Расчет горения топлива

 

Введение

 

При ОМД желательно, чтобы обрабатываемый металл обладал наибольшей пластичностью  и наименьшим сопротивлением деформированию. Такое состояние материала позволяют обеспечить максимальные разовые деформации, Значительно уменьшающие расход механической энергии на обработку или выполнение данной операции. Такое состояние материала можно обеспечить нагревом. Нагрев – это самостоятельная часть общего технологического процесса КШП. От правильности проведения технологического процесса нагрева зависит качество получаемых изделий в соответствии требуемым свойствам и заданным характеристикам, а также производительность КШО и себестоимость отштампованных деталей.

Нагрев – это технологический процесс или часть технологического процесса, при котором происходит повышение температуры всего объема тела за счет подведения тепловой энергии к нему либо за счет превращения других видов энергии в тепловую внутри нагреваемого тела.

В процессе нагрева металлов и сплавов  происходит ряд нежелательных явлений, незнание которых приводит к получению некачественных поковок, штамповок:

- перегрев;

- пережег;

- окисление;

- обезуглераживание;

- образование трещин.

Перегрев является устранимым браком нагрева и устраняется за счет проковки металла (нанесение ряда сильных ударов) либо одним из видов термической обработки. Пережег неустранимый брак.

При нагреве металла на поверхности образуется тонкая пленка окалины, т.е.

окислов железа. Окисление – это химический процесс взаимодействия окисляющихся газов находящихся в продуктах сгорания с поверхностью металла.

В процессе нагрева происходит и обезуглероживание, т.е. выгорание углерода. Окисление и обезуглероживание протекает одновременно и определенной скоростью.

 

 

 

Трещины образуются из-за того, что по сечению возможен большой перепад температур. Различное удлинение приводит к появлению термических напряжений. Если напряжения превысят предел прочности, появляются трещины.

Существуют три основных вида нагрева:

- косвенный;

- прямой;

- комбинированный.

Сущность косвенного нагрева состоит в том, что нагреваемая заготовка помещается в среду, имеющая температуру среды больше чем температура заготовки. В последующем под температурой среды будем понимать температуру печного пространства. Температура печного пространства больше температуры металла. Недостатком этого вида нагрева является сильное химическое взаимодействие среды с металлом.

Сущность прямого нагрева заключается в том, что тепловая энергия выделяется внутри нагреваемой заготовки, в каждом ее элементарном объеме. Видом такого нагрева является электроконтактный нагрев. Этот нагрев очень быстрый, следовательно,  окисление меньше.

Примером комбинированного нагрева является индукционный нагрев заготовок.

Сущность индукционного нагрева заключается в том, что металлическая заготовка, помещенная в переменное магнитное поле, нагревается за счет джоулева тепла, возникающего в ней вследствие индуктированных вихревых токов. В качестве источников переменного магнитного поля при индукционном нагреве применяются устройства, называемые индукторами.                                     

Индуктор является по существу соленоидом, по которому пропускается переменный ток. Внутрь индуктора помещается нагреваемая заготовка, выполняющая роль сердечника. При пропускании по обмотке индуктора переменного тока возникает магнитное поле индукции, под влиянием которого в заготовке индуктируются вихревые токи (токи Фуко), которые, замыкаясь в плоскостях, перпендикулярных вектору магнитной индукции, вызывают нагрев заготовки.

 Сущность заключается в том, что все  необходимое для нагрева заготовки тепло возникает в самой заготовке.  Это обстоятельство выгодно отличает метод индукционного нагрева от других методов, позволяя увеличить скорость шифона и том самым резко сократить потери за счет лучеиспускания.

