимо.

Поверхность нагрева рекуператора определяется из уравнения теплопередачи:

                                           [4.10]

где  - коэффициент теплопередачи, Вт/м2·К;

- средняя разность температур уходящих газов и воздуха.

Среднее значение разности температур уходящих газов и воздуха определяется как среднелогарифмическая разность.

Для противоточного движения:

                          [4.11]

Для более сложных схем движения в формулу для нахождения вводится поправочный коэффициент, для нахождения которого сначала вычисляются вспомогательные величины:

                   [4.13]            

        [4.14]            

По P и R определяется поправка ,(см. Приложение 8) на которую умножается  .

                                                                    ([4], с. 210)

    Тогда      

Схема движения теплоносителей – см. Приложение 8.

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле:

                                [4.15]

Для блочных рекуператоров:   

                    

                                                                                 

где - толщина стенки блока;                                       

- коэффициент теплопроводности шамота, принимаем

      

- коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху,

                                          [4.16]

где - скорость воздуха, приведённая к нормальным условиям,

- для керамических рекуператоров

                                       принимаем  .

Средняя температура продуктов сгорания (дымовых газов):

                                        [4.17]

Средняя температура воздуха:

                                             [4.18]

Средняя температура стенок рекуператора:

                              [4.19]

Средняя разность температур стенки и воздуха:

                              [4.20]

Коэффициенты  и  определяем по :

                           [4.21]

     ,           .

   

С учётом шероховатости стенки   

- коэффициент теплоотдачи от дыма к стенке (на дымовой стороне),  

    .

                                      [4.22]

Коэффициент теплоотдачи конвекцией:

                     [4.23]

где - эквивалентный диаметр дымового канала ([7], стр. 27)

      - скорость движения (дыма). Принимаем   - для       

                    керамических рекуператоров

С учётом шероховатости стенки:

Коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания топлива к стенке элемента поверхности нагрева определяется выражением ( [5], с. 400 )

                              [4.24]

где      

      ,

 - коэффициент лучеиспускания (приведённое  

                                 значение) ([3], с. 400);

- степень черноты продуктов сгорания.

                           [4.25]

  

 Эффективная длина луча:

 ,                               ( [7], табл. 4)

Парциальное давление  компонентов газовой смеси:

- (Приложение 4)

, -([5], с. 138-139) (см. Приложения 2,3);

Площадь теплопередающей поверхности:

                                   [4.26]

Число блоков:                                                               [4.27]   

                  

где   - поверхность нагрева блока Б-1; ([5], табл. 4)

      Принимаем

Расчёт ведём по блокам Б-1 ([5], с. 390)

Принимаем ширину рекуператора: 570 мм.

Ширина блока: 190 мм.

Общее количество блоков по ширине:

Принимаем высоту рекуператора: 2000 мм.

Высота блока: 305 мм.

Общее количество блоков по высоте:

По длине:    

Длина блока: 140 мм.

Длина рекуператора:

4.2. Трубчатый металлический рекуператор

Трубчатые металлические рекуператоры разнообразны по конструкции, но типизированы и составляются из труб различного диаметра с разным шагом. Наибольшее распространение получили рекуператоры прямотрубные, петлевые, дымотрубные системы Шака, двойной циркуляции.

Для всех типов трубчатых рекуператоров коэффициенты теплопередачи и  в зависимости от типа труб и их расположения вычисляются по различным формулам.

Для газоплотных рекуператоров тепловой баланс составляется с учётом 10% потерь тепла в окружающую среду:

 [4.28]

где    ,- начальная и конечная температуры топлива на входе и выходе из рекуператора,oC;

,  (по условию);

                                            [см. раздел 3.3]

 

                                                         

- расход газа; [см. раздел 3]

Температуру уходящих газов после рекуператора находим из уравнения [4.28]:

 

где - расход продуктов сгорания;   [см. раздел 4.1] 

- начальная температура продуктов сгорания на входе в рекуператор, oC;    [см. раздел 4.1] 

Принимаем  

  ([3], с.40)

                                                                         

Погрешность:     

что допустимо.

