Министерство образования и науки РФ

ГОУ ВПО Череповецкий Государственный Университет

Кафедра промышленной теплоэнергетики

Курсовой проект

по теме:

«Расчет двухзонной методической печи»

Выполнил студент

Группы 9ОМ-31 Данилов М.В.

Поверил: Синицын Н.Н.

Дата:

Отметка о зачете:

Череповец, 2007- 2008 учебный год.

Содержание

Задание­­­­­­­­­­­­	2
Расчет горения топлива	3
Пересчет состава топлива	3
Объем воздуха и продуктов полного сгорания	3
Низшая теплота сгорания	5
Температура горения топлива	6
Расчет теплообмена в рабочем пространстве печи	9
Режим нагрева заготовок	9
Расчет внешнего теплообмена в рабочем пространстве печи	9
Расчет нагрева металла	13
Расчет основных параметров	20
Тепловой баланс печи	21
Основные теплотехнические показатели рабочей печи	31
Аэродинамический расчет	33
Расчет дымового тракта	33
Расчет дымовой трубы	36
Расчет топливосжигающих устройств	38
Вывод	49
Литература	40

Техническое задание.

Выполнить проектный расчет методической печи, работающей по двухзонному температурному режиму.
Исходные данные:

1. 
   Производительность печи P=177т/ч
   
2. 
   Нагреваемый металл: Заготовки квадратного сечения размером 0.100м х 0.100м и длиной 10.5м.
   
3. 
   Параметры нагрева металла: конечная температура поверхности металла t^кон_пл=1250^оС, переход температур по поверности сляба Δt^кон=30^оС
   
4. 
   Топливо – природный газ. Состав топлива, в%:
   

СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12	N2	CO2
91,9	2,1	1,3	0,4	0,1	3	1.2

5. Температура подогрева воздуха


1 Расчет горения топлива

1. 
   Пересчет состава топлива
   

Для газового топлива пересчет объемного состава газа с сухого на влажный проводится по формуле:



где d_r ­– влагосодержание газа, г/м³, х – содержание компонента, %

2. 
   Объем воздуха и продуктов полного сгорания.
   

Теоретический расход сухого кислорода:



Теоретический расход сухого окислителя:


где O_2ок – объемное содержание O₂ в окислителе, %




Расход сухого окислителя при



Расход сухих трехатомных газов:



Теоретический выход азота:



где N_2ок – объемное содержание азота в окислителе, %
Теоретический выход водяных паров:



где d_ок – влагосодержание окислителя, г/м³
Выход продуктов полного сгорания при


Объемный состав продуктов полного сгорания:

Плотность продуктов сгорания при нормальных условиях:

1. 
   Низшая теплота сгорания
   

Для газообразного топлива определяется по формуле:


1.4 Температура горения топлива

Энтальпия продуктов сгорания:



где – химическая энтальпия продуктов сгорания:



где – недожог топлива, кДж/м³ (=0%)

– физическое тепло, вносимое воздухом и газом


Из приложения 4 при t=400 ⁰С изобарная теплоемкость воздуха:

Сp = 1,328 кДж/(м³*К);

Тогда энтальпия воздуха:

Выбираем для расчета температуру продуктов сгорания 500^о


По полученным значениям строим график зависимости энтальпии 1м³ продуктов сгорания от температуры (рис. 1)

Графически определяем, что i_общ =3558 кДж/м³ соответствует расчетная температура tрасч.=2150 ^oC

Действительная температура горения:



где – опытный пирометрический коэффициент ()




2. Расчет теплообмена в рабочем пространстве печи.

2.1 Режим нагрева заготовок.

Расчет нагрева заготовок проводится в предположении:

• 
  симметричного температурного поля в заготовке в зонах с двухсторонним обогревом;
  
• 
  постоянной температуры газов в сварочной зоне.
  

2.2 Расчет внешнего теплообмена в рабочем пространстве печи.

Ширина рабочего пространства:



где n – число рядов заготовок

– расстояние между рядами заготовок или между торцами заготовок и боковыми стенками печи, м.

l – длина заготовки, м.



Средняя высота рабочего пространства печи:



в сварочной зоне – h_св = 2 м.

