Расчет горения топлива

По ГОСТ 6636-69 уточняем размеры печного пространства, где выбираем размеры из ряда допустимых значений[1]

Ширина пода = 3000 мм;

Длина пода = 1500 мм;

Высота печного пространства = 1000 мм.

3.4 Построение температурного графика нагрева

Одним из способов расчета продолжительности нагрева металла – расчет по критериальным зависимостям. Этот расчет производится с использованием критерия Био, критерия Фурье, температурного коэффициента, а также с привлечением графиков Будрина. По результатам такого расчета строится температурный график нагрева металла.

Температурный график нагрева под горячее формообразование – основа теплового конструкторского расчета печи. По графику выбирают необходимые для расчета значения температуры продуктов сгорания и нагреваемой садки.

Для расчета времени нагрева и построения температурного графика воспользуемся уточненными значениями критерия Био и суммарного коэффициента теплоотдачи.

Вычислим коэффициент температуропроводности[1]

                                           (3.34)

Определение температуры поверхности и центра металла при времени нагрева τ равном половине основного времени.[1]

                                                                   (3.35)

Найдем критерий Фурье, при времени нагрева, равном половине основного времени[1]

                              (3.36)

Исходя из этого по уточненному критерию Био, и критерию Фурье, по графикам Будрина(рисунок 4.3-4.4)[1] находим температурные критерии поверхности и центра цилиндра[1] 

 

Найдя температурные критерии определяем температуру металла поверхности и центра во время нагрева, равного половине основного времени[1]

            (3.37)

             (3.38)

Где – начальная температура металла,

Как уже отмечалось ранее в данной курсовой работе, что для стали 30 тогда найдем конечную температуру металла на поверхности по формуле[1]

                                                                               (3.39)

где – перепад, который определяется по формуле[1]

                                                                 (3.40)

где – удельная неравномерность прогрева садки, принимаемая равной 2-3

X – характерный размер садки(диаметр);

Тогда конечная температура металла на поверхности равна[1]

 

Определим время выдержки, полагая что,

Найдем температурный критерий поверхности металла для [1]

                                                            (3.41)

 

По графикам Будрина находим критерий Фурье[1]

 

И тогда найдем время выдержки[1]

                            (3.42)

На основании расчета на рисунке 3.4.1 – представлен температурный график нагрева

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.4.1 – Температурный график нагрева.

 

 

 

 

 

4 Обоснование выбора материала  для постройки печи

Выберем для печи следующую футеровку:

Для строительства печей применяют огнеупоры, строительные и теплоизоляционные материалы, черные и цветные металлы и жаростойкие сплавы.

Огнеупорами в технике называют строительные материалы, которые служат для устройства тепловых агрегатов и имеют температуру плавления не ниже 1580° С. Подвергаясь действию высоких температур газообразных продуктов горения топлива, летучей золы, окалины и расплавленных шлаков, огнеупоры должны длительно сохранять свою строительную прочность.

 Из  огнеупорных материалов строят  топки и рабочие камеры печей  или футеруют стенки теплоиспользующих устройств и дымоходов.

 Из  всех материалов, применяемых для  устройства печей, огнеупоры являются  наиболее специфическими. Они оказывают  большое влияние на стойкость  печей и их производительность. Огнеупоры хорошего качества  в сочетании с правильной эксплуатацией могут значительно повышать технико-экономические показатели работы печей.

Шамотные изделия получают путем обжига сырца, полученного из размолотых огнеупорных глин, отощенных шамотом. Сырьем для шамотных огнеупоров являются огнеупорные глины ( пл =1580°), основной составной частью которых является каолинит.

Шамотные изделия применяют в промышленности в виде кирпича различных стандартных размеров (ГОСТы 390—54, 8691—58, 6024—51 и т. д.), а также в виде фасонных изделий.

Шамотные огнеупоры характеризуются хорошей термической устойчивостью (до 50 теплосмен), низкой температурой начала деформации под нагрузкой ~ 0,2 Мн/м2 (1250—1400° С), плохой химической стойкостью по отношению к расплавленным шлакам, заметной усадкой при температуре 1200—1400°С (до 1%).

 Шамотные  изделия по сравнению с другими  являются наиболее дешевыми и  доступными в изготовлении из  местного сырья. Поэтому производство  шамотных изделий достигает 70% от общего производства всех огнеупоров.

Из шамотных огнеупоров выполняют стены и своды всех типов нагревательных печей, газоходы, топки, дымовые трубы и т.д.

Таблица 4.1 – Характеристика шамота.

Химический состав огнеупорной основы, %	Огнеупорность по стандартному образцу, 0С (не менее)	Температура начала деформации под нагрузкой, 0С	Максимально допустимая рабочая температура, 0С	Термическая стойкость в водяных теплосменах	Временное сопротивление сжатию, МПа	Плотность, кг/м3	Объемная масса, кг/м3	Коэффициент теплопроводности (λ), Вт/м*0С	Средняя теплоемкость (С), кДж/кг*0С	Пористость, %	Химические свойства при высоких температурах
SiO2=50-65,Al2O3=45-30	1610-1730	1250-1400	1200-1400	10-50	10-15	2500-2700   2500-2700	1700	0.698+0.64*t/1000	0.842	13	Плохая сопротивляемость  осн. шлакам и удовл. кислым шлакам

 

Теплоизоляционные материалы плохо проводят тепло, обладают незначительным объемным весом и применяются для уменьшения потерь тепла во внешнюю среду непрерывно работающими печами.

