Розрахунок камерної печі з нерухомим подом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Велика різноманітність конструкцій печей, що застосовуються в сучасній промисловості, зумовлено, перш за все, надзвичайно широким спектром технологічних процесів, здійснюваних при виробництві та подальшій тепловій обробці різноманітних матеріалів і виробів. Грамотно спроектована, і відповідно надійно працююча піч з економним і раціональним використанням її теплової потужності є тією базою, на основі якої можна успішно вирішувати практично будь-які технологічні проблеми.

Будь-яка галузь промисловості пов'язана з тепловими високотемпературними агрегатами, в яких температура в робочому просторі знаходиться в широкому діапазоні від 600 до 1800⁰С в залежності від технологічних процесів. Досягнення високих температур безумовно потребує велику кількість теплової енергії, тобто палива, і чим вище температура, тим більші витрати теплоносіїв.

Питомі витрати енергоносіїв залежать від конструкції теплових установок, теплотехнічних режимів нагріву, ефективного використання ВЕР, конструкції паливних пристроїв, теплоізоляційних матеріалів та інших факторів.

Камерні пічі -- узагальнена назва групи промислових печей, в яких вироби залишаються нерухомими щодо пічі протягом усього періоду нагріву. Камерні пічі застосовують для нагріву металевих заготовок перед прокаткою і куванням, для термічної обробки металевих і скляних виробів, випалу керамічних і емальованих виробів. Камерні пічі класифікують за конструкцією: вертикальна піч, ковпакова піч, нагрівальний колодязь, піч з висувним подом, ямна піч та ін.

Камерні пічі опалюють газом або рідким паливом. Термічні камерні пічі, що працюють з атмосферою контрольованого складу, обігрівають електричними нагрівачами опору або радіантними трубами. Часто електричний обігрів доцільний для забезпечення точності режиму термічної обробки і при нагріванні без атмосфери контрольованого складу. Найбільш широко поширені камерні пічі з нерухомим подом, що застосовуються в ковальських цехах.

За температурним рівнем, що створюється в робочому просторі, розділяють наступні групи печей[3]:

1) низькотемпературні пічі, в яких значна частина теплоти від нагрівачів до садку передається конвекцією. Їх область застосування визначається межею 600...700 °С. Цією групою охоплюються різного виду процеси сушіння, відпуску сталевих виробів, а також нагрівання під термічну і механічну обробку кольорових металів.

2) середньотемпературні пічі з діапазоном температур від 700 до 1250 °С.

Тут в робочому просторі переважає теплопередача випромінюванням. Верхня температурна межа їх застосування визначається стійкістю металевих нагрівачів, здатних працювати в окислювальній пічної атмосфері.

3) високотемпературні пічі з температурним діапазоном робочої температури вище 1250 °С передбачають застосування нагрівачів зі сплавів або неметалевих матеріалів, здатних працювати лише у вакуумі або захисному середовищі, що викликає істотну відмінність в конструкції теплових агрегатів.

1. Розрахунок горіння палива

1) У складі природного газу волога відсутня, в зв'язку з чим перерахунок складу сухого газу на вологий не робимо.

2) Теплота згоряння природного газу визначається за формулою

=0,127·CO+0,108·H₂+0,357·СН₄+0,596·С_mН_n;

=0,127·22,10+0,108·14,20+0,357·5,70+0,596·0,40=6,967 Мдж/мі

3) Теоретична витрата повітря, необхідна для спалювання одиниці палива:

Lo=0,0476·0,5·СО+0,5·Н2+2·СН4·+3·С_mН_n-O2]·(1+0,00124·dв);

Lo=0,0476·[0,5·22,10+0,5·14,20+2·5,70+3·0,40-0,20]·(1+0,00124·7,8)=1,468 м³/ м³.