В методической зоне – h_мет = 1,5 м.

Площадь пода печи:



где L_св , L_мет. – соответственно длины сварочной и методической зон., м.



Внутренняя поверхность стен и свода:



Суммарная поверхность кладки и металла, окружающих газовый объем:


Объем заполняемого газом рабочего пространства


Средняя эффективная длина луча:


Парциальное давление газов:






Степень черноты газов и в сварочной и методической зонах определяем по приложениям 5 и 6.

Температура газов в сварочной зоне:



Средняя температура газов в методической зоне:



температура уходящих газов



Степень черноты продуктов сгорания:



где ­- поправочный коэффициент, определяем по приложению 7.


Угловой коэффициент излучения кладки на металл


Общая степень черноты системы газ-кладка-металл:

в сварочной зоне:


в методической зоне:




Приведенный коэффициент излучения от газов и кладки металла:



2.3 Расчет нагрева металла

Среднемассовая конечная температура заготовки:

где – заданный конечный перепад температур в заготовке



Удельный тепловой поток к поверхности металла в конце нагрева

где – коэффициент теплопроводности металла при

Определяем из рис. 6:

2S – полная толщина металла, м.





Рис.2 Зависимость Рис.3 Зависимость

Расчетная температура газов в сварочной зоне:


Коэффициент использования химической энергии топлива (КИТ) в сварочной зоне:



где – количество тепла, уносимого уходящими газами из сварочной зоны.



где – энтальпия продуктов сгорания, соответствующая температуре.

– количество тепла излучаемого из сварочной зоны в методическую.



– удельный тепловой поток излучения (= 100 кВт/м²)

– площадь поперечного сечения рабочего пространства на границе сварочной и методической зон.






– общая тепловая мощность печи



– удельный расход тепла (b = 2500 кДж/кг)

G – производительность печи, кг/ч


КИТ в печи:



– количество тепла уносимое уходящими газами из печи



– энтальпия продуктов сгорания, соответствующая





Изменение теплосодержания металла в печи:





Изменение теплосодержания металла вместе с образовавшейся окалиной:



– угар металла, % (=2%)

С_ок – теплоемкость окалины, С_ок = 1 кДж/(кг*К)

m = 1,38


Приращение теплосодержания металла в методической зоне:


Приращение теплосодержания в сварочной зоне:



Нагрев металла в методической зоне

Удельный тепловой поток в начале зоны:



Удельный тепловой поток в конце зоны:



– средняя температура металла в конце методической зоны, соответствующая:



Из рис.5: Т_М1=400 К



Уравнение для решается методом последовательных приближений: полагаем


Температура поверхности металла в конце зоны:



Переход температур по сечению металла в конце зоны:



Температура оси металла в конце зоны:



Средний тепловой поток в методической зоне:



Время нагрева металла в методической зоне:


Участок сварочной зоны с монолитным подом. Время нагрева металла на этом участке:



– длина монолитного пода (= 5 м)



Критерий Фурье:



Теплоемкость металла:



Коэффициент теплопроводности:



Из рис.6 источника 1



Критерий Био:



Коэффициент теплоотдачи в конце нагрева:



Из приложения 9


Перепад температур в начале участка:



Удельный тепловой поток в начале участка:


Температура поверхности металла при переходе на монолитный под:



Среднемассовая температура металла:


Температура на оси заготовки:



Участок сварочной зоны с двухсторонним обогревом.

Средний тепловой поток на участке:



, соответствующие t_М2 определяем по рис.5


Приращение теплосодержания:



Время нагрева на участке:


Общее время нагрева:


Удельная продолжительность нагрева:


2.4 Расчет основных размеров.

Емкость печи:



Длина активного пода:



Длина методической зоны:



Длина сварочной зоны с монолитным подом:


Длина сварочной зоны с двухсторонним обогревом:


Площадь активного пода:



Площадь полезного пода:



Напряженность активного пода:



Расстояние между опорными трубами составляет 1000 мм. Смотровые и рабочие окна располагаются симметрично с обеих сторон печи.

