Расчет методической толкательной печи

 

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное  учреждение

Высшего профессионального образования

Московский Государственный институт стали и сплавов

(технологический университет)

Новотроицкий филиал

Кафедра металлургических технологий

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

по дисциплине: Теплотехника

Тема: «Расчет методической толкательной печи»

№ зачетной книжки:

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

Группа:

Проверил:

 

 

 

Новотроицк, 2012

 

Содержание

 

 

           Введение. …………………………………………………………………..................3                    

1. Расчет нагрева металла в трехзонной методической печи………………………...5

1.1. Расчет горения топлива…………………………………………………………….5

1.2. Определение времени нагрева металла…………………………………………..10

1.3. Определение основных размеров печи…………………………………………..15

1.4. Составление теплового баланса печи…………………………………………….16

Список  литературы……………………………………………………………………..20

Приложение А. Номограмма Д. В. Будрина для расчета нагрева пластины………..21

Приложение  Б. Номограмма для определения степени черноты СО₂………………22

Приложение  В. Номограмма для определения степени черноты Н₂О………………23

Приложение  Г. Номограмма для определения поправочного коэффициента ……24

Приложение  Д. Средняя теплоемкость углеродистых и низколегированных сталей.25

Приложение  Е. Теплопроводность углеродистых и низколегированных сталей. . . . 25

Приложение  Ж. Средние теплоемкости для воздуха и газов…………………………26

Приложение  З. Энтальпия 1 м³ воздуха и газов………………………………………..27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Методические печи широко применяют  в прокатных и кузнечных цехах  для нагрева квадратных, прямоугольных, а иногда и круглых заготовок. Широкое применение методических печей  обусловлено их достаточно высокой  производительностью при невысоком  удельном расходе топлива.

Тепловой и температурный режимы методических печей неизменны во времени. Характер изменения температуры  по длине печи определяет количество и назначение зон печи. Металл поступает  в зону наиболее низких температур и, подвигаясь навстречу дымовым  газам, температура которых наиболее низка в месте их выхода из печи, постепенно нагревается.

Первую (по ходу металла) зону, называют методической. В ней металл постепенно подогревается до поступления в  зону высоких температур. Во избежание  возникновения термических напряжений в металле бывает необходим медленный  нагрев его в интервале температур от 0 до 500 °С. Постепенный нагрев металла  в методической зоне обеспечивает безопасный режим нагрева. Движущиеся навстречу  перемещению металла дымовые  газы отдают ему тепло, значительно  охлаждаясь в пределах методической зоны.

Вторую по ходу металла зону называют сварочной или зоной высоких  температур. Назначение этой зоны состоит  в быстром нагреве поверхности  металла до конечной температуры. Для  интенсивного нагрева поверхности  металла до температур 1150-1250 °С необходимо в сварочной зоне обеспечивать температуру  на 150-250 °С выше температуры нагрева  металла.

Третья по ходу металла зона называется томильной или зоной выдержки. Она служит для выравнивания температуры  по сечению металла. В сварочной  зоне до высокой температуры нагревается  только поверхность металла, температура  же середины металла значительно  отстает от температур поверхности, в результате чего создается большой  перепад температур по сечению металла. С таким перепадом температур по толщине металл поступает в  томильную зону, где поддерживают температуру на 50-70 °С выше необходимой  температуры нагрева металла. Поэтому  в томильной зоне температура  поверхности металла не изменяется и поддерживается на достигнутом  в сварочной зоне уровне.

Подобный трехступенчатый режим  нагрева необходим, когда нагревают  заготовки, в которых может возникнуть значительный перепад температур по толщине. Такие печи называют трехзонными  методическими печами (рисунок 1).

При нагреве тонких заготовок пользуются двухзонными печами

      (с методической и сварочной зонами).

При нагреве металла перед прокаткой  на листовых и сортовых станах пользуются четырех - и пятизонными методическими  печами для повышения общего температурного уровня печи и обеспечения большей  ее производительности.

