Методическая четырехзонная печь

Министерство образования Российской Федерации
Магнитогорский Государственный Технический Университет
Имени Г.И. Носова
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
Методическая четырехзонная печь
Исполнил:
студент группы ТМБВ-05-01 Резов М.Г.
проверил: Попереков И.В.
2008 год
Содержание
1. Задание.
2. Введение.
3. Расчет горения топлива.
4. Определение времени нагрева металла.
5. Определение основных размеров печи.
6. Составление теплового баланса печи.
7. Выбор и расчет горелок.
8. Расчет рекуператора.
9. Расчет дымового тракта.
10. Расчет дымовой трубы.
11. Выбор вентилятора.
12. Технико-экономические показатели печи.
13. Список использованной литературы.
Введение
Нагревательные толкательные печи характеризуются противоточным движением нагреваемого металла и продуктов сгорания, а так же наличием в начале печи (со стороны посада металла) развитой не отапливаемой методической зоны, вследствие чего их часто называют методическими печами.
Методические печи по числу зон нагрева могут быть двух-, трёх — и многозонными с односторонним и двусторонним нагревом металла. При трёхзонном режиме нагрева имеются три теплотехнические зоны, по ходу металла: методическая, в которой повышается температура, сварочная с высокой постоянной температурой и томильная с постоянной температурой, близкой к заданной конечной температуре поверхности металла. Металл толщиной до 100 мм нагревают с одной стороны в печах без нижнего нагрева, а толщиной больше 100 мм — с двух сторон (с нижним нагревом).
Большое значение для работы методических печей имеет способ выдачи металла из печи. Различают торцевую и боковую выдачу металла. При торцевой выдаче необходим толкатель, который и выполняет роль выталкивателя.
Конструкцию методических печей выбирают в зависимости от типа стана и вида топлива. Тип стана определяет производительность печей толщину применяемой заготовки, температуру нагрева металла и его сортамент. От вида используемого топлива зависит конструкция горелочных устройств и применение рекуператоров. При использовании трёх зонных методических толкательных печей на среднесортных и крупносортных станах под печи выполняют прямым, с торцевой подачей и выдачей металла.
Расчет горения топлива
Рассчитаем процесс горения природного газа следующего состава:
СО2 = 2,5%; СН4 = 84,0%; С2Н6 = 4,0%; С3Н8 = 3,0%; С4Н10 = 3,5%;
N2 =3,0%.
Содержание влаги W= 11,5 г\м3
Коэффициент расхода воздуха α =1, 20
Температура подогрева воздуха tв0 = 400 0С
Определяем:
Низшую теплоту сгорания топлива, Qнр.
Расход воздуха на горение: — теоретический L0
— практический Lα
3. Расход продуктов горения: — теоретический V0
— практический Vα
4. Состав продуктов горения.
5. Температура горения топлива, tж.
Коэффициент перерасчета сухого на влажный газ:
/>
Состав влажного воздуха:
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Всего: 100%
Отношение в дутье />
/>
К1=0,21,
Где К1 доля О2 в воздухе
Теоретический расход воздуха на горение 1 м3 газа:
/>
Практический расход воздуха:
/>
Определим количество продуктов горения при α = 1,0
/>
/>
/>
/>
Определим количество продуктов горения при α =1,2
/>
/>
Действительный выход влажных продуктов горения м3/м3
/>
Определим процентный состав влажных продуктов горения при α =1.0
/>
/>
/>
Всего: 100%
Найдем процентный состав продуктов сгорания при α = 1,2;
/>
/>
/>
/>
Всего: 100%
Проверим правильность расчета составлением материального баланса:
Поступило: топливо (природный газ)
/>
/>Плотность продуктов сгорания:
/>
Получим:
/>
/>
/>
Определим низшую теплоту сгорания топлива (Qnp) ^
/>
Начальная энтальпия продуктов сгорания для расчета температур жаропроизводительной и калориметрической iж0; ik0^
/>
/>
/>
/>
Определим температуру жаропроизводительности (tж0);
Зададимся tж0 = 2000 0С, найдем q = ip, где р – массовая доля компонента в продуктах горения и I – теплосодержание компонента (из табл)
/>
/>
/>
/>
/>/>
Зададимся tж0 = 2100 0С, тогда />составит
/>
/>
/>
/>
/>
21000С20000С
/>
Определим калориметрическую температуру горения (t k0)
Зададимся t k0 = 21000С, тогда q=im составит
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Пусть t k0 = 20000С, тогда q=im составит
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Действительная температура горения:
/>
Где η-пирометрический поправочный коэффициент для методических печей
/>
Определение времени нагрева металла
Выберем температурный график процесса нагрева. Температуру уходящих из печи газов примем равной 8000С, а температуру в томильной зоне на 500С выше, чем температуру нагрева металла, то есть 12300С. На основании выше изложенного действительная температура горения 1315 0С.