4) Дійсна витрата повітря: L_д = п L₀; приймаємо п = 1,1:

Lд = 1,1·1,468 =1,615 м3/ м3

5) Визначимо кількість продуктів горіння:

V_CO2=(CO+CO2+CH4+2 C_mH_n)·0,01;

V_CO2=(22,10+9,80+5,70+2·0,40)·0,01=0,38 м³/ м³;

V_H2O=(H2+2·CH4+2· C_mH_n +0,124·Lд·dв)·0,01;

V_H2O=(2·5,70+3·0,40+14,20+0,124·1,615·7,8) 0,01=0,28 м³/ м³;

V_O2=0,21· (n-1) ·Lo=0,21· (1,1-1) ·1,615=0,03 м³/ м³;

V_N2=(N2+79·Lд) ·0,01=(47,60+79·1,615) ·0,01=1,75 м³/ м³;

6) Загальна кількість продуктів горіння:

Vд=(V_CO2+V_H2O+V_O2+V_N2)=0,38+0,28+1,75+0,03=2,45 м³/ м³;

Склад продуктів горіння:

Склад продуктів горіння показаний в табл. 1.0

Таблиця 1. Склад продуктів горіння,%

% СО2	% Н2О	% N2	% О2	Сума
15,57	11,48	71,72	1,23	100,0

7) Густина продуктів горіння:

2. Розрахунок зовнішнього теплообміну і розмірів робочого простору печі

1) Заготовки розташовуються на поду печі в два ряди з проміжками, рівними половині товщини заготовки.

2) Довжина робочого простору печі:

L=

3) Ширина робочого простору печі:

B=

4) Висота робочого простору печі в замку склепіння:

Н = 1400 мм = 1,4 м (приймається конструктивно).

Висота бічної стінки h = 1,2 м.

5) Середня висота печі

6) Визначаємо геометричні параметри випромінювання.

Поверхня кладки:

Випромінююча поверхня металу:

де n - кількість заготовок в печі;

s - товщина матеріалу, що нагрівається, м;

- довжина матеріалу, що нагрівається, м.

Об'єм робочого простору печі:

Об'єм металу:

Об'єм робочого простору, заповненого газом:

7) Ефективна товщина газового шару:

8) Ступінь чорноти газу:

_г = 1 - ехр (-kPS_эф),

де k - коефіцієнт ослаблення (1 / м), який розраховується за формулою

k = (0,8 + 1,6 Р_Н20) (1 - 0,00038Т) / РS_эф,

де Т - температура димових газів, К;

9) сумарний парціальний тиск газів.

Р = (Р _Н2О + Р_СО2)

Р = (15,57/100) + (11,48/100) = 0,2705.

10) Приведений коефіцієнт випромінювання «газ-кладка-метал»:

Приймаємо

11) Розрахуємо _г и для t_r = 1000°С; (Т = 1273 К):

k = (0,8 + 1,60,1148) (1-0,000381273) / ((0,2705)0,66) = 1,479 1/м;

Приймаємо _г = 0,232.

12)

Визначаємо ступень чорноти димових газів в інтервалі температур від 800 до 1200 ° С, результати заносимо в табл. 2.0.

Таблиця 2.0 Значення в залежності від температури газу

800	0,261	3,426
900	0,247	3,357
1000	0,232	3,281
1100	0,217	3,197
1200	0,202	3,104
1300	0,228	3,259

13) Зведений коефіцієнт випромінювання:

14) Кутові коефіцієнти визначаються:

3. Розрахунок нагріву металу

1) Склад сталі 45Х наступний:

С=0,40-0,50% Mn=0,50-0,80% Cr=0,8-1,1% Si=0,15-0,35%

2) Для розрахунків приймаємо такий склад:

С=0,45% Mn=0,7% Cr=1% Si=0,3%

3) Коефіцієнт теплопровідності стали при 0 ⁰С:

70-10С-16Mn-33,7Si=, де 70 - коефіцієнт теплопровідності чистого заліза, Вт/м град

4) Результати розрахунків наведені в табл. 3.0

Таблиця 3.0 Коефіцієнт теплопровідності , питома теплоємність і ентальпія i для сталі 45Х в діапазоні температур 0-1000 ⁰С

t, °C	0	200	400	600	800	1000
, Вт/(мК)	44,19	41,98	37,56	33,14	30,05	30,05
кДж/(ктК)	-	0,480	0,520	0,571	0,686	0,692
i, кДж/кг	-	95,9	208,1	342,5	548,7	692,4

5) Визначимо густину сталі 45Х:

= 7880 - 40 С - 16 Мп - 73 Si = 7880 - 400,45 - 160,7 - 730,3 = 7829 кг/м³

6) Приймаємо наступний режим нагріву:

перший період -- нагрівання при постійній температурі печі (t_печ = const);

другий період -- вирівнювання температур за умови сталості температури поверхні (t_п = const). Нагрів -- односторонній.

7) Перший період нагріву

Припустима різниця температур:

град.

