Расчет горения топлива. Объёмы компонентов продуктов сгорания, истинная энтальпия. Время нагрева металла в печи с плоскопламенными горелками. Расчет основных размеров печи. Определение расхода топлива. Выбор горелок для нагрева круглых труб в пакетах.
Аннотация к работе
Печи с температурой газа 800-1000°С оснащают неохлаждаемыми роликами, а с температурой 1000-1200°С - роликами с водоохлаждаемым несущим валом, пространство между которым и бочкой заполнено теплоизолятором. Дым удаляется из печи вниз по вертикальным каналам в районе торцов печи, далее соединяется в единый поток, проходит рекуператор для подогрева воздуха и через дымовую трубу выбрасывается в атмосферу. Зададим температуру tk’=1900 °C и при этой температуре находим энтальпию продуктов сгорания: = (4634.76*1.91 3657.85*5.71 2808.25*15.58 2971.3*0.235)/22.72=3265.38 КДЖ/м3 Время нагрева металла в печи с плоскопламенными горелками рассчитывается по формуле: ?= где q - средний в пределах зоны результирующий поток на металл, Вт/м2; Найдем тепловой поток излучением на кладку по формуле: в начале печи: в конце печи: Найдем температуру кладки одним из методов последовательных приближений - методом простой итерации: Принимаем коэффициент теплоотдачи конвекцией от факела к кладке равным ?конв=100 Вт/м2•К.
Введение
Роликовая печь - проходная печь непрерывного действия, подина которой состоит из большого числа вращаемых специальным приводом роликов, выполненных из жаропрочной стали или водоохлаждаемых. Отапливаются роликовые печи газообразным топливом с использованием радиационных труб, расположенных на продольных стенах печи выше и ниже роликов, или беспламенных (чаще всего) горелок; существуют также электрические печи. При использовании беспламенных горелок основным источником лучистого теплообмена в рабочем пространстве роликовой печи является кладка, точнее (учитывая конфигурацию рабочего пространства) - свод печи. Роликовые печи применяют для термической обработки металлических изделий и, реже, для нагрева металла перед горячей обработкой давлением.
Преимущество роликовой печи перед другими печами проходного типа одно: роликовая подина наилучшим образом соответствует условиям поточного производства, т. к. она легко встраивается в цеховые рольганги.
Самым ответственным элементом роликовой печи являются ролики. Их стойкость зависит от температуры в печи и ширины печи. Печи с температурой газа 800-1000°С оснащают неохлаждаемыми роликами, а с температурой 1000-1200°С - роликами с водоохлаждаемым несущим валом, пространство между которым и бочкой заполнено теплоизолятором. В любом случае в роликах охлаждают цапфы. В подавляющем большинстве случаев ролики делают водоохлаждаемыми, с гладкой бочкой из жаропрочной хромоникелевой стали. Во избежание деформации бочки ролика, он должен вращаться постоянно, - остановки допустимы не дольше, чем на 3-4 минуты.
Кладка рабочего пространства печи выполняется из шамотного кирпича (внутренний слой) и любого теплоизоляционного материала (наружный слой).
Продукты горения топлива образуются непосредственно в рабочем пространстве печи от работы плоскопламенных горелок. Приблизительно до середины печи дым идет навстречу металлу (в противотоке), а далее в прямотоке. Дым удаляется из печи вниз по вертикальным каналам в районе торцов печи, далее соединяется в единый поток, проходит рекуператор для подогрева воздуха и через дымовую трубу выбрасывается в атмосферу.
Для сокращения расхода топлива возможны следующие варианты: 1) уменьшение поверхности (диаметра) теплообмена роликов и количества роликов исходя из расчетной механической прочности при минимальных коэффициентах запаса прочности;
2) создание эффективной теплоизоляции бочки роликов;
3) сокращение времени термообработки за счет повышения качества нагрева. Качество возможно повысить заменой обычных горелок на горелки с форкамерами или на радиационные трубы;
4) интенсификация конвективного теплообмена в рабочем пространстве печи (создание развитой рециркуляции, струйный нагрев сводовыми горелками в первом периоде нагрева и т.п.).
