Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический Университет»

Курсовой проект по курсу: «Перенос энергии и массы, основы теплотехники»

Исполнитель: студенты гр.

Руководитель: Преподаватель

Томск - 2020



Задание



Оглавление

Задание

1. Расчет горения топлива

1.1 Определение расхода воздуха

1.2 Определение объемного выхода продуктов сгорания газообразного топлива

1.3 Определение низшей теплоты сгорания газа

1.4 Определение температуры горения топлива

2. Определение времени нагрева металла и размеров печи

2.1 Определение времени нагрева в периоде 1-2

2.2 Определение времени нагрева во втором периоде

3. Тепловой баланс

3.1 Расчет кладки

3.2. Статьи приходной части теплового баланса

3.3 Статьи расходной части теплового баланса

4. Выбор и расчёт топливосжигающих устройств

5. Расчет воздухоподогревательного устройства

6. Расчет дымоотводящей системы

6.1 Расчет потерь давления

6.2 Расчет дымовой трубы

7. Охрана труда и техника безопасности

Заключение

Список использованной литературы



1. Расчет горения топлива

1.1 Определение расхода воздуха

Расчет ведем по методике, приведенной в [2].

Коэффициент расхода воздуха был принят б=1,25, относительный химический недожог топлива б=2%. Температура воздуха, поступающего в воздухопровод, составляет 22 ^ОС - среднегодовая температура. По таблице, приведенной в [3], было принято количество влаги в воздухе при данной температуре =21,5 г/м3.

Для расчета необходимого для горения количества количества воздуха примем, что воздух состоит из 21% O2 и 79% N2. Отсюда коэффициент отношения количества азота к кислороду равен k=79:21=3,76.

Состав топлива приведен в таблице 1.

Таблица 1 - Состав топлива - доменного газа

38.2	4.25	0.22	11	46.33	15

Горючее составляющие топлива: угарный газ, водород, метан. Реакции горенияданных газов в воздухе:

,

,

,

Теоретический объём кислорода, необходимый для полного сжигания 1 м³топлива:

,

,

Теоретический расход сухого воздуха, необходимый для полного сжигания 1 м³топлива:

,

,

Действительный расход сухого воздуха, необходимый для полного сжигания 1 м³топлива:

,

.

Определение действительного расхода влажного воздуха, необходимый для полного сжигания 1 м³топлива:

,

,

1.2 Определение объемного выхода продуктов сгорания газообразного топлива

Из реакций горений можно видеть, что продуктами сгорания используемого топлива являются азот, углекислый газ, водяной пар.

Количество углекислого газа в продуктах сгорания на 1 топлива:

,

,

Количество азота в продуктах сгорания на 1 топлива:

,

.

Количество избыточного кислорода в продуктах сгорания на 1 топлива:

,

.

Объем водяных паров в продуктах сгорания:

,

,

Объем водяных паров в продуктах сгорания при практическом расходе воздуха:

,

,

Объем продуктов сгорания:

.

,

Состав продуктов сгорания при полном горении:

,

,

,

,

Результаты расчета состава продуктов сгорания приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Состав продуктов сгорания, %

CO2	N2	H2O	изб. O2

Составим материальный баланс топлива на 100 м³газа.

Приход

,

,

,

,

,

Воздух сухой: газообразный воздухоподогревательный доменный

,

Влага воздуха:

,

Влага топлива:

,

Приходная часть баланса приведена в таблице 3.

Таблица 3 - Масса компонентов, кг

Компоненты						Воздух сухой	Влага топл.	Влага воздуха
Кг	47,75	0,38	0,16	21,61	57,91		1,5

Итог: 47,75+0,38+0,16+21,61+57,91+167,14+1,5+2,77=299,22 кг

Расход

,

,

,

,

Итог: 96,25+185,38+6,35+7,71=295,69 кг

Результирующий баланс приведен в таблице 4.



Таблица 4 - Результирующий баланс

Компоненты					Неувязка	Итого
кг	96,25	6,35	185,38	7,71	3,53	299,22

1.3 Определение низшей теплоты сгорания газа

Низшая теплота сгорания топлива - количество теплоты, необходимое для полного сжигания топлива без учёта теплоты, затраченной на испарение влаги.

,

1.4 Определение температуры горения топлива

Относительный химический недожог: б=2% [4].