8) Для сталі 45Х:

9) Так як температурні напруги повинні враховуватися при нагріванні сталі до 500 ⁰С, то визначаємо:

де , беремо з рис. 6.1 [1].

10) Тепловий опір металу, що гріється:

11) Припустима температура печі:

при

12) Температуру печі в першому періоді нагріву приймаємо декілька нижчою припустимої t_піч = 1000⁰С.

13) Розіб'ємо перший період нагріву на два інтервали по температурі поверхні: перший інтервал - від t_п0 = 20⁰С до t_п1 = 700°С; другий інтервал - від t_n1 = 700°С до t_n2 = 850⁰С.

14) Перший інтервал

15) Початковий тепловий потік:

де 1,1 - коефіцієнт, що враховує 10% на тепловіддачу конвекцією, так як температура димових газів вища 800°С.

16) Тепловий потік в кінці першого інтервалу:

17) Коефіцієнт тепловіддачі на початку нагріву:

18) Коефіцієнт тепловіддачі в кінці першого інтервалу:

19) Середнє значення коефіцієнта тепловіддачі:

20) Середнє значення коефіцієнта теплопровідності:

21) Критерій Біо:

22) Температурний критерій поверхні:

23) Критерій Фур'є (див. рис. 48 [2]) F_o = 3,6 Температурний критерій центру (див. рис. 49[2]) Ф_Ц = 0,36.

Оскільки в нашому випадку нагрів односторонній, то під температурою центру мається на увазі температура нижньої поверхні заготовки.

24) Температура центру заготовки в кінці першого інтервалу нагріву:

Уточнюємо значення коефіцієнта теплопровідності по наближеному значенню t_ц1, а потім відповідно уточнюємо розраховані вище величини:

25)

26) Критерій Фур'є F_o = 3,4. Температурний критерій центру Ф_Ц = 0,35.

27) Перепад температур по перетину заготовки в кінці першого інтервалу:

28) Середня температура по перетину заготовки

29) Розрахункова теплоємність у першому інтервалі:

Тепловміст сталі 45Х визначається по рис. 4.2 [1]:

30) Середнє значення коефіцієнта температуропровідності в першому інтервалі:

31) Час нагріву в першому інтервалі:

32) Температура газу на початку нагріву:

33) Температура газу в кінці першого інтервалу:

34) Температура кладки на початку нагріву (беремо з розрахунку 2 періоду)

Другий інтервал.

35) Початковий тепловий потік:

де 1,1 - коефіцієнт, що враховує 10% на тепловіддачу конвекцією, так як температура димових газів вища 800°С.

36) Тепловий потік в кінці другого інтервалу:

37) Коефіцієнт тепловіддачі на початку нагріву:

38) Коефіцієнт тепловіддачі в кінці другого інтервалу:

39) Середнє значення коефіцієнта тепловіддачі:

40) Середнє значення коефіцієнта теплопровідності:

41) Критерій Біо:

42) Температурний критерій поверхні:

Критерій Фур'є (див. рис. 48 [2]) F_o = 1,5. Температурний критерій центру (див. рис. 49[2]) Ф_Ц1 = 0,45.

43) Температура центру заготовки в кінці другого інтервалу нагріву:

44) Уточнюємо значення коефіцієнта теплопровідності по наближеному значенню t_ц2, а потім відповідно уточнюємо розраховані вище величини:

45) Критерій Фур'є F_o = 1,03. Температурний критерій центру Ф_Ц2 = 0,51.

46) Перепад температур по перетину заготовки в кінці другого інтервалу:

47) Середня температура по перетину заготовки

48) Розрахункова теплоємність у другому інтервалі:

Тепловміст сталі 45Х:

49) Середнє значення коефіцієнта температуропровідності в другому інтервалі:

50) Час нагріву у другому інтервалі:

51) Температура газу на початку нагріву:

52) Температура газу в кінці другого інтервалу:

53) Температура кладки на кінці другого інтервалу:

= 1049 - 100 = 949

54) Загальний час нагріву в першому періоді:

За даними розрахунку будується графік нагріву

Другий період нагріву.

1) Ступінь вирівнювання температур:

2) Коефіцієнт вирівнювання температур при = 0,294 для пластин m = 0,38 (див. рис. 67[2]).