1. Расчет горения топлива
Состав исходного топлива (сухого газа): Природный газ%
Компонент СН4 С2Н4 С2Н6 С3Н8 С4Н10 С5Н12 СО2 N2 Всего
Зададим температуру tk’=1900 °C и при этой температуре находим энтальпию продуктов сгорания: = (4634.76*1.91 3657.85*5.71 2808.25*15.58 2971.3*0.235)/22.72=3265.38 КДЖ/м3
Поскольку i1900>i0, то принимаем температуру tk’’=1800 °C и снова находим энтальпию продуктов сгорания
Теперь определяем калориметрическую температуру горения: Действительная температура продуктов сгорания:
2. Расчет времени нагрева
Время нагрева металла в печи с плоскопламенными горелками рассчитывается по формуле: ?= где q - средний в пределах зоны результирующий поток на металл, Вт/м2;
S - расчетная толщина металла, м;
С - средняя в интервале температур тнач - ткон теплоемкость металла, Дж/(кг* К);
? - плотность металла, кг/м3;
TK, TH - температуры металла в конце и в начале зоны, °С.
Средний результирующий поток на металл определяется по формуле:
где qнач, qкон - результирующие потоки на металл в начале и в конце со ответственно, .
Результирующий поток на металл для печи с плоскопламенными горелками равен:
где Спр - приведенный коэффициент излучения системы;
, - степень черноты и температура газов в зоне горения;
, - степень черноты и температура газов в зоне теплообмена;
?м - степень черноты металла;
Тк - температура кладки.
Приведенный коэффициент излучения системы:
где =5,7 ;
- конвективный тепловой поток от факела на кладку, Вт/м;
- степень черноты кладки.
Температура кладки, ?С: , Принимаем, что температура в зоне горения равна действительной температуре горения топлива: Определим температуру газов в зоне теплообмена
Найдем парциальные давления CO2 и H2O
PCO2=98,1•0,0841=8,25 КПА
РН2O=98,1•0,2513=24,65 КПА
Для рассматриваемого случая слой газов в зонах горения и теплообмена можно принять плоскопараллельным бесконечной протяженности. В этом случае эффективная длина луча определяется по формуле:
Толщину зоны горения принимаем равной Н’=0,1 м. Толщина зоны теплообмена с учетом толщины металла ? равна: Н»=Н - Н’ - ?=1,5-0.1-0.108=1.29 м
Тогда и .
Для зоны горения
РСО2•S’эф=8,25•0,18=1,49 КПА·м
РН2O• S’эф=24,65•0,18=4.44 КПА·м
По номограммам находим
?CO2=0,04; ?H2O=0,05 и ?=1,15.
Тогда ?H2O’=0,05*1.15=0.0575
Для зоны теплообмена: РСО2•S»эф=8,25• =19,16 КПА·м
РН2O• S»эф=24,65• =57,24 КПА·м
По номограммам находим: : ?CO2=0,12; ?H2O=0,22 и ?=1,11.
= ?CO2 ?• ?H2O=0,12 1,11•0,28=0,4308
: ?CO2=0,11; ?H2O=0,22 и ?=1,11.
=0,11 1,11•0,22=0,3542
Найдем тепловой поток излучением на кладку по формуле:
в начале печи:
в конце печи:
Найдем температуру кладки одним из методов последовательных приближений - методом простой итерации:
Принимаем коэффициент теплоотдачи конвекцией от факела к кладке равным ?конв=100 Вт/м2•К. Найдем конвективный тепловой поток: В начальном приближении принимаем температуру кладки
?С
Найдем конвективный тепловой поток:
По формуле найдем температуру кладки:
Так как получено большое расхождение между принятым и рассчитанным значениями температуры кладки, принимаем новое значение, равное среднеарифметическому из двух: ?С
По формуле найдем температуру кладки:
?С
По формуле найдем температуру кладки:
По уточненному значению температуры кладки: ?С
Найдем приведенный коэффициент излучения системы:
Результирующий поток на металл в начале печи (учитывая, что равен в конце печи: ?С
Найдем конвективный тепловой поток:
?С
По формуле найдем температуру кладки:
?С
По формуле найдем температуру кладки:
?С
По формуле найдем температуру кладки:
По уточненному значению температуры кладки: ?С
Найдем приведенный коэффициент излучения системы:
Результирующий поток на металл равен
Средняя по длине плотность результирующего теплового поток на металл равна:
Для обеспечения производительности 29,3 т/ч в печи одновременно должно находится следующее количество металла: G=P•?=29,3•0,09=2,68 т
Длину печи определяем по формуле:
где g - масса нагреваемого металла на 1 м длины печи, равная:
где ? - плотность металла, кг/м3;
Vm - объем нагреваемого металла, м3;
d2 - наружный диаметр труб, м;
d1 - внутренний диаметр труб, м;
n - количество труб на в пакете, шт.
Принимаем длину печи, равной 10 м.
Принимаем, что свод печи выполнен из шамотноволокнистых плит ШВП-350 300 мм. Стены также имеют толщину 300 мм и выполнены из того же материала, что и свод. Под печи двухслойный: высокоглиноземистый кирпич толщиной 460 мм и диатомитовый кирпич 115 мм.