В методических печах возможно осуществлять односторонний и двухсторонний  нагрев металла. Односторонний нагрев происходит в том случае, когда  металл нагревается только с одной  стороны – сверху. Для ускорения  нагрева металла предусматривают  нижний обогрев заготовки, для чего под заготовки на всю длину  сварочной и методической зон  сооружают специальную камеру, оборудованную горелочными устройствами в пределах сварочной зоны. Все топливо, подаваемое в трехзонную методическую печь с нижним обогревом, распределяют по зонам следующим образом,  %:

Нижняя часть сварочной зоны. . . . . . . . . . . . . . . . . 55 – 60

Верхняя часть сварочной зоны . . . . . . . . . . . . . . . .  30 – 40

Томильная зона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 – 15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Расчет  нагрева металла в трехзонной  методической печи

 

Задание. Рассчитать трёхзонную методическую печь с нижним обогревом производительностью Р = 67 т/ч. Нагреваемая заготовка выполнена из  марганцевой стали (ρ = 7300 кг/м³) и имеет размеры 64*270*3700 мм. Конечная температура нагрева металла 1270^оС. Температура уходящих газов 870 ^оС. Дана смесь двух топлив А и Б с теплотой сгорания Q^р_{н см} = 27 МДж/м³. Состав топлива А: СО₂ = 12%, СО = 27%, Н₂ = 8%, СН₄ = 1,8%, N₂ = 51,2%. Влажность топлива W_А =28 г/м³.

Состав топлива Б: СО₂ = 0,2%, СН₄ = 97,8%, С₂Н₆ = 0,4%, С₄Н₁₀ = 0,3%, N₂ = 1,3%,. Влажность топлива W_Б = 8 г/м³. Температура подогрева воздуха t_в = 370^оС. Топливо не подогревается. Коэффициент расхода воздуха n = 1,07.

 

  1.1. Расчет горения топлива

 

Расчёт для  топлива А:

 

СО₂=12*100/100+0,1242*28=11,60

 

СО=27*100/100+0,1242*28=26,19

 

Н₂=8*100/100+0,1242*28=7,76

 

N₂=51,2*100/100+0,1242*28=49,66

 

СН₄=1,8*100/100+0,1242*28=1,75

 

Н₂О=0,1242*28*100/100+0,1242*28=3,37

 

11,6+26,19+7,76+1,75+49,66+3,37=100%

 

Расчёт для  топлива  Б:

 

СО₂=0,2*100/100+0,1242*8=0,21

 

СН₄=97,8*100/100+0,1242*8=96,82

 

С₂Н₆=0,4*100/100+0,1242*8=0,4

 

С₄Н₁₀=0,3*100/100+0,1242*8=0,3

 

N₂=1,3*100/100+0,1242*8=1,29

 

Н₂О=0,1242*8*100/100+0,1242*8=0,98

 

0,21+96,82+0,4+0,3+1,29+0,98=100%

 

Определим теплоту сгорания каждого газа.

 

Q^р_н = 127 СО + 108 Н₂ + 358 СН₄ + 590 С₂Н₄ + 555 С₂Н₂ + 635 С₂Н₆ + 913 С₃Н₈

 

+ 1185 С₄Н₁₀ + 1465 С₅Н₁₂ + 234 Н₂S

Q^р_{н (А)} = 127· 26,19 + 108· 7,76 + 358·1,75 = 4790,71 кДж/м³

 

Q^р_{н (Б)} = 358· 96,82+635∙0,4+1185· 0,3 = 35271,06 кДж/м³

 

Найдём состав смешенного газа, для  чего прежде всего определим долю А газа в смеси, которую обозначим  через Х_А:

 

Х_Б =1- Х_А=1-0,27=0,73

 

Посчитаем состав смеси:

 

СО₂^см = СО₂^А  ⃰ Х_А + СО₂^Б  ⃰ Х_Б = 11,6*0,27+0,21*0,73=3,29%

СО^см = 26,19*0,27=7,07 %

Н₂^см = 7,76*0,27=2,1 %

СН₄^см  1,75*0,27+96,82*0,73=71,15 %

N₂^cм = 49,66*0,27+1,29*0,73=14,35 %

С₄Н₁₀^см =  0,3*0,73=0,22 %

С₂Н₆ =0,4*0,73=0,29%

Н₂О^см = 3,37*0,27+0,98*0,73=1,63 %

 

3,29+7,07+2,1+71,15+14,35+0,29+0,22+1,63=100

 

Используя таблицу 1,определим расход воздуха, состав и количество продуктов  сгорания. Расчет ведём на 100 м³ газа.

Правильность расчета проверим составлением материального баланса.

Расчет является верным, если погрешность  не превышает 5 %.

