Расчет рекуперативного нагревательного колодца с одной верхней горелкой.

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Южно – Уральский Государственный университет

Филиал ГОУ ВПО «ЮУрГУ» в г. Златоусте

Факультет металлургический

Кафедра «Общей металлургии»

Пояснительная записка к курсовому проекту

по курсу «Теплотехника»

на тему «Расчет рекуперативного нагревательного колодца с одной

верхней горелкой»

150101.2008.1754.00.00 ПЗ

Златоуст 2008

Аннотация

В проекте выполнены следующие расчёты: расчет горения топлива, определение размеров рабочего пространства печи, расчет нагрева металла, расчет теплового баланса печи, расчет топливосжигающего устройства и расчет рекуператора. Произведен выбор огнеупорной футеровки и способа утилизации дымовых газов.

Оглавление

1 Расчёт горения топлива

2 Определение размеров рабочего пространства печи

3 Расчёт нагрева металла

3.1 Температурный режим нагрева металла

3.2 Время нагрева металла

3.2.1 Первый интервал

3.2.2 Второй интервал

3.2.3 Третий интервал

4 Выбор огнеупорной футеровки

5 Расчёт теплового баланса печи

5.1 Приход тепла

5.2 Расход тепла

5.3 Потери тепла через свод печи

5.4 Потери тепла через стены печи

6 Расчёт топливосжигающего устройства

7 Расчёт рекуператора

8 Выбор способа утилизации дымовых газов

Библиографический список

Приложение

1 лист формата А1

1 лист формата А3

Электронная версия презентации

Электронная версия пояснительной записки

1 Расчет горения топлива

Расчет горения топлива выполняют с целью определения: количества необходимого для горения воздуха, количества и состава продуктов сгорания и температуры горения. Состав сухого природного газа приведен в таблице 1.

Таблица 1 – Состав сухого природного газа

Для сжигания газа выбираем инжекторную горелку, для данной конструкции горелки коэффициент расхода воздуха n = 1,1. Влажность природного газа принимаем W = 30 г/м3. Произведем пересчет состава сухого газа на влажное (рабочее) состояние (по формуле 1):

, (1)

где WP – процентное содержание влаги в рабочем топливе.

Состав влажных газов рассчитываем (по формуле 2):

(2)

Определяем состав влажных газов (по формуле 2):

;

;

;

;

;

;

.

где ХР, ХС – процентное содержание компонентов природного газа соответственно в рабочей и сухой массах.

Таблица 2 – Состав влажных газов

Низшую теплоту сгорания находим (по формуле 3):

(кДж/м3)(3)

Находим расход кислорода при сжигании природного газа при коэффициенте расхода воздуха n = 1,1 (по формуле 4):

(м3/м3) (4)

Расход сухого воздуха при n = 1,1находится (по формуле 5):

(м3/м3) (5)

Находим объемы компонентов продуктов сгорания. Находим объём сгорания углекислого газа (по формуле 6):

(м3/м3) (6)

Находим объём сгорания компонента (по формуле 7):

=

(м3/м3) (7)

Находим объём сгорания компонента азот (по формуле 8):

(м3/м3) (8)

Находим объём сгорания компонента (по формуле 9):

(м3/м3). (9)

Суммарный состав продуктов сгорания находится (по формуле 10):

(м3/м3) (10)

Процентный состав продуктов сгорания находим как отношение объёма компонента ко всему объёму продуктов сгорания (см.[1]):

;

;

;

.

Правильность расчета проверяем составлением материального баланса.

Таблица 3 – Материальный баланс

Единицы измерения – кг

Плотность газа находится (по формуле 11):

(кг/м3). (11)

Плотность продуктов сгорания вычислим (по формуле 12):

(кг/м3). (12)

Для определения калориметрической температуры горения найдем энтальпию продуктов сгорания с учетом подогрева воздуха (по формуле 13):

(кДж/м3), (13)

где iВ =1109,05 кДж/м3 при tВ = 800 °С (см. [1]).

Зададим температуру t’К = 2500 °С и при этой температуре находим энтальпию продуктов сгорания (см. [1]) (по формуле 14):

4238 (кДж/м3) (14)

Поскольку i2500 > i0, принимаем t’’К = 2400 °С и снова находим энтальпию продуктов сгорания по формуле (15):

(кДж/м3)(15)

Находим калориметрическую температуру горения газа заданного состава по следующей формуле (по формуле 16):

(°С) (16)

Действительная температура горения вычисляется (по формуле 17):

=(°С) (17)

где – пирометрический коэффициент. Принимаем его равным 0,75.

2 Определение размеров рабочего пространства печи

Внутренние размеры рабочего пространства печи определяются на основании практических данных.

Ширина рабочего пространства вычисляется (по формуле 18) (см. [2]):

(м), (18)

где n – количество рядов заготовок по ширине печи, принимаем n = 3

a – зазор между рядами заготовок и между заготовками и стенками печи, принимаем а =0,25 м .

Для обеспечения производительности 20,83 кг/с в печи должно одновременно находится 120 тонн металла.

Масса одной заготовки равна 3,7 тонн (см.[3]).

Количество заготовок, которые могут одновременно находиться в печи, рассчитываем (по формуле 19):

(шт) (19)

Принимаем штуки.