Методическую зону условно разделим на 3 участка и усредним температуру в печи в пределах каждого из них. Для предварительного определения основных размеров печи зададимся величиной напряженности Н габаритного пода, H=P/F=500 кг/м2. тогда площадь пода будет равна F=120000/500=240 м2
Выполняем печь с однорядным расположением заготовок;
Определим ширину В и длину L печи.
Длина заготовок – l =4,3 м
Ширина печи В= l+δ2=4,3+2*0,28 =4,86м
Где δ – зазор между заготовками и стенами печи. –PAGE_BREAK–
l — длина заготовки.
Длина печи />
/>
Рис.1 Температурный график нагрева печи
I-V – температурные участки методической печи:
1 — температура печи: 2 — температура поверхности металла.
Для определения степени развития кладки ω примем высоту печи h равной:
— в методической зоне нагрева – 1,0 м;
— в сварочной зоне нагрева – 2,0 м;
— в томильной зоне нагрева – 1,3 м; 40Тогда степень развития кладки по зонам будет равной:
/>
/>
/>
/>
Эффективная толщина газового слоя для каждой из зон печи находим из выражения:
/>
Где V — объем зоны, м3;
F — суммарная площадь стен, свода и пода данной зоны, м2;
η — поправочный коэффициент, равный 0,9.
Для методической зоны с длиной Lм эффективная толщина газового слоя
/>
/>
/>
Определяем время нагрева для I участка методической зоны.
Находим степень черноты газов εГ:
tr =8860С
/>
/>
/>
По номограммам находим
/>
Откуда />
Принимаем степень черноты металла
/>определим величину коэффициента Ск. г. м.:
/>
Коэффициент теплоотдачи излучением на первом участке методической зоны будет равен при tпов=(20+300) /2=1600С
/>
Для определения критерия Вi и коэффициента температуропроводности находим из приложений VI иVII коэффициенты теплопроводности и теплоемкости (по средней температуре металла на участке 1600С):
/>
/>
Отсюда для двухстороннего нагрева критерий Вi будет равен:
/> — тонкое тело
Где: S=0,37*0,55=0,2 м
Из величины критерия Вi следует, что на первом участке методической зоны заготовки греются как тонкое тело и время нагрева следует определять по формуле:
/>
где />G — вес заготовки, кг
поскольку тонкое тело греется без перепада t0 по сечению, средняя температура по сечению металла к концу I участка нагрева составит 3000С.
Определим время нагрева для II участка методической зоны:
tг=10580C; tме=4500С.
По номограммам находим
/>
Откуда />
Принимаем степень черноты металла
/>определим величину коэффициента Ск. г. м.:
/>
/>
Для определения критерия Вi и коэффициента температуропроводности находим из приложений VI иVII коэффициенты теплопроводности и теплоемкости (по средней температуре металла на участке 4500С):
/>
/>
Отсюда для двухстороннего нагрева критерий Вi будет равен:
/>
На данном участке заготовка греется как массивное тело. Определим величину температурного критерия для поверхности металла.
/>
По номограмме для поверхности пластины по значениям Bi и/>
Находим величину критерия Фурье. F0=0,8
Коэффициент температуропроводности будет равен
/>
/>
/>
Определим температуру центра металла, к концу нагрева на II участке методической зоны, для чего по значениям F0=0,8 и Bi=0,5, пользуясь номограммой для центра пластины, найдем:
/>следовательно
/>
Определим время нагрева в первой сварочной зоне (участок III)
/>
/>
tг=12300C; tме=7400С.