 

 

 

 

Поступило, кг:                                               Получено, кг:

Топливо

СО₂ =3,29·1,96 = 6,45                                    СО₂ = 82,97· 1,96 = 163,12

СО = 7,07· 1,25 = 8,84                                   Н₂О = 146,37· 0,8 = 117,1

Н₂ = 2,1· 0,09 = 0,19                                       О₂  = 16,06 ∙ 1,43 = 22,97

СН₄ = 71,15· 0,71 = 50,52                             N₂ = 611,24· 1,25 = 764,05

N₂ = 14,35 · 1, 25 = 17,94                                 __________________________

C₄Н₁₀ = 0,22· 2, 59 = 0,57                               Итого                     1067,24

С₂Н₆ =0,29·1,34=0,39

Н₂О = 1,63· 0,8 = 1,30

Воздух

О₂ = 159,8· 1,43 = 228,5

N₂ = 595,9· 1, 25 = 744,9

__________________________

Итого                      1059,6

 

Погрешность

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1- Расход воздуха, состав и количество продуктов сгорания

Участвуют в горении						Образуется продуктов сгорания, м3
Топливо, м3		Воздух, м3
составляющая	содержание, м3	О2	N2	всего	СО2	Н2О	О2	N2	всего
СО2 СО Н2 СН4 N2 C2Н6 C4Н10 Н2О	3,29 7,07 2,1 71,15 14,35 0,29 0,22 1,63	-- 3,54 1,05 142,3 -- 1,02 1,43 --	149,3·  3,76 = 556,9	149,3+556,9=706,2	3,29 7,07 -- 71,15 -- 0,58 0,88 --	-- -- 2,1 142,3 -- 0,87 1,1 1,63	-- -- -- -- -- -- -- --	14,35+556,9= 571,25
n = 1	100	149,3 (21,0)	556,9 (79,0)	706,2 (100)	82,97 (10,36)	146,37 (18,28)		571,25 (71,36)	800,6 (100)
n = 1,09	100	159,8 (21,0)	595,9 (79,0)	755,7 (100)	82,97 (9,58)	146,37 (17,09)	16,06 (1,87)	611,24 (71,36)	856,6 (100)

 

 

Из таблицы 1 следует, что при  данной величине коэффициента расхода  воздуха, равной 1,2, количество продуктов  сгорания, образовавшихся при сжигании 100 м³ топлива, составит

856,6 м³ или 8,57 м³ на 1 м³ топлива. Воздуха при этом будет затрачено 755,7 м³ на 100 м³, или 7,56 м³ на 1 м³ топлива.

Для определения калориметрической  температуры горения необходимо найти начальную энтальпию (теплосодержание) 1 м³ продуктов сгорания:

I = I_o + I_в + I_г

Где  I_o, I_в, I_г – соответственно количества тепла, получаемые от сжигания топлива и вносимые подогретым воздухом и газом.

Таким образом, количества тепла, получаемое от сжигания топлива в расчёте  на единицу объёма продуктов сгорания, будет равно

Количества тепла, вносимое подогретым воздухом, может быть определено следующим  образом:

где с_в – теплоемкость воздуха при 310^оС (приложение Ж).

Таким образом, энтальпия продуктов  сгорания составит

Определим калориметрическую температуру.

Энтальпия продуктов сгорания равна, кДж/м³ ( приложение З):

При 1800^оС

I_СО2 =( 0,131+0,004)· 4360,67 = 588,69

I_Н2О = 0,184· 3429,90 = 631,11

I_О2 = 0,015·2800,48 = 42,01

I_N2 = 0,67· 2646,74 = 1773,31

I₁₈₀₀^о_С = 3035,12  кДж/м³

 

При 1900^оС

I_СО2 = (0,131+0,004)· 4634,76 = 625,69

I_Н2О =0,184 · 3657,85 = 673,04

I_О2 = 0,015·2971,30 = 44,57

I_N2 =0,67 · 2808,22 = 1881,51

I₁₉₀₀^о_С = 3224,81 кДж/м³

 

Следовательно, искомая калориметрическая  температура горения равна

Как следует из вышеизложенного, при  таком значении t_к методическая печь работает нормально. Для ориентировочного определения действительной температуры в сварочной зоне можно воспользоваться пирометрическим коэффициентом η, величину которого примем равной 0,7.

Следовательно, t_действ = t_к  η = 1913 · 0,7 = =1339 ^оС. На основании этого и учитывая рекомендации, приведенные выше, примем t_действ = 1300 ^оС.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2. Определение  времени нагрева металла.

 

 Прежде  всего,  выберем  температурный  график  процесса  нагрева.  Температура уходящих  из печи газов равна 890 ^оС.   Температуру в томильной зоне примем –  на 50 ^оС выше, чем температура нагрева металла, т.е. 1250 ^оС. Полный принятый график нагрева приведён на рис.5. Методическую зону разделим условно на три участка (рисунок 1) и усредним температуру печи в пределах каждого из них.