В двухрядном расположении заготовок общая длина печи рассчитывается (по формуле 20):

(м) (20)

При ширине печи , площадь пода находится (по формуле 21):

(м2) (21)

3 Расчет нагрева металла

3.1 Температурный режим нагрева металла

Процесс нагрева разделяют на ряд периодов, при этом температура печных газов в различные периоды разная. Температурный режим нагрева влияет на изменение температуры газов в печи.

На рисунке 1 показаны графики изменения температуры газов tГ, температуры поверхности tП и центра заготовки tЦ в течение процесса нагрева.

Рисунок 1 – График изменения температуры в процессе нагрева металла:двухступенчатый нагрев

Температура газов в печи в момент загрузки заготовок t0Г зависит от величины допускаемых термических напряжений, конструкции печи, ее топливной инерции.

Значение температуры газов во втором периоде t2Г при двухступенчатом режиме нагрева и в третьем периоде t3Г при трехступенчатом режиме назначается таким, чтобы получить в конце нагрева разность температур по сечению ΔtК не более допустимой величины. Допустимую разность температур по сечению принимают обычно по практическим данным при нагреве в следующих пределах:

– для высоколегированных сталей ΔtК = 100S;

– для других марок стали ΔtК = 200S при S ≤ 0,1 (м);

Расчет допустимой разности температур по сечению заготовки проводится (по формуле 22):

ΔtК = 300S =300∙ (22)

где S – прогреваемая толщина металла, S > 0,2 (м).

Обычно величина t3Г составляет (по формуле 23):

(0С), (23)

где tПК – конечная температура поверхности металла, 0С (см. [1]).

Температура газов во втором периоде t2Г при трехступенчатом режиме нагрева определяется из условий службы огнеупоров и других соображений. Величина t2Г обычно равна (по формуле 24):

(0С) (24)

Температуры поверхности металла в конце промежуточных этапов tП и температуры центра tЦ предварительно задаются на основе практических данных, а затем уточняются расчетом.

3.2 Время нагрева металла

Изделие является достаточно массивным, поэтому примем, что температурный режим состоит из двух периодов: нагрева и выдержки. В период нагрева температура поверхности изделия повышается от до , температура дымовых газов в печи tГ меняется от 700 єС до значения, вычисленного (по формуле 25):

(0С) (25)

Температура футеровки находится (по формуле 26):

(0С) (26)

Период нагрева разобьём на три интервала, в пределах которых температуру продуктов сгорания будем считать постоянной.

В период нагрева тепловая нагрузка печи (расход топлива) неизменна. В период выдержки тепловая нагрузка печи снижается так, что температура дымовых газов , металла и футеровки остаются неизменными.

Площадь тепловоспринимающей поверхности металла (по формуле 27):

(м2) (27)

Площадь внутренней поверхности рабочего пространства печи (за вычетом площади, занятой металлом) находится (по формуле 28):

(м2) (28)

Степень развития кладки находится (по формуле 29):

(29)

Эффективная длина луча находится (по формуле 30):

(м) (30)

3.2.1 Период нагрева

3.2.1.1 Первый интервал

Средние за интервал температуры вычисляются путем среднего арифметического между начальной температурой интервала и конечной равны (см. [1]):

Парциальные давления излучающих компонентов продуктов сгорания равны (см. [1]):

(кПа), (сюда включено );

(кПа).

Произведения парциальных давлений на эффективную длину луча

равны (см. [1]):

(кПа∙м);

(кПа∙м).

По номограммам (см. [1]) при находим:

Плотность потока результирующего излучения металла находим по формуле, принимая степень черноты металла равной и шамотной кладки , находим значения комплексов.

Находим значение комплекса М (по формуле 31):

(31)

Находим значение комплекса А (по формуле 32):

(32)

Находим значение комплекса В (по формуле 33):

(33)

Находим значение результирующего потока энергии (по формуле 34):

(34)

Коэффициент теплоотдачи излучением в 1-м интервале периода нагрева находится следующим образом (формула 35):

(35)

Принимая значение коэффициента теплоотдачи конвекцией равным Вт/м2∙К, находим величину суммарного коэффициента теплоотдачи (по формуле 36):

(36)

Заготовку прямоугольного сечения с b/h < 1,8 можно представить в виде эквивалентного цилиндра с диаметром, вычисляемым (по формуле 37)

(м) (37)

Для заготовок, у которых отношение длины к эквивалентному диаметру , можно пренебречь передачей тепла через торцевые стенки.

В случае четырехстороннего нагрева коэффициент несимметричности нагрева равен (см. [1]) расчётная толщина вычисляется (по формуле 38):

(м) (38)

где – коэффициент несимметричности нагрева;

– геометрическая толщина изделия, м.

Критерий Био находится (по формуле 39):

(39)

где (Вт/м2∙К) (см. [1])при

Температурный критерий находится (по формуле 40):

(40)

По номограмме для поверхности цилиндра (см. [1]) находим значение критерия Фурье:

Продолжительность 1-го интервала периода нагрева (по формуле 41):

(с) (41)

где а = м2/с – коэффициент температуропроводности стали при (см. [1]).

Найдем температуру в