3) Середнє значення коефіцієнта теплопровідності у другому періоді:

4) Середня температура в кінці другого і третього інтервалів:

5) Розрахункова теплоємність в другому періоді:

6) Середнє значення коефіцієнта температуропровідності:

7) Тривалість вирівнювання температур:

8) Тривалість витримки при термообробці для завершення структурних перетворень за літературними даними приймається рівною приблизно подвійному часу вирівнювання:

Остаточно приймаємо _ІІ = 1080 сек = 0,3 год.

9) Тепловий потік в кінці витримки:

10) Температура газу в кінці витримки:

11) Температура печі в кінці витримки:

12) Температура кладки в кінці витримки:

13) Загальний час нагріву під загартування:

14) Функція Ф_макс за додатком 30 [1], яка відповідає максимальній різниці температур при Ві = 0,667 Ф_макс = 0,221.

Критерій F₀ при Ф_макс = 0,221 F₀ = 0,7.

15) Максимальна різниця температур між поверхнею і центром:

16) Час виникнення максимуму:

17) Ємність печі:

18) Продуктивність печі:

19) Напруженість поду печі:

4. Тепловий баланс печі

1) Тепловий баланс камерної печі складається на весь період нагріву і витримки.

Видаткові статті теплового балансу

2) Витрата тепла на нагрів металу:

3) Знаходимо тепло, акумульоване кладкою печі. Футеровка печі складається з шамоту, причому товщина стін S₁ = 350 мм, склепіння S₂ = 230 мм.

4) Середня температура внутрішньої поверхні кладки за перший період:

5) Середня температура по перетину кладки:

6) Коефіцієнт теплопровідності шамоту (додаток 20 [2]):

= 0,7 + 0,00064 t_кл.сp = 0,7 + 0,00064 436 = 0,979 Вт/мград.

7) Теплоємність шамоту:

8) Тепло акумульоване кладкою:

9) Втрати тепла випромінюванням при посаді і видачі.

10) Розміри вікна наступні: ширина и b = 1200 мм, висота а = 500 мм, товщина кладки l = 350 мм. Час посада і видачі приймаємо по 7 хвилин ( = 420 сек).

11) Коефіцієнт діафрагмування Ф визначаємо за графіком (рис 42) [2]:

12) Втрати тепла випромінюванням при посаді:

13) Втрати тепла випромінюванням при видачі:

14) Втрати тепла з відхідними газами:

Q_ух. = V_д i_д.ух В _заг, кДж,

де i_д.ух - тепловміст димових газів при середній температурі диму за період нагріву t_ср.ух.

Середня температура відхідних димових газів:

Надлишок повітря в продуктах горіння:

15) Тепловміст димових газів при t_ср.ух=1034,5°С і =9% з Додатку 1 [2].

і₁₀₃₅ = 1596,2 кДж/м3.

Після підстановки:

,

16) Втрати тепла теплопровідністю через стіни в першому періоді:

Приймаємо ₁ = 16 Bt/(m^zК).

17) Втрати через стіни в другому періоді:

18) Середня температура внутрішньої поверхні кладки за другий період:

19) Середня температура по перетину кладки за другий період:

20) Коефіцієнт теплопровідності та теплоємність кладки при цьому:

21) Втрати тепла через склепіння в першому періоді:

22) Втрати тепла через склепіння у другому періоді:

23) Сумарні втрати тепла теплопровідністю:

24) Загальні втрати тепла і витрати тепла на акумуляцію:

,

де В - витрата палива, м³/сек.

25) Прибуткові статті теплового балансу

Хімічне тепло палива:

Фізичне тепло повітря при t_в = 20°С:

26) Прирівнюючи прибуткові та видаткові статті теплового балансу визначаємо середньогодинну витрату палива:

;.

.

27) Тепловий баланс камерної печі наведено в табл. 4.0.

Таблиця 4.0Тепловий баланс камерної печі

Стаття	Прихід тепла	Стаття	Витрата тепла
	МДж за період	%		МДж за період	%
Тепло від горіння палива (28551*0,03629)	1036,12	99,41	Тепло, засвоєне металом	181,4	17,40
			Втрати тепла теплопровідністю	84,58	8,12
			Тепло, акумульоване кладкою печі	137,6	13,2
Фізичне тепло повітря (170,8*0,03629)	6,199	0,59	Втрати тепла випромінюванням	57,1	5,48
			Втрати тепла з відхідними газами (16026*0,03629)	581,58	55,79
Разом	1042,31	100	Разом	1042,26	100

28) Відхил теплового балансу:

5. Теплова потужність і витрата палива

1) Коефіцієнт використання палива при t_ср.ух=1033,5°С:

де

2) Засвоєна теплова потужність:

3) Корисна теплова потужність (середня):

4) Потужність холостого ходу (середня):

5) Загальна теплова потужність:

.

