Расчет горения топлива

Примечание: суммарное содержание кислорода в продуктах сгорания при αв=1,25 составляет 241,62 .

Правильность расчета проверяем составлением материального баланса при αв=1,25[1]

Поcтупило 
 Газ 100 м3; 
 В том числе:

CH4=91,05*0,716=65,19 кг;

C2H6=0,68*1,339=0,91 кг;

C3H8=0,586*1,967=1,15 кг;

C4H10=0,683*2,59=1,76 кг;

C2H4=0,488*1,25=0,61 кг;

N2=4,29*1,25=5,36 кг;

Воздух :

O2=241,62*1,428=345 кг;

N2=1077*1,25=1346,25 кг;

Всего: 1691,25 кг.

 

Получено:

H2O=238,87*0,804=192 кг;

O2=241,62*1,428=345 кг;

N2=913.87*1,25=1142.33 кг;

Всего: 1679,36 кг.

Расхождение, определяемое погрешностью расчета[1]

, что допустимо.

Определим низшую теплоту сгорания по формуле[1]

,(2.18)

где CO, H2 и т.д. – процентное содержание соответствующих компонентов в топливе, %;

 – сумма произведений теплот сгорания непредельных углеводородов (Q) ( табл. 3.5 [1]) на их процентное содержание в газе (CmHn).

Отсюда низшая теплота сгорания

 

После расчета полного горения топлива, вычисляем калориметрическую и действительную температуру в камере дожигания, которая, также будет и в рабочей камере печи.[1]

Рассчитаем начальную энтальпию продуктов полного горения[1]

                                                     (2.19)

 

где – низшая теплота сгорания, кДж/м3;

 – объем продуктов полного горения, м3/м3(таблица 2.2);

                  (2.20)

Задаемся и вычисляем энтальпии продуктов горения, при заданной температуре[1].

 

                   (2.21)

где – энтальпия газов при заданной , кДж/м3;

 – количество продуктов горения(таблица2.2)[1], %/100;

 

 

 

 

Т.к. энтальпия продуктов горения меньше, чем начальная энтальпия продуктов горения, делаем вывод, что искомая калориметрическая температура выше чем. Задаемся и проводим расчет, аналогичный предыдущему[1]

 

 

 

 

 

Т.к. энтальпия продуктов горения больше, чем начальная энтальпия продуктов горения, делаем вывод, что искомая калориметрическая температура находится в пределах (1900-2000)˚С и соответственно равна[1]

 

Пирометрический коэффициент ηпир для камерной печи находится в пределах 0,75-0,85. Отсюда вычислим действительную температуру печи, которая обеспечивается данныи газообразным топливом[1]

                            (2.22)

Как уже рассматривалось ранее, температура начала ковки для Стали 30 равна 1300˚С, отсюда найдем требуемую температуру печного пространства[1]

                          (2.23)

где – температура начала ковки заданной стали[1];

 – перепад температур, характеризующий скорость нагрева металла, при обычном режиме нагрева металла

Сравнивая действительную температуру с требуемой делаем вывод, что газообразное топливо годно (tтреб.=tп).

3 Выбор параметров нагрева и их расчет

Расчет параметров нагрева сводится к определению температуры металла в конце нагрева, времени основного нагрева, построению температурного графика нагрева, расчету интенсивности внешнего теплообмена в зонах рабочего пространства печи.

 

3.1 Расчет продолжительности нагрева заготовок

 

Для проведения расчетов нагрева необходимо знать теплофизические свойства нагреваемого тела:[1]

λ - коэффициент теплопроводности, Вт/м*˚С;

c – теплоемкость, кДж/кг*˚С;

ρ – плотность, кг/м3;

a – коэффициент температуропроводности, м2/с. 
Значения этих коэффициентов приведены в таблице 4.1 пособия[1].