Отсюда данный недожог топлива будет равен:

,

Физическое тепло, вносимое влажным воздухом, складывается из тепла, вносимого:

- сухим воздухом:

,

- влагой воздуха:

,

,

Вносится влажным воздухом тепла:

,

Общий приход тепла:

,

Что соответствует:

,

Содержание избыточного воздуха:

,

По диаграмме i-t температура горения составляет

Практическая температура горения определяется с помощью пирометрического коэффициента з=0,75

,



2. Определение времени нагрева металла и размеров печи

Определить время нагрева заготовок из стали 45 размеров D=0,8 м,

d=0,65 м и h=0,08 м. Производительность 3000 кг/час.

На рисунке 1 представлен вид заготовки из стали 45.

Рисунок 1 - чертеж заготовки

Расчет ведем по методике, описанной в [2].

Исходя из практических рекомендаций (1 мм металла прогревается за 1 минуту), определяем ориентировочное время нагрева заготовок стали:

,

,

Исходя из данного значения производительности Р, вес металла, одновременно находящегося в печи, равен:

,

Плотность стали 45 с=7826 кг/м3 [1].

Вес одной заготовки:

,

Количество заготовок в печи:

,

Схема расположения заготовок в печи приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема расположения заготовок в печи

Диаметр печи: D=1,3 м (диаметр заготовки плюс два зазора до стен по 0.25 м).

Высота печи Н была определена по формуле:

,

,

Предварительный температурный график нагрева приведен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Предварительныйграфикнагрева

Степень развития кладки:

,

,

Где Fкл- теплоизлучающая поверхность кладки, м²;

Fм - тепловоспринимающая поверхность металла, м²;

H - высота печи, м;

h - высота металла, м;

D_п- диаметр печи, м;

D_з - диаметр заготовки, м.

Эффективная толщина газового слоя:

,

,

Где V - объём зоны, м3;

F - суммарная площадь стен, свода и пода, м2;

з=0,9 - поправочный коэффициент

2.1 Определение времени нагрева в периоде 1-2

Средняя температура в первом периоде:

,

Средняя температура металла в зоне:

,

Парциальное давление газов при этой температуре [раздел 1.2]

P(CO2 )=23,58кН/м²;

P(H2O)=3,8кН/м²

,

,

По номограммам [4] были определены степени черноты каждого из газов: еСО2=0,09; е'Н2О=0,018.

,

,

Принимая степень черноты металла ем=0,8, был определён приведённый коэффициент излучения газов и кладки на металл.

,

где С0=5,7 Вт/м2К4 - коэффициент излучения абсолютно чёрного тела.

,

Коэффициент теплоотдачи излучением в методической зоне:

,

где TГсри TМср- среднее температуры газа и металла в зоне, К.

,

Критерий Био:

,

где S - толщина нагреваемого металла, м;

л?39 Вт/м*К - коэффициент теплопроводности стали 45 при T=533 K был найден методом экстраполяции данных таблицы в [1].

,

следовательно, в данной зоне тело греется как термически тонкое.

Время нагрева было определено по формуле Старка:

где G - вес металла, кг;

кДж/кг*К= - теплоёмкость данной марки стали при T=433К.

площадь поверхности металла, контактирующей с газами печи.

,

2.2 Определение времени нагрева во втором периоде

Температура газов печи постоянная Т=870С=1143К

Средняя температура металла во втором периоде:

,

По номограммам [4] были определены степени черноты каждого из газов: е_СО2=0,075, е_Н2О=0,01

,

,

Принимая степень черноты металла ем=0,8, был определён приведённый коэффициент излучения газов и кладки на металл.

,

Коэффициент теплоотдачи излучением во втором периоде:

,

где и - средние температуры газа и металла, К

,

Критерий Био:

,

где S - толщина нагреваемого металла, м;

л?27 Вт/м*К - коэффициент теплопроводности стали 45 при T=833 K.

,

Следовательно, на этом участке тело греется как термически тонкое.

Время нагрева было определено по формуле Старка:

где G - вес металла, кг;

кДж/кг*К= - теплоёмкость данной марки стали при T=833 K [1].

площадь поверхности металла, контактирующей с газами печи.

,

Построим уточненный график нагрева металла (рисунок 4).

