Тепловой расчёт и конструирование печи

Санкт-Петербургский  государственный

политехнический университет

 

 

 

Факультет технологии и исследования материалов

Кафедра «Пластическая обработка  металлов»

 

 

 

 

Пояснительная   записка

к курсовому проекту

На тему: «Тепловой расчёт и конструирование  печи»

 

 

 

 

 

 

Проект выполнил                                        студент группы 3064/2

                                                                        И. А. Полозов

 

 

Руководитель                                                А.Э. Александров

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2012

 

Санкт-Петербургский  государственный

политехнический университет

 

 

Факультет технологии и  исследования материалов.

Кафедра «Пластическая  обработка металлов»

Задание № 25

к курсовому проекту на тему:

«Тепловой расчёт и конструирование печи»

 

Студент:  И. А. Полозов                                Группа 3064/2

1. Тип и назначение печи:  камерная садочная.
2. Материал нагреваемых заготовок: Сталь 08
3. Габариты заготовок: цилиндр D = 620 мм, L = 1380 мм.
4. Садка печи: 2.
5. Режим нагрева металла: нагрев под ковку
6. Топливо: смесь природного и коксового газов
7. Теплотворность топлива: Q = 23000 кДж/м³
8. Влажность топлива: W=  40 г/м³
9. Температура подогрева воздуха: t =230˚С

10. Выполнить аэродинамический  расчёт дымового тракта

 

 

Введение

В данном курсовом проекте производится тепловой расчет и конструирование печи. Нагрев металла является одной из важнейших стадий производственного процесса, влияющей на производительность, качество и себестоимость продукции.

В машиностроении для  нагрева металлических заготовок под прессование, штамповку  и термическую обработку используют печи различных конструкций, которые могут быть объединены общим признаком. В  большинстве   случаев – это камерные печи  садочного  типа. В  таких  печах  нагрев  заготовок  производят  отдельными  садками, с  последующим их  охлаждением. Широкое  применение  этих  печей объясняется  их  универсальностью,  позволяющей  обрабатывать  по  разным  режимам   разнообразные  по форме  и  размерам  заготовки.

Для того чтобы грамотно выбрать и  использовать  печь,  необходимо  ознакомиться  с основами её  тепловой  работы, т.е. совокупности всех  процессов, протекающих  в  печи  и  определяющих основной  процесс – нагрев  металла. Сущность тепловой  работы  нагревательных  и  термических  печей  садочного  типа  определяется сочетанием  процессов  тепловыделения,  теплообмена  и  теплоусвоения, которые  протекают  в  рабочем  пространстве  печи. Поэтому  задачи расчета  таких  печей  сводят  к  выявлению  условий  протекания  указанных  процессов,  которые  обеспечат заданный  режим  нагрева  и  заданную  производительность  печи.

 

1. Расчет горения топлива.

 

Согласно заданию печь должна отапливаться смесью природного и коксового газов (теплота сгорания: 23000 кДж/м³, влажность 40 г/м³). Состав природного (П) и коксового (К) газов приведен в таблице 1.

                                                                                                               Таблица 1

Газ	СО2	СО	Н2	N2	СН4	С2Н4	О2	Н2S	Н2О
П	0,3	0,6	2,0	3,0	93,0	0,4	0,5	0,2	-
К	2,8	5,4	50,8	11,4	26,5	1,7	1,0	-	0,4

 

Пересчитаем состав сухого газа на рабочий по формулам:

k = (100-Н₂О)/(100-(Н₂О)_Т),

Н₂О = 100·W/(W+803,6)

где (Н₂О)_Т - содержание влаги в топливе по справочным данным, %;

Н₂О – заданное содержание влаги в топливе, %; W - содержание водяных паров в топливе, г/м³.

Н₂О = 100·40/(40+803,6) = 4,74%

k =(100-4,74)/100 = 0,9526

Рабочий состав газов  равен:

Природный газ      СО₂^Р = 0,3·0,9526 = 0,29%  и т.д.

Коксовый газ      СО ₂^Р = 2,8·0,9526 = 2,67% и т.д.

 

Рабочие составы (%) природного и коксового газов приведены в таблице 2.