По номограммам находим
/>
Откуда />
Принимаем степень черноты металла
/>определим величину коэффициента Ск. г. м.:
/>
/>
Для определения критерия Bi и коэффициента температуропроводности α находим из приложения VI и VII
Коэффициенты теплопроводности и теплоемкости (по средней температуре металла на участке 740 0С):
/>
/>
Коэффициент температуропроводности будет равен
/>
Для двухстороннего нагрева критерий Bi будет равен
/>тело массивное
Определяем величину температурного критерия для поверхности металла.
/>
По номограмме для поверхности пластины находим величину критерия Фурье. F0=0,4, отсюда
/>
По номограмме для центра пластины по значениям F0 и Bi найдем
/>
Следовательно температура центра, />
/>
Определим время нагрева в сварочной зоне (IV участок)
tг=13150С;
/>
Степень черноты газов
/>
/>
/>
По номограмме находим
/>
Откуда />
Принимаем степень черноты металла />определим величину коэффициента Ск. г. м.:
/>
/>
Для определения критерия Bi и коэффициента температуропроводности α находим из приложения VI и VII
Коэффициенты теплопроводности и теплоемкости (по средней температуре металла на участке 1000 0С):
/>
/>
Отсюда критерий Вi будет равен:
/>
На данном участке заготовка греется как массивное тело. Определим величину температурного критерия для поверхности металла.
/>
Коэффициент температуропроводности будет равен
/>
По номограмме для поверхности пластины находим величину критерия Фурье. F0=0,8
/>
По номограмме для центра пластины по значениям F0 и Bi найдем
/>
Следовательно температура центра,
/>
Определим время выдержки (томления), пользуясь номограммой. Разность температур по сечению металла в начале выдержки составит:
/>
Определим допустимую разность температур в конце выдержки, учитывая условие 2000С на 1м толщины заготовки;
2000С – 1 м
/>
/>
Тогда: />
При />
Средняя температура поверхности металла по толщине в зоне выдержки равна:
/>
Находим коэффициенты теплопроводности и теплоемкости (по средней температуре металла на участке 11110С):     продолжение
–PAGE_BREAK–
/>
/>
Коэффициент температуропроводности будет равен:
/>
Время выдержки будет равно:
/>
Таким образом время пребывания металла в печи составит:
/>40
Определение основных размеров печи
Для обеспечения заданной производительности 120т/ч
В печи постоянно находится следующее количество металла.
/>
Масса одной заготовки равна
/>
Найдем число заготовок в печи:
/>
При однорядном расположении заготовок:
Длина печи />
Ширина печи В= l+δ2=4,3+2*0,28 =4,86м
Площадь активного пода />
Площадь габаритного пода />
Высоту печи принимаем ту, что была принята при предварительном расчете.
Всю длину печи делим на зоны пропорционально времени нагрева:
Длина методической зоны
/>
Длина I-ой сварочной зоны
/>
Длина II-ой сварочной зоны
/>
Длина томильной зоны
/>
Напряженность габаритного пода печи
/>
Т. е значение близко к тому, которое задавалось при предварительном расчете.
Выберем для печи следующую футеровку:
Свод подвесного типа из шамота класса А, толщиной 300 мм, стены двухслойные (шамот класса А δ = 3345 мм). И тепловая изоляция из диатомита δ = 115 мм, под томильной зоны трехслойный (тальк δ = 230 мм, шамот класса Б δ = 230 мм, диатомит δ = 115 мм).
Составление теплового баланса печи
Выполняем конструктивную разработку печи. В данном примере расчета это сделать не возможно. При составлении теплового баланса печи приходилось отпускать некоторые статьи расхода тепла, не превышающие 5% всего расхода.
Приход тепла:
тепло от сжигания топлива:
/>,
где В — искомый расход топлива, м/ч3
тепло, вносимое подогретым воздухом:
/>
/>
тепло экзотермических реакций (примем угар 1%, теплота сгорания железе 5650кДж/кг)
/>
Расход тепла:
При составлении теплового баланса опущены следующие статьи расхода:
А) потери тепла излучением через открытые окна;
Б) потери от химической неполноты сгорания;
В) потери от механической неполноты сгорания.