Рисунок4-Уточнённыйграфикнагрева

Исходя из полученного значения ф =2,15ч, вес металла, одновременно находящегося в печи, равен:

G =--Pґt--; G =--3000ґ2,15=--6450кг

Плотность стали 45 с=7826 кг/м3 [1].

Вес одной заготовки:

,

Количество заготовок в печи:

,

В данном случае следует расположить заготовки в 3 столба по 20 штук по кругу:

Рисунок 5

Тогда диаметр печи составит D=2,25 м, высота H=3,1 м, площадь неподвижного пода F_Н =рR²=3,141,125²=3,98 , напряженность пода: .



3. Тепловой баланс

3.1 Расчет кладки

Температура внутренней поверхности кладки печи составляет t1=870? C; температура окружающего воздуха t3=20? C. Габариты печи: диаметр 2,25 м, высота 3,1 м.

В расчёте принимаем двухслойную кладку, огнеупорный слой которой будет сделан из шамота Б толщиной 232 мм, с = 1900 кг/м3, tраб= 1400 0 С, а изоляционный - из диатомита толщиной 232 мм, с = 500 кг/м 3, tраб= 9000 С

Определим температуру на границе слоя:

,

,

Средняя температура слоя шамота:

,

,

Средняя температура слоя диатомита:

,

,

Коэффициент теплопроводности шамота и диатомита определяют из следующих выражений:

Определим количество тепла, передаваемого теплопроводностью через 1 м²кладки, по формуле:

,

где -температура внутренней поверхности кладки, оС;

-температура окружающего воздуха, оС;

и-толщина огнеупорной кладки и изоляции, м;

и-толщина шамотного и диатомитового слоёв;

б - коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху равный 19.8 Вт/м^2оС (1/б = 0.052 м²⁰С/Вт).

Используя закон Фурье (для граничных слоев 1-го рода) найдём температуру на границе огнеупорного и изоляционного слоёв:

,

Температура на поверхности кладки:

,

Таким образом, температура на границе слоев не превышаетпредельной рабочей температуры слоя диатомита 900 ?С и учитывая, чтотемпература на поверхности кожуха печи будет ещё ниже, делаем вывод, чтотолщина огнеупорного слоя и слоя изоляции выбрана верно.

3.2 Статьи приходной части теплового баланса

1) Тепло, выделяющееся в результате горения топлива:

,

2) Теплота, вносимая с топливом:

,

,

где - теплоемкость топлива.

3) Теплота, вносимая воздухом:

,

,

- коэффициент избытка воздуха в топке;

- энтальпия

- теплоемкость воздуха при 445

4) Тепло экзотермических реакций

,

,

Где- величина угара металла, Р - производительность печи кг/ч.

3.3 Статьи расходной части теплового баланса

1) Теплота, затраченная на нагрев металла

,

,

- удельная теплоемкость металла средней температуре400

2) Теплом, уносимым шлаками можно пренебречь.

3) Тепла энедотермических реакций нет.

4) Потери теплоты с уходящими дымовыми газами:

,

,

где =827 - средняя температура отходящих газов;

=0,2327с(СО2)+0,7042с(N2) +0,0256 c(О2) +0,0375c(H2O)=0,23271,259+0,70421,187 + 0,0256 1,103 +0,03752,147=1,24 кДж/ - удельная теплоёмкость дымовых газов при температуре 800.

5) Потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива:

,

,

где =0,001 - величина химической неполноты сгорания топлива.

6) Потери теплоты от механической неполноты сгорания:

,

,

7) Потери тепла в результате теплопроводности через кладку:

=499Вт/ м² =1796,4 кДж/ч.

8) Потери тепла излучением через открытые окна печи:

,

где - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2К4);

Т - средняя температура печи, К;

F - площадь открытого окна, м2;

Ф - коэффициент диафрагмирования;

- доля времени (часа), когда окно открыто.

9) Теплом, затраченным на нагрев тары можно пренебречь.

10) Теплом, уносимым водой, можно пренебречь.

11) Потери теплоты в результате аккумуляции её кладкой:

,

- объем кладки, ;

- средняя температура кладки, ;

- теплоемкость кладки, Дж/кг;

- плотность кладки, кг/м3.