6) Середньогодинна витрата палива:

7) Витрата тепла на 1 т металу (середня):

8) Витрата умовного палива:

де 29,3 МДж/кг - теплота згоряння умовного палива.

9) Коефіцієнт корисної дії печі:

10) Для малих печей з тепловою потужністю 0,1-1 МВт застосовуються голчасті рекуператори, які забезпечують підігрів повітря до 250-300⁰С.

Визначимо ефективність установки такого рекуператора.

11) Приймаємо температуру підігріву повітря в голчастому рекуператорі 300⁰С.

Коефіцієнт використання палива (середній):

12) Корисна теплова потужність (середня):

13) Потужність холостого ходу:

14) Теплова потужність печі: (середня)

15) Витрата тепла на 1 т металу:

16) Витрата умовного палива:

17) Коефіцієнт корисної дії печі:

Таким чином, за умови підігріву повітря, що йде на горіння, до 300°С, КВП і ККД печі збільшуються на 16%, а витрата тепла на l т відповідно зменшується в 1,19 рази.

Значення рекуперації для технологічного процесу

Рекуперація тепла відхідних газів паливних печей - найбільш ефективний метод енергозбереження. Повернення в піч теплової енергії, що втрачається з відходять газами, є не тільки засобом підвищення термічного ККД, але і покращує технологічні та екологічні характеристики агрегату.

Необхідно відзначити, що одиниця тепла, що вноситься з підігрітим повітрям, що йде на спалювання палива, більш цінна, ніж одиниця тепла, отримана від горіння палива. Тепло, що міститься в підігрітому повітрі (паливному газі), повністю використовується в робочому просторі, тому що в даному випадку не збільшується обсяг відходять димових газів.

Підігріте повітря сприяє зростанню температури факела, тобто. його калориметрична температура зростає. Відповідно до технічних даних при коефіцієнті надлишку повітря б=1,0 і його температурі 20°С калориметрична температура горіння природного газу дорівнює 2050°С, а при тому ж б= 1,0, але температурі підігріву повітря до 400°С калориметрична температура становить 2320°с.

Як наслідок, зростання калориметричної температури тягне за собою збільшення радіаційної складової в процесі теплопередачі гріючого середовища до нагрівальних виробів, що знаходяться в робочому просторі печі. Збільшення радіаційної складової пояснюється тим, що теплопередача випромінюванням залежить від температури факела в четвертому ступені.

Нагріте повітря, змішуючись з паливом в паливоспалюючих пристроях, сприяє швидкому нагріванню самого палива, що покращує ефективність протікання процесів горіння і зменшує хімічний недожог.

При установці рекуператорів температура димових газів на виході з них знижується, і, як наслідок, зменшується їх дійсний обсяг, що, в свою чергу, знижує аеродинамічний опір димового тракту, тим самим зменшуючи витрати електроенергії на роботу електроприводу димососа.

При підігріві повітря, а, отже, при збільшенні ефективності спалювання палива, його токсичні компоненти вигоряють більш повно, що обумовлює зниження викидів цих токсичних елементів [5]

Список літератури

теплообмін камерна піч нагрів

1. Методичні вказівки до виконання курсового проекту з дисципліни «Високотемпературні теплотехнологічні процеси та установки» для студентів денної та заочної форм навчання спеціальності 6.050601 «Теплоенергетика» (144 »Теплоенергетика») / Укл.: В.В. Буличов, С.В. Швачич, А.В. Гаврилко. - Д.: ДВНЗ УДХТУ. - 2017. - 32 с.

2. Аверин С.И., Семикин И.Д., Радченко Т.И. и др. Расчеты нагревательных печей. -- Киев: Техника, 1969. - 540 с.

3. Киселев Е.В., Кутьин В.Б., Матюхин В.И. -- Электрические печи сопротивления: учебное пособие. -- УГТУ - УПИ, 2010. 78 с.

4. Справочник конструктора печей прокатного производства. - Т. 1. Под редакцией Тымчака В.М. - М.: Металлургия, 1970. - 575 с.

5. https://recuperator-termo.ru/press/primenenie/obosnovanie-primeneniya-promyshlennyh-rekuperatorov-v-tsiklah-pechnogo-nagreva/

Размещено на Allbest.ru