1. тепло, затрачиваемое на нагрев металла:
/>при />
/>
2. тепло, уносимое уходящими газами. Определим теплоемкость дымовых газов при tух =8000С;
/>
/>
/>
/>
/>
/>
3. потери тепла через кладку теплопроводностью.
Потери через свод
/>
Толщина свода 0,3 м, материал шамот. Принимаем, что температура внутренней поверхности свода равна температуре газов.
Средняя температура в печи:
/>
Если считать, что температура наружной поверхности кладки около 500С, то средняя температура огнеупорного материала свода ~5900C.
По этой температуре выбираем коэффициент теплопроводности шамотного материала:
/>
Таким образом, потери через свод составляют:
/>
где α – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стен к окружающему воздуху, равный 71,2 кДж/(м2*ч*0С)
Потери через стены. Кладка стен выполнена двухслойной (шамот 345 мм, диатомит 115 мм)
Площадь стен, м2:
Методической зоны
/>
Сварочной зоны
/>
Томильной зоны
/>
Торцевых
/>
Полная площадь стен 162,73 м2
При линейном распределении температуры по толщине стены средняя температура шамота будет равна 5500С, а диатомита 1500С.
Следовательно.
/>
/>
Полные потери через кладку
/>
4. Потери тепла с охлаждающей водой по практическим данным принимаем равным 10% Qх прихода, то есть Qх+Qр
/>
5. Неучтенные потери принимаем в размере 15% Q прихода тепла
/>
Составим уравнение теплового баланса печи
/>
Тепловой баланс печи сведем в табл.1; 2
Таблица 1
Приход, к, Дж/ч
%
1. Тепло, получаемое от сгорания топлива
/>
81,4
2. Тепло, вносимое подогретым воздухом
/>
13,45
3. Тепло экзотермических реакций
/>
5,06
Итого: />
100
Таблица 2
Расход кДж/ч
%
Тепло затрачиваемое на нагрев металла
/>
53
тепло уходящих газов
/>
26
потери через кладку
/>
1,9
потери с охлаждающей водой
/>
6,7
неучтенные потери
/>
10,6
Итого: />
100
Удельный расход тепла на нагрев 1 кг металла составит
/>
Выбор и расчет горелок
Принимаем, что в печи установлены горелки типа «труба в трубе».
В сварочных зонах 16 штук, в томильной 4шт. общее количество горелок 20шт. Определим расчетное количество воздуха приходящее на одну горелку.
/>где,
Vв — часовой расход воздуха;
ТВ — 400+273=673 К — температура подогрева воздуха;
N – количество горелок.
Давление воздуха перед горелкой принимаем 2,0 кПа. Следует что, требуемый расход воздуха обеспечивает горелка ДБВ 225.
Определим расчетное количество газа на одну горелку;
/>
Где,
VГ =В=2667 часовой расход топлива;
ТГ =50+273=323 К — температура газа;
N – количество горелок.
8. Расчет рекуператора
Для подогрева воздуха проектируем металлический петлевой рекуператор из труб диаметром 57/49,5 мм с коридорным расположением их шагом     продолжение
–PAGE_BREAK–
/>
Исходные данные для расчета:
Часовой расход топлива В=2667 кДж/ч;
Расход воздуха на 1 м3 топлива Lα = 13,08 м3/м3;
Количество продуктов сгорания от 1 м3 горючего газа Vα =13,89 м3/м3;
Температура подогрева воздуха tв = 4000С;
Температура уходящих газов из печи tух=8000С.
Расчет:
Часовой расход воздуха:
/>
Часовой выход дыма:
/>
Часовое количество дыма, проходящего через рекуператор с учетом потерь дыма на выбивание и через обводной шибер и подсоса воздуха.
/>
Коэффициент m, учитывая потери дыма, принимаем 0,7.
Коэффициент />, учитывающий подсос воздуха в боровах, примем 0,1.
/>
Температура дыма перед рекуператором с учетом подсоса воздуха;
/>,
где iух – теплосодержание уходящих газов при tух=8000С
/>
/>
Этому теплосодержанию соответствует температура дыма tД=7500С. (см. Рис.67(3))
5. Температура дыма за рекуператором
/>
Где /> — теплосодержание воздуха при tВ=4000С;
/>40
/>— теплосодержание холодного воздуха
/>
/> — коэффициент, учитывающий тепловые потери рекуператора в окружающую среду равный 0,9.