4. Тепловой баланс печи
Цель составления теплового баланса - определение расхода топлива.
При составлении балансов примем некоторые упрощения: пренебрегаем переносом тепла излучения, будем опускать расходные статьи баланса, не превышающие 5% от всего расхода.
А. Приход тепла
1) Тепло, образующееся при сжигании топлива.
Qхим=B•Qрн=35,94 •В МВТ
2) Физическое тепло, вносимое подогретым воздухом: , где
Vв - расход воздуха на 1 м3 топлива ів=395,42 КДЖ/м3 - энтальпия воздуха при температуре 300 ОС;
Так как у нас топливо не подогрето, то Qt=0.
3) Окислением металла пренебрегаем
?Qприход= Qхим Qфиз=35940 •В 6769,59•В=42709,59•В
Б. Расход тепла
1) Полезное тепло, расходуемое на нагрев металла: , где см - средняя в интервале температур и теплоемкость материала, КДЖ/ кг•К
, - конечная и начальная средние по массе температуры материала, 0С
2) Тепло, уносимое уходящими продуктами сгорания: При t=927,50С
3) Потери тепла теплопроводностью через кладку: Свод.
Найдем площадь свода.
FT=B•LT=(1,6 2•0.3)•10=22 м2
Принимаем температуру внутренней поверхности кладки на своде равной средней температуре внутренней поверхности кладки в начале и в конце печи: тш=0,5•(915 1145)= 1030?C
Примем температуру наружной поверхности свода равной тн=100 ?C
Средняя температура шамотного слоя: Теплопроводность шамота: Вт/м• ?C
Потери тепла через свод:
Стены.
Температуру внутренней поверхности стен принимаем равной , температуру наружной поверхности тнар=60 °С. Стены состоят из слоя шамота м.
С учетом толщины футеровки поверхность стен равна: - торцевой (1,6 2•0,3)•1,5=3,3 м2
- боковых 2•10•1,5= 30 м2
Таким образом, получили, что общая поверхность стен равна: Fct=3,3 30=33,3 м2.
Запишем выражения для средних температур слоя шамота:
Соответственно, ?ш= 0,835 0,58•10-3•тш
При стационарном режиме
Тогда ?ш= 0,835 0,58•10-3•630=1,2 Вт/м•К
Потери тепла через стены будут равны: Общие потери теплопроводностью в печи: =69,11 120,25=189,36 КВТ.
4) Потери тепла на охлаждение роликов: Для охлаждения одного ролика необходим расход воды, равный 0,5 м3/ч.
Число роликов в проектируемой печи: n2=L/S=10/0,5=20 где S - шаг роликов, м.
Расход воды на охлаждение цапф всех роликов
Vвод=0,5*20= 10 м3/ч =0,003 м3/с
Принимаем, что вода поступает на охлаждение роликов с начальной температурой тн=5?С, нагревается до температуры тк=45?С. Найдем количество тепла, уносимое с водой: =V в•Св•(тк-тн)=0,003•4,187•(45-5)=0,465 КВТ.
5) Неучтенные потери принимаем равными 10% от потерь тепла с уходящими газами: КВТ
Общее потребление тепла печью: Q?=Qпол/?=29896,71/0,653=45783,63 КВТ
Скорость движения труб через печь, м/с: W=L/?
W=22/329=0,067 м/с.
Используем непрерывный метод движения, вращая ролики с расчетной скоростью.
5. Выбор горелок
Для осуществления равномерного нагрева свода принимаем шахматное расположение горелок на своде с шагом по длине и по ширине печи S=1 м. Тогда число рядов по длине печи:
По ширине печи 1 горелка.
Расход природного газа на одну горелку: Выбираем для печи плоско-пламенные горелки ГППС-3 со следующей номинальной производительностью - 280 м3/ч.
Таблица 3. Краткая характеристика горелок типа ГППС-3
Величина Значение
Номинальная мощность, КВТ 280
Номинальное давление, КПА газа 18 воздуха 3.25
Коэффициент расхода воздуха 1.07
Коэффициент рабочего регулирования газа 8.3
топливо сгорание печь горелка
Так как в данном случае заготовки ялвяются являются термическитонкими телами, то температура центра и поверхности заготовки будут совпадать, что очень точно отражено на графике.
Согласно проведенным расчетам и исследованиям, можно сделать вывод о том, что данный режим работы печи целесообразен для нагрева круглых труб в пакетах, так как он обеспечит равномерный нагрев заготовок по всей длине и ширине печи.