В сварочной зоне на участке с двухсторонним обогревом располагается 28 смотровых окон;

а на участке с монолитным подом – 14 рабочих окон. Количество окон выбирается в зависимости от расстояния между осями окон, которое принимается для рабочих окон 1250 мм, для смотровых окон – 1700 мм.

Общая площадь окон в сварочной зоне:



в методической зоне располагается 2 смотровых окна. Расстояние между осями 1,8 м.

Общая площадь окон в методической зоне:



Размеры торцевых окон посада и выдачи:



– высота окна, м


3. Тепловой баланс печи:

Приход тепла:

1. 
   Тепло горения топлива:
   

где В – расход топлива, кг/с

2. 
   Тепло, внесенное подогретым воздухом и топливом (газом):
   

3. 
   Тепло, выделившееся при окислении железа:
   

Расход тепла.

1. 
   Полезное тепло на нагрев металла:
   

2. 
   Потери тепла с уходящими газами:
   

3. 
   Потери тепла теплопроводностью:
   

где – средняя температура внутренней поверхности кладки, ^оС

– температура окружающего воздуха, ^оС

и – соответственно толщина огнеупорной кладки и изоляции, м.

и – соответственно коэффициенты теплопроводности огнеупорной кладки и изоляции, Вт/м*К

– коэффициенты конвективной теплоотдачи от стенок и окружающего воздуха. ()

– площадь поверхности кладки, м².

Потери тепла теплопроводностью определяются как сумма потерь свода и стен сварочной и методической зон:



Средняя температура внутренней поверхности кладки t_кл определяется следующим образом:




Безразмерные температуры:





Методическая зона:

Средняя температура поверхности металла6



Средняя температура газов в методической зоне:



Безразмерные температуры:





Тепловые потери через свод в сварочной зоне.

Температура на границе слоев огнеупора и изоляции.



Средняя температура слоя огнеупора:



Средняя температура слоя изоляции:



Коэффициенты теплопроводности динаса:



Коэффициенты теплопроводности изоляции:




Потери тепла теплопроводностью



где

Температура на границе слоев огнеупора изоляции:



Правильность принятых средних температур слоев:




Расхождение между принятым значением средних температур и подсчитанным по

формулам допустимо.

Тепловые потери через стены сварочной зоны:



где



Температура по границе слоев огнеупора и изоляции:



Проверка правильности принятых средних температур слоев:



Расхождение между принятым значением средних температур и подсчитанным по формулам допустимо.

4.Потери тепла через окна печи:

Потери тепла через закрытые окна печи:

в сварочной зоне:



где n – число окон;

– площадь окна, м²;

S – толщина стенки в 1 кирпич, м (S=0,203м)

– коэффициент теплопроводности материала окна при



в методической зоне:



Потери тепла излучением через открытые окна:

в сварочной зоне:



где – коэффициент диафрагмирования (=0,7)



Окончательно имеем:




5.Потери тепла с окалиной:



6.Потери тепла с охлаждающей водой:


7.Неучтенные потери:



Приравняв приходные и расходные статьи теплового баланса, определяем секундный расход топлива В, кг/с:





Приходные и расходные статьи теплового баланса сводятся в таблицу 2:



Табл.2 Тепловой баланс печи.

Статья	Приход тепла		Статья	Расход тепла
	кВт	%		кВт	%
1. Тепло горения топлива		80,9	1. Полезное тепло на нагрев металла		45,22
2. Тепло, внесенное подогретым воздухом и топливом (газом)		12,7	2. Потери тепла с уходящими газами.		32,08
3. Тепло, выделившееся при окислении железа.		6,4	3. Потери тепла теплопроводностью через кладку.		0,28
Итого:	88367,29	100	4. Потери тепла через окна печи.		2,07
			5. Потери тепла с окалиной.		1,88
			6. Потери тепла с охлаждающей водой.		9,38
			7. Неучтенные потери.		9,09
			Итого:	88433,425	100

4.Основные теплотехнические показатели работы печи.

Коэффициент использования химической энергии топлива , показывающий, какая доля химической энергии топлива остается в рабочем пространстве печи:



Общая тепловая мощность М_общ печи:


Общая тепловая мощность складывается из полезной мощности М_пол и мощности холостого хода М_хх:



– количество тепла, выделенного при сжигании топлива, усвоенное металлом в печи, кВт.