Этому теплосодержанию соответствует температура дыма tД=4400С.
Среднелогарифмический напор
/>
коэффициент теплопередачи в рекуператоре
/>
где, α` — коэффициент теплопередачи на дымовой стороне;
α“ — то же, на воздушной стороне, />
где, /> — коэффициент теплоотдачи излучением,
/> — коэффициент теплоотдачи конвекцией.
Определим эффективную толщину газового слоя S
/>
Средняя температура дыма в рекуператоре
/>
При tД=5950С, S=0, 193 и αизл=9 Вт/(м2град)
Величина />определяется по формуле
/>
где, С=1+0,1*Х1/d=1+0,1*2=1,2
принимаем скорость дыма />
/>
Общий коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне
/>
Коэффициент теплоотдачи на воздушной стороне 40
Средняя температура воздуха
/>
Принимаем скорость воздуха />
/>
Коэффициент теплопередачи
/>
Поверхность нагрева рекуператора;
/>
Произведем компоновку редуктора
Число U образных элементов
/>
Средняя поверхность нагрева одного трубного элемента
/>
Средняя длина одного трубного элемента
/>
/>
Число труб в ряду перпендикулярные движению дыма
/>
/>
Число труб по ходу дыма в каждой секции рекуператора
/>
Ширина рекуператора равна
/>
Определим радиус Rср трубы длиной Lср. 40
По счету она будет 8, тогда
/>
/>
/>
Следовательно, высота рекуператора равна
/>
Длина рекуператора равна
/>
/>
/>
Расчет дымового тракта
Исходные данные для расчета:
1. Количество продуктов реакции горения тракта VД = 37044 м3/ч
2. Плотность дымовых газов PД=1,24 кг/м3
3. Размеры рабочего пространства в конце печи 4,86 х 1,3 м
4. Температура дыма в конце печи 1073К
5. Температура дыма в вертикальных каналах />
6. Падение температуры дыма в рекуператоре складывается из потерь:
А) на трение;
Б) на местных сопротивлениях;
В) на преодоление геометрического напора (разряжение)
Схема дымового тракта рис.2.
/>
Скорость движения дымовых газов в конце печи с четом уменьшения сечения рабочего пространства печи за счет нагревающихся заготовок, толщиной а=0,37 м, составит:
/>
Скорость движения в вертикальных каналах принимаем равной />
Тогда площадь сечения каждого канала
/>
где, n=6 число вертикальных каналов.
Размеры вертикальных каналов принимаем следующими:
а=0,9 м; b=0,9 м
Fверт= аb=0,9*,09=,81 м2
И высота Hверт= 3 м; тогда приведенный диаметр равен
/>
Потери давления на трение составляют:
/>
Где для кирпичных каналов />
средняя температура в канале.
Потери давления в канале при повороте из печи в вертикальные каналы на 900 с сужением. 40
/>
/>
Для случая/>из рис.91(5) />
Потери на преодоление геометрического давления составляют:
/>
Суммарные потери давления в вертикальных каналах:
/>
Определим потери давления при движении дымовых газов от вертикальных каналов до рекуператора, которые складываются из потерь при повороте на 900 с изменением сечения при входе в боров, потерь на трение и поворот на 900 в борове без изменения сечения, то есть:
/>
Скорость движения дыма в борове принимаем />
Сечение борова
/>
Высоту борова принимаем равной h=2м. Ширина борова
/>
Приведенный диаметр борова
/>
Потери давления при входе в боров
/>
Где, />для случая /> 40
Принимаем падение температуры дыма 2К на 1 м длины борова. При длине борова от вертикальных каналов до рекуператора 11м, падение температуры дыма равно 22К. Температура дыма перед рекуператором составляет:
/>
Средняя температура дыма в борове
/>
Потери давления на трение
/>
Потери давления при повороте борова на 900
/>
Где, />для случая />(см. приложение V,6)
Суммарные потери давления на участке от вертикальных каналов до рекуператора составят:
/>
Потери в рекуператоре складываются из потерь при внезапном расширении на входе в камеру рекуператора, потерь при внезапном сужении при выходе из камеры рекуператора и потерь давления при поперечном омывании дымом коридорного пучка труб.