12) Неучтенные потери:

,

Уравнение теплового баланса:

,

,

,

,

Удельный расход топлива:

,

Коэффициент полезного теплоиспользования.

,

Тепловая мощность:

,



4. Выбор и расчёт топливосжигающих устройств

Устройства для сжигания топлива предназначены для того, чтобы обеспечить превращение химической энергии топлива в тепловую. Устройства для сжигания газового топлива называют горелками.

Расчёт сводится к определению диаметров воздушного и газового сопла и выбору стандартного устройства, близкого по параметрам к расчётным.

Расчет произведен по варианту №2

Задаем число форсунок: n = 6

,

Выбираем инжекционную газовую горелку Казанцева ИГК-1-15 с диаметром носика



5. Расчет воздухоподогревательного устройства

Рассчитать игольчатый рекуператор для шахтной печи, отапливаемой доменным газом при= , в которой расход топлива (при работерекуператора) составляет 15 ; температура подогрева воздуха равна

Состав дымовых газов:

,

,

,

,

Из расчета горения топлива

,

,

,

,

Решение:

Примем скорость движения воздуха

Составим тепловой баланс рекуператора. Для выбора теплоемкости дымовых газов предположим, что =6__--°C.

Таблица 5 Теплоемкости дымовых газов:

,	,
C(N2) = 1,187*0,7042 = 0,836	C(N2) = 1,14*0,7042 =0,803
C(CO2) = 1,259*0,2327 = 0,293	C(CO2) = 1,196*0,2327 =0,278
C(H2O) = 2,41*0,0375 = 0,09	C(H2O) = 2,198*0,0375 =0,082
C(О2) = 1,103*0,0256 = 0,028	C(О2) = 1,07*0,0256 =0,027
,	,

Потери тепла в окружающую среду приняты равными 10%.

1. Уравнение теплового баланса:

,

,

,

2. Определим t_ср(считаем, что движение газа происходит по схеме перекрёстного противотока). Пренебрегая поправкой на перекрёстный ток t_ср= f t_{СР.ПРОТИВОТОКА}определим t_ср.

Определим, по какому закону изменяется температура

,

,

3. Определим К, применяя график. При vв=6 м/с и vд=3 м/с

Определим общую поверхность нагрева и размеры рекуператора извыражения:

,

,

Условная поверхность нагрева каждой трубы длиной 880мм без наружных игл составляет 0,25 м². Следовательно, общее число труб рекуператора составит:

,

Необходимое общее сечение для прохода воздуха:

,

Необходимое сечение для прохода дыма:

,

Ориентировочно должно быть труб на пути воздуха:

,

,

На пути движения дыма:

,

,

Таким образом, в рассчитываемом рекуператоре должно быть предусмотрено 3/1 = 3секции (хода) по 1 трубе в каждой. Принимаем, что воздух последовательно проходит 3 секции по 1-й трубе в каждой.

6. Расчет дымоотводящей системы

6.1 Расчет потерь давления

Схема дымового тракта представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Дымовой тракт

Таблица 6 - Параметры, характеризующие дымовые газы в сечениях

Параметры	1-1	2-2
Коэффициент расхода воздуха	1,25	1,35
Температура,	800	600
L0, м3/м3	1,033	1,033
м3/м3	1,291	1,395
	0,629	0,629
м3/с	1,92	2,024
	0,044	0,047
F, м2	0,2	0,25
м/с	0,22	0,188

Потери давления на местных сопротивлениях:

,

Где К - коэффициент, учитывающий потери;

- средняя плотность дымовых газов;

- скорость дымовых газов в данном сечении;

Т - температура в данном сечении.

Сечение 1-1:

,

Сечение 2-2:

,

Потери на трение:

В вертикальном канале:

,

В Борове:

,

Потери на геометрическоедавление в вертикальном канале:

,

,

Сопротивление рекуператора:

,

Суммарное сопротивление системы:

.

6.2 Расчет дымовой трубы

Суммарные потери давления в процессе эксплуатации печи, как правило, увеличиваются вследствие заноса дымовых каналов пылью, увеличение подсоса воздуха через несплошности либо вследствие форсированной работы. По этим причинам величина суммарных потерь давления при расчете дымовой трубы была принята на 20% больше рассчитанной, то есть

Скорость дымовых газов на выходе из трубы - ,

Тогда диаметр устья равен:

,

Диаметр основания трубы:

,

Предположим, что высота трубы Н = 10 м. Тогда температура дымовых газов на выходе из кирпичной трубы:

,

Средняя температура по высоте трубы:

,

Найдем действительную высоту трубы по формуле:

,

,

Таким образом, высота трубы была принята 8 м.