– тепло, усвоенное металлом от окисления железа, кВт



Мощность холостого хода:


Удельный расход тепла:



Удельный расход условного топлива:


Коэффициент полезного действия печи:


5.Аэродинамический расчет.

5.1 Расчет дымового тракта.

При расчете дымового тракта потери давления на преодоление сопротивления трения газов о стенки рабочего пространства печи не учитываются.

1. 
   Потери давления в вертикальных каналах.
   

Приведенная скорость дымовых газов при выходе из печи:



где m – коэффициент, учитывающий потери дыма на выбивании.



Приведенная скорость в вертикальных каналах принимается:



Сечение одного канала:



n – количество каналов



где = 1,8м

= 1,8м

Эквивалентный диаметр канала:



Высота канала:

Потери на трение в вертикальном канале:



где – коэффициент трения

– коэффициент объемного расширения газа,



Местные потери давления при входе газового потока в вертикальные каналы:



где – коэффициент местного сопротивления. Из приложения 11: =0,47



Потери на преодоление геометрического напора:

2. 
   Потери давления в борове.
   

Приведенная скорость дымовых газов:

Сечение борова:



выбирая ширину борова больше ширины вертикальных каналов ,

определяем второй размер:



Эквивалентный диаметр борова:



Принимаем длину борова от вертикальных каналов до трубы 20 м, в том числе до рекуператора 10 м,

Температура перед рекуператором:



Средняя температура на участке:



Температура перед трубой:



Средняя температура на участке:



потери давления на преодоление трения:


Местные потери давления при двух поворотах на на пути от вертикальных каналов до рекуператора:



, где - коэффициент местного сопротивления

Потери давления в рекуператоре:

Местные потери давления при повороте на на входе в дымовую трубу:



Общие потери при движении продуктов горения из рабочего пространства печи к основанию дымовой трубы:


5.2 Расчет дымовой трубы.

Действительное разряжение, создаваемое трубой:



По приложению 12 определяем высоту трубы: Н=35м

Температура в устье трубы:



Средняя температура газов в трубе:



Приведенную скорость газов в устье дымовой трубы принимаем:
Диаметр в устье:


Диаметр трубы у основания:



Средний диаметр трубы:



Приведенная скорость дымовых газов у основания трубы:



Высота дымовой трубы:
.

– барометрическое давление, минимальное для данной местности, кПа (99 кПа)

– нормальное атмосферное давление (101,32 кПа);






6.Расчет топливосжигающих устройств.

Расстояние между осями топливосжигающих устройств принимается 1 м.

Производительность одной горелки:



где n – количество горелок;



Расчет диффузионных горелок низкого давления.

Принимаем скорости выхода из горелок (приведенные к нормальным условиям): газа воздуха

Площадь сечения для прохода газа:



Диаметр газового сопла:



Площадь сечения для прохода воздуха:


Диаметр воздушного сопла:





Избыточное давление газа перед горелкой:



Избыточное давление воздуха перед горелкой:



,где- коэффициент сопротивления форсунки

Длина факела:



где К – коэффициент (для природного газа К=1,5);



7. Вывод:

В данном курсовом проекте был произведен расчет методической печи, работающей по двудонному температурному режиму, производительностью 177т/ч. В ходе его был рассчитан процесс горения топлива, гидродинамики, теплоотдачи, нагрева металла и дымовой тракт. В результате получил следующие основные параметры методической печи:

длина активного пода:

длина методической зоны:

длина сварочной зоны:

высота методической зоны:

высота сварочной зоны:

ширина печи:

высота дымовой трубы:

расход газа:

емкость печи: Е =155017 кг.

время нагрева металла в печи:

КПД печи:
Литература.

1. 
   Кривандин В.А., Неведомская И.Н. и др. Металлургическая теплотехника. Конструкция и работа печей. 1,2 тома. Москва, Металлургия, 1986
   
2. 
   расчет методических печей. Методические указания по курсовому проектированию. – Череповец: ЧГИИ: 1995, -56 с.