Среднее значение разности температур для противоточного движения:

                          [4.29]

        [4.30]            

             [4.31]            

По P и R определяется поправка , (см. Приложение 8)на которую умножается  .

                                              ([4], с. 210)

Тогда      

Схема движения теплоносителей – см. Приложение 8.

Коэффициент теплопередачи  определяется по формуле:

                           [4.32]

где - толщина стенки  [ГОСТ 8733-80]

- теплопроводность стенки, при средней температуре.

Средняя температура стенок рекуператора:

                 [4.33]

- материал трубы – Ст.35:([4], прил. 9)

Коэффициент теплоотдачи от дыма к стенке:

                                                [4.34]

При  определяем коэффициент вязкости  ([5], табл. 9.5)

Режим движения дымовых газов:

                                                                                                                      [4.35]

где  ([7], табл. 3)

 - внешний диаметр труб;

  - режим вынужденного движения  турбулентный.

Коэффициент определяем графическим методом  ([5], рис. 9.19)

                                                                                        [4.36]

где  – поправка на число труб.

- поправка на температуру при .      

(определяем по содержанию H2O = 4.33 % в продуктах сгорания)    

   

Коэффициент теплоотдачи излучением от дыма к наружной поверхности трубки рекуператора определяем по формуле ([5], с. 400):  

 

         [4.37]

где      

      ,

- коэффициент лучеиспускания (приведённое значение) ([5], стр. 400) ,

- степень черноты продуктов сгорания.

                            [4.38]

   

 Эффективная длина луча:

 

Парциальное давление  компонентов газовой смеси:

 

                                          

- (см. Приложение 4);

, - ([5], с. 138-139) (см. Приложения 2,3);

Рассчитываем теплоотдачу от стенки подогреваемому газу.

Определяем режим движения газа:

                                                   [4.39]

где  - внутренний диаметр труб;

Принимаем  ([7], табл. 3)

Для температуры  определяем - коэффициент кинематической вязкости топлива. Определяется по процентному содержанию каждого газа в топливе ([6], с. 148):

- режим вынужденного движения – турбулентный.

В соответствии с([5], рис. 9.16) для турбулентного режима находим:

, , ,  (при )

где - поправка на неизотермичность при остывании газа, при

- поправка на неизотермичность при нагревании газа, при ,

- поправка на начальный участок.

 Коэффициент теплоотдачи от стенки к подогреваемому газу

 Тогда коэффициент теплопередачи:

      Количество теплоты от продуктов сгорания с учетом 10% потерь тепла в окружающую среду:

   [4.40]

    Площадь теплопередающей поверхности:

                                                                                          [4.41]

   Определяем число трубок:

                                                  [4.42]

где - площадь поверхности одной трубки.

       [4.43]

.  

Компоновка рекуператора:

Принимаем количество труб в ряду – 8 шт. Количество рядов – 4.

Тип пучка – гладкотрубный, с коридорным расположением.

4.3. Расчет инжекционной горелки

Инжекционные горелки являются наиболее распространенным типом горелок с полным предварительным смешением. Для отопления нагревательных и термических печей применяют нормализованные инжекционные горелки следующих типов:

Н - для сжигания доменного газа и смесей доменного и коксового газов с   и работы на холодном воздухе и холодном или подогретом (для газов )  газе до 300;

П – для сжигания доменного и смесей доменного и коксового газов с  при работе на подогретом воздухе и на холодном или подогретом газе;

В и ВП – для сжигания природного, коксового, смесей природного и коксового, а также других газов с высокой теплотой сгорания при работе на холодном воздухе и холодном газе.

Выбираем горелку – типа П.

Скорость истечения газа из сопла:

                    [4.44]

где     – коэффициент истечения из сопла

          – давление и температура газа перед горелкой;

- принимаем

- плотность газа перед горелкой

                           [4.45]

Плотность газа перед горелкой с учётом подогрева газа:

                            [4.46]

где  – давление и температура окружающей среды,

            – (атмосферное давление);

     - избыточное давление газа перед горелкой

                                                            [4.47]

,

тогда


 

Объемная кратность инжекции (отношение объёма смеси к объему газа после истечения):

                                                                     [4.48]

где:  - стехиометрическое количество воздуха для данного вида газа,    

;                         [Табл. 2]

 – температура подмешиваемого воздуха, К

      - коэффициент пропорциональности:      

            

               ;                                           [4.49]

Массовая кратность инжекции (отношение массы газовоздушной

смеси к массе газа):

                       ,                                           [4.50]

где - плотность воздуха,

  Отношение площадей смесителя и газового сопла:

                                                 [4.51]

где - коэффициент, зависящий от сопротивлений на пути газовоздушной      

              смеси в горелке, ;

       – коэффициент, характеризующий сопротивление на пути движения  

               воздуха, ().