Другими положительными факторами, выгодно отличающими метод индукционного  нагрева,  являются:

1. почти полное отсутствие окалины, обеспечивающее экономию металла и внедрение в практику прогрессивных технологических процессов обработки металла давлением;
2. стабильность режима нагрева, позволяющая автоматизировать процессы нагрева заготовок и последующую их обработку;
3. отсутствие обезуглероживания поверхностей нагреваемых заготовок и сохранение механических свойств металла;
4. уменьшение необходимой производственной площади и значительное облегчение труда рабочих-кузнецов;
5. высокая  скорость  нагрева,  позволяющая  в  значительной степени  повышать производительность нагревательных  устройств и связывать их работу непрерывным циклом с ковочными, прокатными и другими механизмами.

К недостатку индукционного нагрева следует отнести необходимость преобразования электрического тока, что приводит к значительным потерям энергии (до 30%).

Методические толкательные печи до самого последнего времени удовлетворяли требованиям по производительности и удельному расходу тепла. Тепловой и температурный режим методических печей неизменны во времени. Вместе с тем температура в печах значительно меняется по длине печи. Характер изменения температуры по длине определяется числом и назначением ее зон. Металл поступает в зону наиболее низких температур и, продвигаясь навстречу дымовым газам, температура которых все время повышается, постепенно (методически) нагревается. Методические печи по числу зон нагрева металла могут быть двух-, трехзонными с односторонним и двусторонним нагревом металла. Рассмотрим назначение зон на примере трехзонной печи.

Методическая зона – первая (по ходу металла), с изменяющейся по длине температурой. В этой зоне металл постепенно подогревается до поступления в зону высоких температур (сварочную). Находящиеся в состоянии теплообмена дымовые газы и металл движутся навстречу друг другу. Металл нагревается  дымовыми газами, т.е. утилизирует тепло дымовых газов, отходящих из зоны высоких температур. Общее падение температуры дымовых газов в методической зоне весь значительно. Обычно в зоне высоких температур методических печей температура газов держится на уровне 800-900 0С, в конце же методической зоны она находится в пределах 900-1100 0С. Методическая зона значительно увеличивает коэффициент использования топлива.

Зона высоких температур или сварочная – вторая по ходу металла. В этой зоне осуществляется быстрый нагрев поверхности заготовок до конечной температуры.  Температура  нагрева  в  методических печах составляет 1100-1200 0С. Для интенсивного нагрева поверхности металла до этих температур в сварочной зоне необходимо обеспечить температуру на 150-250 0С выше, т.е. температура газов в сварочной зоне должна быть 1200-1300 0С.

Томильная зона (зона выдержки) – третья по ходу металла. Она служит для выравнивания температуры по сечению металла.

Подобный трехступенчатый режим нагрева необходим в тех случаях, когда

нагревают заготовки, в которых может возникнуть значительный перепад температур по толщине (более 200 0С на 1 м толщины металла).

В ряде случаев при нагреве тонких заготовок нет необходимости делать выдержку для выравнивания температур по сечению, т.к. возникший перепад температур небольшой. Томильную зону при этом не предусматривают и применяют двухзонные полуметодические печи – с методической и сварочной зонами.

Общий вид методической печи приведен на рис. 1. Нагреваемый металл 1 толкателем 2 перемещается по водоохлаждаемым трубам 3. Топливо сжигается с помощью горелок 4,расположенных над и под поверхностью металла. Продукты сгорания двумя потоками — верхним и нижним движутся вдоль рабочего пространства печи в направлении, противоположном движению металла, т. е. противотоком. Через дымовые каналы 5 продукты сгорания удаляются в боров 6 и из него через рекуператор 7 и дымовую трубу 8 в атмосферу. Нагретый металл через окно выдачи попадает на рольганг и по нему — к стану. 

 

 

Рисунок-1 Общий вид и разрез методической печи

 

 

Таблица 1.1 – Состав газообразного топлива Елшанского месторождения

Объемный состав, %
CH4	C2H6	C3H8	C4H10	CmHn	CO2	N2
93,2	0,7	0,6	0,6	0,5	0	4,4

 

 

 

1. Расчет горения топлива

По заданию данной курсовой работы требуется произвести расчет камерной печи со стационарным подом.