Размеры камеры для установки рекуператора равны:
/>    продолжение
–PAGE_BREAK–
Наружный диаметр труб составляет:
/>
Температура дыма на выходе в рекуператор />на выходе:
/>
/>
Скорость движения дыма в рекуператоре принимаем равной, />:
Число рядов труб по ходу дыма n=2*15=30 шт.
Потери давления при внезапном расширении (изменении скорости) при входе в рекуператор
/>
Где, />для случая (см. приложение V,6) /> 40
При поперечном омывании дымом коридорного пучка труб
/>
Где: />
n=30 число труб по ходу дыма
α=0,11; β=1,0 коэффициенты, определяемые по рис112(5)
х1=2d; х2=2d шаг пучка труб перпендикулярно и по ходу дыма соответственно.
Потери давления при сужении на выходе из камеры рекуператора в боров
/>
Где, />для случая (см. приложение V,6) />
Скорость движения дыма в камере рекуператора за трубами составляет:
/>
Потери давления в рекуператоре составляют:
/>
Определим потери давления на участке от рекуператора до шибера.
Принимаем падение температуры дыма на этом отрезке 1,5К на 1 м длины борова (длина борова 6 м). Тогда средняя температура на этом участке составит:
/>
/>
При этом же сечении борова, что и до рекуператора, потери на трение составляют:
/>
Общие потери давления при движении продуктов сгорания от рабочего пространства до шибера составляют:
/>
Рис.2 Схема дымового тракта методической печи: l-печь; 2-вертикальные каналы; 3-рекуператор; 4-боров; 5-шибер; 6 — труба дымовая.
/>
Расчет дымовой трубы
Определим высоту дымовой трубы, предназначенной для удаления продуктов сгорания из методической нагревательной печи. Общая потеря давления при движении дымовых газов.
/>
Температура дыма перед трубой ТГ1=704К.
Плотность дымовых газов РГО=1,24.
Температура окружающего воздуха ТВ=293К
Количество продуктов сгорания, проходящих через трубу:
/>
Найдем площадь сечения устья трубы, принимая скорость движения дыма в устье равным />
/>
Диаметр устья трубы
/>
Диаметр основания трубы находим из соответствия
/>то есть />
Скорость движения дымовых газов в основании трубы составляет:
/>
Действительное разряжение, создаваемое трубой должно быть на 50-60%
больше потерь давления дымовых газов, то есть
/>
Определим температуру газов в устье трубы, для чего ориентировочно принимаем по графику(рис.3) высоту дымовой трубы Н= 50м.
Падение температуры для кирпичной трубы принимаем равной 1,0-1,5К на
1 м высоты трубы:
/>
Тогда температура газов в устье трубы равна:
/>
Средняя температура газа составит:
/>
Средний диаметр трубы составляет:
/>40
Тогда: />
Средняя скорость движения дымовых газов в трубе составляет:
/>
Определение высоты дымовой трубы.
Коэффициент трения /> для кирпичных труб примем равным />
40/>
Выбор вентилятора
Для вентилятора воспользуемся таблицей выбора вентиляторов рис.8ст.50(6).
По характеристикам, соответствующим параметрам печи (часовым расходом воздуха Vв=2667 м3/ч и давлением перед горелками 4кПа) выбираем вентилятор ВВД-5 с клиноременной передачей.
Технико-экономические показатели печи
№
Показатель
Величина
1
Производительность
120 т/ч
2
Часовой расход газа
2667 м3/ч
3
Удельный расход тепла
1483,3 кДж/кг
4
КПД печи
53%
13. Список использованной литературы
1. Кривандин В.А., Марков Б. л. Металлургические печи. М; Металлургия, 1977.46 с.
2. Мастрюков Б.С. Расчет металлургических печей.
М; Металлургия. 1986.376 с.
3. Тайц Н.Ю., Розенгарт Ю.И. Методические нагревательные печи. М Металлургиздат, 1964.408 с.4. Тымчак В.Н. Гусовский В.Л. Расчет нагревательных и термических печей. Справ. Изд. М; Металлургия, 1983, 480 с.
4. Детали машин. Атлас конструкций под редакцией Решетова Д.Н. М. Машиностроение, 1979 г.