 Диаметр газового сопла:

                                                         [4.52]

где Bрасход топлива (см. пункт 3.5);

      n – число горелок.

     Диаметр смесителя:

                                       [4.53]

    Диаметр носика горелки:

                                    [4.54]

 принимаем  

    Пропускная способность горелки по газу:

                                                               [4.55]

где – площадь выходного сечения:   

  Температура смеси:

                          [4.56]

где: -  температура воздуха, ;

            

Скорость смеси в носике горелки:

                                       [4.57]

где   – температура смеси, ;

       – коэффициент пропорциональности,  .

Скорость проскока горения внутри горелки , принимаем

Пределы регулирования горелки

                                                                        [4.58] 

Для горелок типа П характеры следующие размеры :

Таблица 7

Обозначение

горелок

D

116

58.131

260

200

445

490

Заключение

В данном курсовом проекте была рассчитана пламенная методическая печь, выбрана стандартная методическая нагревательная печь с желобчатым подом  (НУОЖ-14.80/13). Было рассчитано и выбрано вспомогательное оборудование (керамический и металлический рекуператоры) и рассчитана инжекционная горелка.

В приложениях представлены чертежи методической печи, керамического и металлического рекуператоров, схема дымового тракта, а также схемы движения теплоносителей в рекуператорах.

 

Список литературы

  1.  Теплотехнический справочник. Изд.2-е перераб. Т34 Под ред.В. Н. Юренева и П. Д. Лебедева. Т. 1. М., «Энергия», 1975.  744с. с ил.
  2.  Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник Т338/ Под общ. ред. чл.- корр. РАН А. В. Клименко и В. М. Зорина.- 3-е изд., перераб. и  доп. М.:Издательсво МЭИ,  2001.- 564 с.: ил.- (теплоэнергетика и теплотехника; кн. 2).
  3.  Роддатис К. Ф., Полтарецкий А. Н. Р60 Справочник по котельным установкам малой производительности/ Под ред. К. Ф. Роддатиса.- М.:Энергоатомиздат, 1989.-488 с.: ил.
  4.  Теория, конструкции и расчёты металлургических печей. Т. 2. Расчёты металлургических печей. Мастрюков Б. С.  М., «Металлургия», 1978. 272 с.
  5.  Промышленные теплотехнологии: Методики и инженерные расчёты оборудования высокотемпературных теплотехнологий машиностроительного иметаллургического производства: Учеб./ В. И. Тимошпольский, А. П. Несенчук, И. А. Трусова; Под общ. ред. А. П. Несенчука, В. И. Тимошпольского.- Мн.: Выш. Шк.,1998.- 422с.: ил.
  6.  Тепловой расчёт котлов(Нормативный метод). Издание 3-е, переработанное и дополненное Издательство НПО ЦКТИ, СПб, 1998. 256 с. с ил.
  7.  Вальченко Н.А., Гурко В.В. Практическое пособие по выполнению курсового проекта по курсу «Высокотемпературные теплотехнологические процессы и установки» для студентов специальности Т.01.02.00 «Теплоэнергетика». - ГГТУ, 2001