Для расчета горения топлива пересчитаем составляющие газообразного топлива на рабочую массу

По таблице 3.4[1] влагосодержание воздуха, при температуре 20˚С, давлении 101,325 кН/м2 соответственно равно Wc=18,9 г/м3. Отсюда содержание влаги по объему определяется по формуле[1]

 

 

Зная влагосодержание воздуха, найдем коэффициент пересчета по формуле[1]

 

Отсюда

 

 

 

 

 

 

 

H2Op

 

  Определяем расход кислорода на горение природного газа  по формуле[1]

=0.01[0,5*3(m+ )* ]=0.01*[(1+ )*91.05+(2+ )*0,683+(3+

+ )*0.6+(4+ )*0.586+(2+ )*0]=1.943                                 (2.3)

  Определяем теоретический расход  воздуха [1]

    =(1+k)* = (1+3.762)*1.943=9.248                                                   (2.4)

  Для определения действительно необходимого количества воздуха для полного сжигания топлива необходимо учесть коэффициент избытка воздуха αв =1.2 [1]

= αв* =1,25*9,24=11,56                                                               (2.5)

Определяем объем продуктов горения по формулам [1]

0,01*(1*91,05+4*0,683+3*0,586+4*0,586+2*0,488+0)=0,988          (2.6)

=0,01*[2*91,05+5*0,683+4*0,586+5*0,586+2*0,488+2,3]=1,94        (2.7)

  0,01*4,4+3.76*1,943=7,35                 (2.8)

 Определяем теоретический объем продуктов горения, при  αв =1,2 [1]

0,988+1,94+7,35=10,278                             (2.9)      

 Определяем действительный  объем продуктов горения [1]

10,278+(1,25-1)*1,943+0,977= 11,74                                                                                         (2.10)

Определяем состав продуктов горения [1]

  (1,94/11,74)*100%=16,5%                         (2.11)

3,762*(1,25-1)*1,943=1,82                           (2.12)

[(7,35+1,82)/11,74]*100%=78.1%      (2.13)

0.48                                           (2.14)

  4%                                             (2.15)

Плотность продуктов полного горения определяется по формуле [1]

=1.33                                                                                                  (2.16)

Расчет горения топлива основан на вычислении объема воздуха, необходимого для горения того или иного элемента, и вычисления объема продуктов горения, с последующим составлением материального баланса.[1] 
 Горение это есть процесс окисления, ниже представлены формулы для процесса окисления различных составляющих газообразного топлива[1]

CH4+2O2=CO2+2H20+Q;

C2H4+3O2=2CO2+5H20+Q;

C2H6+3.5O2=2CO2+4H20+Q;

C3H8+5O2=3CO2+5H20+Q;

C4H10+6.5O2=4CO2+5H20+Q;

Исходя из этих формул произведем расчет полного горения топлива. 
Таблица 2.2 – Расход воздуха, состав и количество продуктов сгорания газообразного топлива Усть-Вилюйского месторождения

Участвуют в горении					Продукты горения, м3
Смешанный газ		Воздух, м3
Состав	Содержание, % (м3)	O2	N2	Всего	CO2	H2O	N2	Всего
CH4	91,05	182,1	193,3*3,762=726,8	726,8+193,3=920,1	91.05	182.1	726.8 (из воздуха)	-
C4H10	0.683	4,44			2,73	3,42	-	-
C2H4	0,488	1,46			0,977	0,977	-	-
C3H8	0.586	2,9			1,75	2,34	-	-
C2H6	0,6839	2,4			1,952	2,44	-	-
N2	4,298	-			-	-	4,298	-
CO2	0	-			0	-	-	-
H2O	2.3	-			-	2,3	-	-
Суммарное содержание, м3(%)		193,3  (21)	726,8  (79)	920,1  (100)	96,5  (9,6)	191,1  (18,97)	731,1  (71,4)	1018,7  (100)
αв=1
αв=1,25		241,62  (21)	1077  (79)	1150,1  (100)	120,6  (8,5)	238,87  (16,7)	913,87  (74,8)	1273,37  (100)