Расчет методической толкательной печи

Рисунок 1 -  Расчетный график нагрева металла

 

Для предварительного определения  основных размеров печи зададимся величиной  напряжённости габаритного пода. Равной 300 кгс/(м²  ч). При этом площадь пода

Выполняем печь с однорядным расположением  заготовок; определим её ширину В  и длину L:

;

.

По конструктивным соображениям примем высоту томильной, сварочной и конца  методической зон соответственно равными 1,3; 2,2 и 0,8 м.

 

Определение степени развития кладки ω. Средняя высота методической зоны равна 1,5м, следовательно:

;

аналогично:

 

Эффективная толщина газового слоя для определённой зоны печи может  быть найдена из выражения :

,

где  V – объём зоны, м³;

      F – суммарная площадь стен, свода и пода данной зоны, м²;

      η – поправочный  коэффициент, равный 0,9.

Следовательно, для методической зоны с длиной L_м эффективная толщина газового слоя

аналогично:

 

Определим временя нагрева  для I участка методической зоны.

Найдём степень черноты газов  ε_г.

По номограммам (см. приложение Б,В,Г) находим

 ε_СО2 = 0,13; ε_Н2О = 0,25; β = 1,09;

ε_г = ε_СО2 + ε_Н2О   β = 0,13 + 0,25· 1,09 = 0,4

Принимая степень черноты металла  ε_м =0,8, определим коэффициент С_г.к.м.:

 

Коэффициент теплоотдачи на первом участке методической зоны будет  равен (при t^ср_пов.ме = ):

Для определения критерия Вi находим из приложений Д и Е коэффициенты теплопроводности (по средней температуре металла на участке 135 ^оС) и теплоёмкости (по конечной температуре металла на участке 250 ^оС)

λ= 38,25 Вт/(м· К)

с = 0,512 кДж/(кг· К)

Отсюда для одностороннего нагрева  критерий будет равен :

Из величины критерия Вi следует, что на первом участке методической зоны заготовки греются как тонкое тело и время их нагрева следует определять по формуле:

Поскольку тонкое тело греется без  перепада температуры по сечению, средняя  температура по сечению металла  к концу первого участка нагрева  составит 250 ^оС.

 

Определим время нагрева  для II участка методической зоны

t_г = 1025^оС; t^ср_пов.ме =

с помощью номограммы (см. приложение Б,В,Г) получим

ε_г = 0,12 + 0,15· 1,09 = 0,28

Из приложений Д и Е теплоемкость и теплопроводность металла будут равны:

= 36,8 Вт/(м · К)

с = 0,5675 кДж/(кг· К)

Следовательно, на этом участке заготовка  греется как массивное тело. Определим  величину температурного критерия для  поверхности металла:

По номограмме  для поверхности  пластины (см. рисунок 2) по значениям В_i и Ө_пов находим величину критерия Фурье

Коэффициент температуропроводности будет равен:

Определим температуру центра металла  к концу нагрева на втором участке  методической зоны, для чего по значениям  Fo = 1.2 и Вi = 0,35, пользуясь номограммой для центра пластины (см. рисунок 3) , найдём

 Өц = 0,7. Следовательно:

 

Определим время нагрева для  III участка методической зоны

 при  и

Аналогично  предыдущей зоне получим:

= 29,2 Вт/(м· К)

с = 0,695 кДж/(кг· К)       

Определим величину критерия для массивного тела

и величину температурного критерия

По номограмме (см. рисунок 2) найдём, что Fo =0,9

Отсюда  время нагрева

Найдём  по номограмме (см. рисунок 3) по Fo=0,9,  Bi=0,41.

Таким образом, полное время нагрева металла  в методической зоне печи составит

 Определим  время   нагрева металла в сварочной  зоне. Степень черноты газов:

,

Найдём коэффициенты теплопроводности и теплоемкости из приложений Д и Е.

= 27,7 Вт/(м · К)

с = 0,695 кДж/(кг · К)

По номограмме (см. рисунок 2) Fo=2,5

Температурный критерий для центра пластины (см. рисунок 3) при Fo=2,5,      Bi=0,86  будет равен

Определим время выдержки (томления) , пользуясь таблицей 2.

Разность температур по сечению  металла в начале выдержки составит

∆

Примем допустимую разность температур в конце выдержки равной ∆

Тогда величина , а Fo=0,8

Средняя температура металла в  зоне выдержки

По этой температуре из приложений Д и Е найдём

= 30,1 Вт/(м· К)

с = 0,68 кДж/(кг · К)

Время выдержки будет равно

Таким образом, полное время пребывания металла в печи составит

 

 

 

 

 

 

Таблица 2 - Расчет выдержки металла при постоянной температуре

 поверхности

 

	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8
Fo	3,2	2,4	1,7	1,2	0,8	0,5	0,45	0,4

 

 

1.3. Определение  основных размеров печи.