                                                                                                                     Таблица 2

Газ	СО2Р	СОР	Н2Р	N2Р	CH4Р	C2H4Р	O2Р	H2SР	H2OР	Сумма
П	0,28	0,57	1,90	2,86	88,6	0,38	0,48	0,19	4,74	100
К	2,67	5,14	48,39	10,86	25,24	1,63	0,95	-	5,12	100

 

Теплоту сгорания каждого  газа вычисляем по формуле:

 

Q_н ^р = 0,127·CO^P +0,108·H₂^P +0,234·H₂S^P +0,357·CH₄^P +0,596·C₂H₄^P

Q_{н пг} ^р = 0,127·0,57+0,108·1,91+0,234·0,19+0,357·88,59+0,596·0,38 = 32,18МДж/м³

Q_{н кг} ^р = 0,127·5,14+0,108·48,39+0,357·25,24+0,596·1,63 = 15,86 МДж/м³

 

Определим состав смеси.

Доля природного газа в смеси:

x  = (Q_см - Q_{н кг}^Р)/(Q_{н пг}^Р – Q_{н кг}^Р) = (23,0-15,86)/(32,18-15,86) =0,4375

Доля коксового газа:  (1- 0,4375) =  0,5625.

 

Рабочий состав смешанного газа определяется по формуле:

(СО₂)_см = х· (СО₂)_пг + (1-х) · (СО₂)_кг  …

СО₂^Р _см = 0,4375·0,28 + 0,5625·2,67 = 1,62%…

Рабочий состав (%) смешанного газа приведен в таблице 3.

                                                                                                                 Таблица 3

СО2РСМ	СОРСМ	Н2РСМ	N2РСМ	СН4РСМ	С2Н4РСМ	О2РСМ	Н2SРСМ	Н2ОРСМ	Сумма
1,62	3,14	28,05	7,37	52,97	1,08	0,74	0,08	4,95	100

 

Теоретически необходимое  количество воздуха (м³) определяем по формуле:

 

L₀ = 0,0476· (0,5CO^P +0,5H₂^P +2CH₄^P +3C₂H₄^P +1,5H₂S^P -O₂^P)(1+0,00124d_В),

 

где d_В - влагосодержание сухого воздуха, г/м³, равное 10г/м³.

 

L₀ = 0,0476· (0,5·3,14+0,5·28,05+2·52,97+1,5·0,08-0,74) · (1+0.00124·10) = 5,83 м³.

 

Действительное количество воздуха при a = 1,1 вычисляется по формуле:

 

L_Д = a·L₀ = 1,1·5,83 = 6,41 м³.

 

Количество продуктов  сгорания (м³) рассчитываем по формулам:

 

V_CO2 = 0,01· (CO₂^P+CO^P+CH₄^P+2C₂H₄^P)

V_CO2 = 0,01· (1,62+3,14+52,97+2·1,08) = 0,6 м³

 

V_N2 = 0,01*(N₂ +79*L_Д)

V_N2 = 0,01*(7,37+79*6,41) = 5,14 м³

 

V_H2O = 0,01· (2CH₄^P +2C₂H₄^P +H₂^P + H₂O^P +H₂S^P + 0.124L_д·d_В)

V_H2O = 0,01· (2·52,97+2·1,08+28,05+4,95+0,08+0,124·6,41·10) =1,44 м³

 

V_O2 = 0,21· (a-1) ·L₀ = 0,21· (1,1-1) ·5,83 = 0,13 м³

V_SO2 = 0,01·H₂S^P = 0,01·0,08 = 0,0008 м³

 

Общее количество продуктов  сгорания равно:

 

V_Д = V_CO2 + V_N2 +V_H2O + V_O2 + V_SO2 = 0,6+5,14+1,44+0,13+0,0008 = 7,31 м³

 

Рассчитаем состав продуктов  сгорания смешанного газа по формулам:

 

Х = 100·V_X/V_Д

CO₂ = 0,6·100/7,31 = 8,2%

H₂O = 1,44·100/7,31 = 19,69%

SO₂ = 0,0008·100/7,31 = 0,01%

N₂ = 5,14·100/7,31 = 70,3%

O₂ = 0,13·100/7,31 = 1,8%

 

Плотность продуктов сгорания вычисляем  по формуле:

 

r_Д = (0,44·CO₂+0,18·H₂O+0,28·N₂+0,32·O₂+0,64·SO₂)/22,4 = =(0,44·8,2+0,18·19,69+0,28·70,3+0,32·1,8+0,64·0,01)/22,4 = 1,22 кг/м³

 

 

2. Расчет параметров  внешнего теплообмена.