Предварительно определяем суммарный коэффициент теплоотдачи[1]

                                                           (3.1)

где – температура печного пространства, К ;

    Тп = tтреб + 273 = 1400 + 273 =  1673К;                                                (3.2)  – коэффициент теплоотдачи конвекцией, в данном случае выбирается равным в пределах (11-17) ;

 

С помощью критерия Bi(Био) определим категорию массивности заготовки[1]

                                                                                                (3.3)

где S – расчетная толщина заготовки и равна[1]

                                                                                                  (3.4)

где - коэффициент несимметричности нагрева. В методической печи симметричный нагрев, соотвественно =0,8; 
d – действительный размер заготовки(диаметр), м; 
 Тогда S=0,8*0,110=0,088м;

Примем: односторонний нагрев, монолитный под.

a/d=1;

 
 Найдем среднюю температуру металла, и по таблице 4.1[1] определим среднюю теплопроводность для стали 45

                                           (3.5)

где и – начальная и конечная температура металла, ˚С;

Тогда λ=34,15 Вт/(м*К);

И критерий Био соотвественно

 

Т.к. критерий Bi=1,07 делаем вывод, что тело находится в термически переходной области от тонких к массивным телам.[1]

Приближенное время нагрева заготовок вычисляем по формуле[1]

                                                                    (3.6)

где  S – расчетная толщина нагреваемого тела, м;

с – средняяя теплоемкость тела, для стали 30 по таблице 4.1[1]    c=0,618 кДж/кг.°С(tM=1200˚C);

ρ – плотность тела, кг/м3;

m – коэффициент формы нагреваемого тела;

αл+к – суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/м2.°С;

Kм – коэффициент массивности тела;

tп – температура печного пространства, °С;

и – температура металла соответственно в начале и в конце нагрева, °С.

           Коэффициент формы тела определяют по справочной литератре[1]:

m=1 для пластинки;

        m = 2 для цилиндрических изделий;

       m = 3 для шара.

Коэффициент массивности определяют по следующему выражению[1]

                                             (3.7)

Тогда время нагрева будет соответственно равно[1]

 

3.2 Расчет интенсивности внешнего теплообмена в зонах рабочего пространства печи

 Для расчета интенсивности внешнего теплообмена необходимо сначала предварительно определить размеры рабочего пространства печи в зависимости от заданной удельной производительности печи (напряженности печи), заданных размеров заготовок и способа их расположения на поду.

 Схема  расположения заготовок на поду  печи представлена на рисунке  3.2.1

Рисунок 3.2.1 – Схема расположения заготовок на поду печи

Размер 1 на рисунке 3.2.1 выбирается в пределах (250-300) мм, обозначим его δ1=300 мм. Размер 2 выбирается произвольно, но кратно диаметру заготовки, обозначим его δ2=65мм.

Вычислим площадь пода[1]

                                   (3.8)

где G – производительность печи, кг/ч;

K – напряженность пода, принимается в пределах (300-500) кг/м2*ч;

По рисунку 4.2.1 видно, что длина пода будет равняться:

        (3.9)

где – длина заготовки, мм;

Ширину пода вычислим по формуле

                                           (3.10)

Площадь свода из конструктивных соображений найдем по формуле[1]

                                             (3.11)

Найдем количество заготовок, составив уравнение, где неизвестное n – количество заготовок 
                     (3.12)

где d – диаметр детали, м.

Подставив в выражение выше значения всех известных составляющих, получим:

 

 

 

Принимаем n = 11 и вычислим площадь поверхности металла находящегося на поду печи[1]

         (3.13)

где φ – коэффициент облученности, φ=0,4;

Для определения высоты рабочего пространства печи, сначала требуется определить величину внутренней поверхности кладки  и если учесть[1]

 

Тогда величина внутренней поверхности кладки будет равна

                             (3.14)

Вычислим высоту рабочего пространства печи по формуле[1]

                                           (3.15)

Принимая во внимание все вычисленные размеры, определим площадь поверхности кладки печи[1]

                                                                                                  (3.16)

где – площади поверхностей свода, боковых и торцевых стенок , м2.