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20181. Оценка случайных погрешностей 788.5 KB
  Изменение погрешности во времени представляет собой нестационарный случайный процесс. Разделение погрешности на систематическую прогрессирующую и случайную составляющие представляет собой попытку описать различные участки частотного спектра этого широкополосного процесса: инфранизкочастотный низкочастотный и высокочастотный. Случайная погрешность составляющая погрешности измерения изменяющаяся случайным образом по знаку и значению в серии повторных измерений одного и того же размера ФВ проведенных с одинаковой тщательностью в...
20182. Точечные оценки законов распределения 114.5 KB
  Функции распределения описывают поведение непрерывных случайных величин т. Задача нахождения точечных оценок частный случай статистической задачи нахождения оценок параметров функции распределения случайной величины на основании выборки. В отличие от самих параметров их точечные оценки являются случайными величинами причем их значения зависят от объема экспериментальных данных а закон распределения от законов распределения самих случайных величин.
20183. Малое предпринимательство в экономических системах разных стран 293.71 KB
  Выявить тенденции и особенностей становления малого бизнеса в экономике России, его значимости в социально-экономическом развитии общества; раскрыть проблемы взаимодействия малого бизнеса и государственных органов; рассмотреть зарубежный опыт развития малого предпринимательства; исследовать франчайзинг как способ развития малого бизнеса; изучить франчайзинговые модели бизнеса российских стран.
20184. СЧЕТЧИКИ. Общие сведения 309.5 KB
  40 показаны вход и выходы счетчика без раскрытия схемы счетчика а в табл.19 Числопоступивших импульсов Состояние триггеров Число поступившихимпульсов Состояние триггеров Q4 Q3 Q2 Q1 Q4 Q3 Q2 Q1 0 0 0 0 0 8 1 0 0 0 1 0 0 0 1 9 1 0 0 1 2 0 0 1 0 10 1 0 1 0 3 0 0 1 1 11 1 0 1 1 4 0 1 0 0 12 1 1 0 0 5 0 1 0 1 13 1 1 0 1 6 0 1 1 0 14 1 1 1 0 7 0 1 1 1 15 1 1 1 1 Наряду с суммирующими счетчиками в которых в процессе счета каждое очередное число на одну единицу превышает предыдущее используются и такие счетчики в которых в процессе счета числа...
20185. ТРИГГЕРЫ. Активные и пассивные логические уровни элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ 207.5 KB
  Назначение триггера. Воздействуя на входы триггера его устанавливают в нужное состояние. Логический уровень на инверсном выходе представляет собой инверсию состояния триггера в состоянии 0 Q = 1 и наоборот. Приведем обозначение и назначение входов триггеров: R от английского RESET раздельный вход установки в состояние 0; S от английского SET раздельный вход установки в состояние 1; K вход установки универсального триггера в состояние 0; J вход установки универсального триггера в состояние 1; T счетный вход; D от английского...
20186. МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ/ ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОРЫ 74 KB
  Мультиплексор является устройством которое осуществляет выборку одного из нескольких входов и подключает его к своему выходу. Мультиплексор имеет несколько информационных входов D0 D1 . При подаче стробирующего сигнала на вход С мультиплексор выбирает один из входов адрес которого задается двоичным кодом на адресных входах и подключает его к выходу.26 Таким образом подавая на адресные входы адреса различных информационных входов можно передавать цифровые сигналы с этих входов на выход Q.
20187. ШИФРАТОРЫ/ДЕШИФРАТОРЫ 1.84 MB
  Входы дешифратора предназначаются для подачи двоичных чисел выходы последовательно нумеруются десятичными числами. В таких устройствах двоичное число поступая на вход дешифратора вызывает появление сигнала на определенном его выходе.19а приведено символическое изображение дешифратора. Рассмотрим построение дешифратора осуществляющего преобразование заданное табл.
20188. Совершенствование деятельности административно-хозяйственной службы АЗИМУТ Отель Санкт-Петербург 423.5 KB
  Рассмотреть теоретические аспекты процесса обслуживания номерного фонда и его особенностей; исследовать и проанализировать организацию деятельность административно-хозяйственной службы АЗИМУТ Отеля Санкт-Петербург, обосновать экономическую эффективность предложенных мероприятий...
20189. ЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ Понятие о логической функции и логическом устройстве 153 KB
  Для того чтобы подчеркнуть особенности таких функций состоящую в том что сама функция и ее аргументы могут принимать значения логического нуля и логической единицы будем эти функции называть функциями алгебры логики ФАЛ. Такое устройство является комбинационным в котором значение формируемой на выходе логической функции определяется лишь значениями ее аргументов в данный момент времени. Элементарные логические функции.