Они могут быть естественные и искусственные. К естественным материалам относятся диатомит, инфузорная земля и асбест. Искусственными теплоизоляционными материала ми являются шлаковая вата и легковесные изделия, изготовляемые из шамотных, динасовых и других масс в смеси с различными веществами, которые в результате обжига делают изделия очень пористыми.

Наиболее распространенным материалом для внешней теплоизоляции является диатомит и трепел. Диатомит представляет SiO2 и пронизанных микроскопическими порами. Эти материалы применяются в виде засыпки с объемным весом 0,35—0,7 т/м3 и кирпичей. Пористый диатомовый кирпич изготовляется способом выгорающих добавок и пеноспособом . Он выпускается трех марок: 550, 650 и 750 и может применяться до температуры 900—950° С.

Материал для выполнения кладки печи:

Внутренний слой выполняется из огнеупорного материала – шамота класса Б, толщина слоя – 230 мм.

Наружный слой выполняется из теплоизоляционного материала – диатомита, толщина слоя – 115 мм.

Под печи:

внутренний слой- магнезит – 115 мм;

огнеупорный шамот класса Б  – 230 мм;

наружный диатомит – 230 мм.

Выбираем толщину свода:

толщина огнеупорного слоя – 300 мм;

толщина изоляционного слоя – 115 мм.

Материал свода:

огнеупорный слой – шамот класса Б;

изоляционный -  диатомит.

 Для  подогрева воздуха, идущего на  горение, печи этого типа оборудуются  рекуператорами (чугунными, игольчатыми  или радиа-ционно-конвективными, встроенными вдымовые каналы; для печей, работающих на мазуте, чугунные игольчатые рекуператоры снабжаются защитными секциями из термоблоков; возможно также применение рекуператоров других типов).

Продукты горения отводятся под зонт и далее в вытяжную трубу или в “борова" и дымовую трубу.

 

 

 

5  Расчетный эскиз печи и  ее тепловой баланс

5.1 Составление расчетного эскиза  печи

Расчетный эскиз печи составляется на основании уточненных размеров рабочего пространства печи, принятых толщин слоев кладки стен, пода, свода, а также на основании конструктивно принятых размеров рабочих окон, щелей, размеров заслонки.

       Таким образом, габаритные размеры  печи можно рассчитать в следующей  последовательности:

Площадь активного пода

Площадь габаритного пода

Высоту зон печи принимаем из конструкционных соображений

Всю длину печи делим на зоны пропорционально времени нагрева:

Длина методической зоны:

Длина сварной зоны:

Длина томильной зоны:

Напряжённость габаритного пода печи:

                                                                                             (5.1)

 ` 

 Рисунок 5.1 – Эскиз печи.

 

 

5.2 Тепловой баланс печи

Сумма статей прихода тепла для любой печи должна равняться сумме всех статей расхода, что выражается уравнением теплового баланса

                                                                                           (5.4)

Приходные статьи теплового баланса.

1. Тепло от горения топлива

                                                                (5.5)

где – часовой расход топлива, м3 /ч;

 – низшая теплота  сгорания, кДж/м3.

2. Физическое тепло воздуха. Общее количество тепла, поступающего с нагретым воздухом.

                                                                                         (5.6)

- действительное количество воздуха, поданного в печь для горения единицы топлива, м3 / м3;

- теплосодержание  воздуха при температуре ввода  его в печь.

3. Тепло, выделяющееся при окислении металла(экзотермическая реакция), т.к. процесс окисления металла протекает с положительным эффектом[1]

                                                              (5.7)

где G – производительность печи, кг/с;

q – теплота, выделяющаяся при окислении 1 кг металла ( для стали q= 5652 кДж/кг);

a – угар(окисление) металла,  для выбранной печи а = 2%;

В этом случае приходная статья теплового баланса запишется в виде[2]

 

 

Расходные статьи теплового баланса.[2]

1. Расход тепла на нагрев металла

                                       (5.9)

где G – производительность печи, кг/ч;

 – начальная и  конечная средняя по массе  температура нагреваемого металла, ˚С;

 – средняя теплоемкость металла в пределах температур в кДж/(кг*˚С);

По таблице 4.1[1] в пределах средней температуры найдем среднюю теплоемкость нагреваемого металла

                                                                  (5.10)

Найдем для 700˚С среднюю теплоемкость [1]

 

Отсюда расход тепла на нагрев металла:

     (5.11)

2. Потери тепла с отходящими продуктами горения

                                                                              (5.12)

где – количество продуктов горения, полученных от сгорания единицы топлива, м3/м3;

 – содержание того или иного элемента в продуктах горения, %/100;

 – энтальпия газа, входящего в состав продуктов горения, при заданной температуре уходящих газов(таблица 3.8)[1] , кДж/м3;

3. Потери тепла от химической неполноты горения топлива

                            Qн.г.=(0,01-0,02)δВтQнр=6,7Вт кДж/ч                                 (5.13)

4. Потери тепла через кладку печи теплопроводностью и потери тепла излучением через окна[2]

                                                                        (5.14)

где – сумма тепловых сопротивлений слоев кладки, (м2*ч*˚С)/кДж;

S – толщина соответствующего слоя, м;