 

 Для обеспечения заданной  производительности в печи должно постоянно находиться следующее количество металла:

Масса одной заготовки равна  ;

найдём число заготовок в  печи:

При однорядном расположении заготовок

-длина печи

-ширина печи

-площадь активного пода

-площадь габаритного пода

 

Всю длину печи делим на зоны пропорционально  времени нагрева:

 

-длина методической зоны

-длина сварочной зоны

-длина томильной зоны

Напряжённость габаритного пода печи :

 

,

т. е. значение Н_г близко к тому, которым задавались при предварительном расчете.

Для расчёта теплового баланса  необходимо знать не только размер печи, но и толщину стен, и материал, из которого они выполнены.

Выберем для печи следующую футеровку: свод подвесного типа из шамота класса А и толщиной 300 мм, стены двухслойные (шамот класса А 345 мм и тепловая изоляция из диатомита 115 мм);под томильной зоны трёхслойный(тальк 230 мм, шамот класса Б 230 мм, диатомит 115 мм).

 

1.4. Составление  теплового баланса печи

 

 При проектировании печи  после определения её основных  размеров выполняют конструктивную  разработку. В данном примере  расчёта это сделать невозможно, поэтому при составлении теплового  баланса приходится опускать  некоторые статьи расхода тепла,  не превышающие 5% всего расхода.

Приход  тепла

 

1. Тепло от сжигания топлива:

,где  -- искомый расход топлива,

2. Тепло,  вносимое подогретым воздухом:

3. Тепло, вносимое подогретым  газом:

В данном примере топливо не подогревается.

4. Тепло экзотермических реакций  (при угаре 1%, теплота сгорания  железа порядка 5650 )

Расход  тепла

В силу отмеченных причин при составлении  теплового баланса опущены следующие  статьи расхода:

а) потери тепла излучением через  открытые окна;

б) потери от химической неполноты  сгорания;

в) потери от механической неполноты  сгорания

1. Тепло, затраченное на нагрев  металла:

2. Тепло, уносимое уходящими  газами.

Прежде всего следует определить теплоёмкость дымовых газов при 

 

3. Потери тепла через кладку  теплопроводностью.

Потери через свод. Площадь свода 381,02 м², толщина свода 0,3 м, материал – шамот. Потерями через под пренебрегаем. Принимаем, что температура внутренней поверхности свода равна температуре газов.

Средняя температура газов в  печи

Если считать, что температура  наружной поверхности кладки около 50^оС, то средняя температура огнеупорного материала свода (1140+50)/2 = 592 ^оС. По этой температуре выбираем коэффициент теплопроводности шамотного материала:

Таким образом потери через свод составят

,

 где  -- коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стен к

 окружающему воздуху, равный  .

 

Потери через стены. Кладка стен выполнена двухслойной (шамот

 345 мм, диатомит 115 мм)

 

Площадь стен, м²:

методической  зоны

сварочной зоны

томильной зоны

торцевых зон 

                                                   __________________________

                                                     Полная мощность стен 184,7

 

Для вычисления коэффициентов теплопроводности, зависящих от температуры, необходимо найти среднее значение температуры  слоев.

Средняя температура слоя шамота равна  , а слоя диатомита ,

 где  - температура на границе раздела слоев, °С; - температура внутренней поверхности кладки, °С; - температура наружной поверхности кладки,      ° С.

Коэффициент теплопроводности шамота

, Вт/(м К).

Коэффициент теплопроводности диатомита

, Вт/(м К).

В стационарном режиме

Подставляя значения коэффициентов  теплопроводности

 

или

 

 

Решение этого квадратичного уравнения  дает значение

  =706 °С

 

При прямолинейном распределении  температуры по толщине стены  средняя температура шамота будет  равна 913 ^оС, а диатомитового кирпича 373 ^оС

Следовательно:

 

Вт/(м °С)=3,18 кДж/(м ч °С)

 Вт/(м °С)=0,61 кДж/(м ч °С)

 

Полные  потери через кладку

4. Потери  тепла с охлаждающей водой  по практическим данным принимаем  равными 10% прихода (т.е. от  ):

 

5. Неучтённые  потери. В связи с тем, что  нами не учтены некоторые статьи  расхода части баланса, неучтённые  потери принимаем в размере  15% прихода тепла

Составим  уравнение теплового баланса  печи

 

    

 

 

 

Результаты  расчетов сведем в таблицу (таблица 3).

Таблица 3 - Тепловой баланс методической печи

 

Статья прихода, кДж/ч	Статья расхода, кДж/ч
1. Тепло от горения топлива (27000·4496)              121,4·106 2. Физическое тепло воздуха (3720,3·4496)          16,73·106 3. Тепло экзотермических  реакций                            3,79·106 Итого                          141,92·106	1.Тепло  на нагрев металла        54,67·106 2. Тепло, уносимое уходящими  газами (11183,9·4496)                            50,28·106 3. Потери через кладку                2,43·106 4. Потери тепла с охлаждающей  водой (3072,03·4496)                          13,82·106 5. Неучтенные потери (4608,05·4496)                          20,72·106 Итого                                       141,92·106