7. Охрана труда и техника безопасности

В процессе работы с печью на термиста могут воздействовать следующие опасные и вредные производственные факторы:

-подвижные части производственного оборудования, передвигающиеся готовые изделия или детали, движущиеся транспортные средства могут привести к травмам;

- повышенная температура может вызвать общий перегрев организма и тепловой удар; - высокая температура поверхности оборудования, деталей оснастки может привести к ожогам кожного покрова;

-повышенное содержание окиси углерода, загазованность и запыленность воздуха - к отравлению, заболеванию органов дыхания;

Для безопасного производства работ термист должен использовать следующие СИЗ: костюм х/б с огнезащитной пропиткой, ботинки кожаные, рукавицы брезентовые, защитные очки.

Должен быть также предусмотрен надежный отвод вредных выделений из этих цехов и обеспечена соответствующая вентиляция помещений, расположенных над ними.

Резервуары для хранения жидкого топлива следует размещать вне зданий цехов. Топливные баки должны быть плотно закрыты крышками и иметь указатели уровня топлива, спускной кран с трубкой, выведенной в подземный аварийный резервуар, трубку для сообщения с наружной атмосферой и переливную трубу, сообщающуюся с аварийным подземным резервуаром [11]



Заключение

В работе была проведена разработка шахтной печи для нагрева заготовок из стали 45 до температуры 820є С. Производительность печи 3000 кг/ч, топливо - доменный газ, температура подогрева воздуха 300

Для работы печи необходима подача топлива B=82 , и воздуха . При сгорании 1 кг топлива образуется 2,106 дымовых газов. Низшая теплота сгорания мазута .

Температура горения доменного газа??гор 1=1650^О??.

Высота спроектированной печи составляет 3,6м с лучковым сводом, диаметр рабочего пространства печи 2,25м (диаметр пода 1,75м). Кладка печи двухслойная, состоит из огнеупорного (шамотный кирпич класса Б) и изоляционного (диатомитовый кирпич) слоев.

Коэффициент полезного теплоиспользования печи равен 55%

Для печи были выбраны инжекционную газовую горелку Казанцева ИГК-1-15, необходимое количество горелок 6.

Подогрев воздуха осуществляется в металлическом игольчатом рекуператоре. Рекуператор состоит из 3 труб.

Требуемая для отвода тепловых газов высота трубы 8 м.



Список использованной литературы

1. https://stankiexpert.ru/spravochnik/materialovedenie/stal-shkh-15.html

2. Овечкин Б.Б. Теплотехника: Метод. указания по выполнению курс. проекта для студентов направления 22.03.01 - Материаловедение и технология новых материалов. Томск: Изд. ТПУ. 2006. - 52 c.;

3. Овечкин Б.Б. Перенос энергии и массы, основы теплотехники: Учебное пособие. - Томск: Изд-во. ТПУ, 2006.- 102 с.;

4. Китаев Б.И. и др. Теплотехнические расчеты металлургических печей. - М.: Металлургия, 1970. - 528 с.;

5. Кривандин В.А. Металлургическая теплотехника. Т. 1. Теоретические основы. - М.: Металлургия, 1986. - 424 с.;

6. Коэффициент диафрагмирования- [Электронный ресурс] // Энциклопедия по машиностроению XXL [сайт] - режим доступа https://mashxxl. info/page/025047202243065244057061032088244246048020205193/

7. Телегин А. С. Теплотехнические расчёты металлургических печей. - М.: Металлургия,1987. - 528 с.;

8. Тебеньков Б. П. Рекуператоры для промышленных печей. - М.: Металлургия, 1985. - 404 с.;

9. Казанцев Е.И. Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования. 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Металлургия, 1975. - 368 с.;

10. Миткалинный В.И., Кривандин В.А. Металлургические печи. Атлас. - М.: Металлургия, 1987. - 384 с.

11. ПОТ Р М-005-97 Межотраслевые правила по охране труда при термической обработке металлов

Размещено на Allbest.ru