Найдем степень развития кладки[1]

                                                                                                   (3.17)

где – площадь лучевоспринимающей поверхности металла, м2.

                    (3.18)

где n – количество заготовок, штук;

d – действительный размер(диаметр), м2;

φ – коэффициент облученности ( выбирают по таблице в зависимости от формы заготовки и способа расположения ее на поду печи);

Тогда степень развития кладки будет равна

 

Определяем эффективную длину луча в зонах рабочего пространства

                               (3.19)

где V – объем, заполненный излучающим газом, или объем рабочего пространства, м3;

На основании данных расчета неполного горения топлива(таблица 3.1) находим парциальное давление излучающих газов(трехатомные газы)[1]

 

 

Найдем произведения[1]

 

 

После чего по рисунку 4,7 пособия[1] находим степень черноты углекислого газа:

 

И степень черноты водяных паров по рисунку 4,8[1]

 

Также по рисунку 4,9[1]  найдем поправочный коэффициент и вычислим степень черноты печных газов[1]

 

Тогда степень черноты печных газов будет равна[1]

                              (3.20)

Определяем значение приведенного коэффициента излучения в системе газ-кладка-металл по приближенной формуле[1]

                                                          (3.21)

где – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, равный 5,67 Вт/м2*К4;

 – приведенная степень черноты системы, принимаем равной 0,8;

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи излучением в зонах рабочего пространства по формулам[1]

      (3.22)

 

       (3.23)

            (3.24)

где – температура печных газов, K;

 – начальная и конечная температура металла, К;

Определяем суммарный коэффициент теплоотдачи[1]

                                                                                        (3.25)

Пересчитаем критерий Био[1]

 

                    Км = 1 + = 1 + = 1,29

Пересчитаем время нагрева заготовок[1]

 

 

3.3 Уточнение размеров рабочего пространства

На основание уточненного времени нагрева, производительности печи вычислим уточненные размеры печного пространства[1]

Вычислим штучную производительность[1]

                                                          (3.26)

где G – производительность печи, кг/ч;

g – масса одной заготовки, кг.

        (3.27)                                       

где – объем одной заготовки;

ρ – плотность стали;

По рисунку 4.12[1] выберем коэффициент расположения заготовок, и вычислим количество штук n находящихся в печи за один период нагрева[1]

Рисунок 3.3.1 – Схема расположения заготовок на поду печи.

Исходя из рисунка 3.3.1 коэффициент расположения [1]

Тогда количество штук n вычислим по формуле[1]

          (3.28)

где τ – уточненное время нагрева заготовок, ч;

Для удобства расчетов размера рабочего пространства примем n=18 штук.

Выберем расположение заготовок на поду печи, и уточним размеры рабочего пространства[1]

Рисунок 3.3.2 – Схема расположения заготовок на поду печи;

 

Размер 1 на рисунке 3.3.2 выбирается в пределах (250-300) мм, обозначим его δ1=250 мм. Размер 2 выбирается произвольно, но кратно диаметру заготовки, обозначим его δ2=95мм.

Приняв n = 28 штук, и исходя из схемы, представленной на рисунке 3.3.2 делаем вывод, что расположение заготовок имеет вид 4x7. Тогда ширина и длина пода соответственно равны[1]

    (3.29)

         (3.30)

Площадь свода из конструктивных соображений найдем по формуле[1]

                                           (3.31)

Принимаем n = 18 и вычислим площадь поверхности металла находящегося на поду печи[1]

 

   (3.32)

Для определения высоты рабочего пространства печи, сначала требуется определить величину внутренней поверхности кладки  и если учесть[1]

 

Тогда величина внутренней поверхности кладки будет равна:

                                                                     (3.32)

Вычислим высоту рабочего пространства печи по формуле[1]

                                                   (3.33)