 

Согласно заданию садка  печи состоит из двух слитков диаметром d = 620 мм и длиной

 l = 1380 мм.

Расположим слитки в  ряд по ширине пода (рис. 2.1).

 

 

Рис. 2.1. Эскиз рабочего пространства печи и схема

расположения слитков  на ее поду.

 

На поверхность нагреваемого в печи материала теплота передаётся за счёт излучения и конвекции:

где q _конв и q_изл – тепловые потоки, переданные соответственно конвекцией и излучением. Следует иметь ввиду, что доля теплоты, передаваемой конвекцией в печах с рабочей температурой более 700°С, не превышает 15…20% и падает с увеличением температуры. Существующие методики расчёта конвективного теплообмена дают относительную погрешность около 20…30%, поэтому в дальнейшем будем считать, что конвективный тепловой поток составляет 10% от лучистого теплового потока: qконв=0.1 qизл. Тогда общий поток теплоты, передаваемый на поверхность металла: qм=1.1 qизл. Теловой поток

излучением на поверхность  нагреваемого материала может быть вычислен по формуле:

 

где q_изл - тепловой поток излучением; Т_ср, Т_пов – температуры среды и поверхности нагреваемого материала, К; С_пр – приведённый коэффициент излучения, В/м²К⁴ .

При расчёте теплового  потока на поверхность садки в  качестве источника излучения может быть выбрана печь, газ или кладка. В реальных условиях режим нагрева контролируется по показаниям печной термопары. Температура, фиксируемая горячим спаем такой термопары, даёт промежуточное значение между температурой газа (наиболее высокой температурой печи), кладки и металла. Принято считать, что на поверхность печной термопары и металла передаются равные тепловые потоки, поэтому в дальнейшем при его определении принимаем в качестве источника излучения печь. Тогда с учётом конвекции тепловой поток на металл:

где С_пм – приведённый коэффициент излучения в системе печь – металл,

В/м²К⁴ ; Т_пч – температура печи, К.

Исходя из того что тепловой поток  излучением на металл одинаков независимо от того, что мы выбираем в качестве источника излучения, то qм, можно определить температуру газов и кладки из выражений:

Тогда длина рабочего пространства

L = 0,5·2+1,38·2+0,1= 3,86 м; ширина В = 1,55 м.

В камерных печах рабочее пространство перекрывают арочным сводом с  центральным углом j = 60⁰. При таком центральном угле свода R=B, а высота боковой стены

h = R·cos(j/2) = 1,55·cos30⁰ = 1,34 м.

Средняя высота печи

h_СР = (h+H)/2 = (1,34+1,55)/2 = 1,45 м.

Определим геометрические параметры излучения. Поверхность  кладки

F_КЛ = F_{ТОРЦ СТЕН} +F_{БОК.СТЕН} +F_СВОДА +F_ПОДА = 2Вh_СР + 2Lh+ pRjL/180+LB = =2·1,55·1,45+2·3,86·1,34+3,14·1,55·60·3,86/180+3,86·1,55 = 27,1 м²

Излучающую поверхность  металла определим по формуле

F_М = n*(2πrl+2πr²), где n - число слитков; r и l – радиус и длина слитка;

F_М = 2· (2·3,14·0,31·1,38+2·3,14·0,31²) = 7,0 м².

Объем рабочего пространства печи

V_ПЧ = BLh_CP = 1,55·3,86·1,45= 8,7 м³.

Объем металла 

V_М = n·π·r²·l = 2·3,14·0,31²·1,38 = 0,38 м³.

Эффективную длину луча определим согласно формуле:

S_ЭФ = 3,5· (V_ПЧ - V_М)/(F_М +F_КЛ) = 3,5· (8,7-0,83)/(7+27,1) = 0,8 м.

Угловые коэффициенты

j_КМ = j_ММ = F_М/(F_М +F_КЛ) = 7/(7+27,1) = 0,208

 j_МК = 1 - j_ММ = 1-0,208 = 0,792

Приведенный коэффициент  С_ПМ при степени черноты окисленной стали, равной e_М = 0,8 согласно формуле равен: