Тепловий розрахунок камерної печі безокіслітельного нагріву сталевих заготовок

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ

Російської Федерації

БРЯНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Кафедра "Турбіни і Теплоенергетика"

Курсова робота з предмету

"Високотемпературні теплохнологіческіе процеси та установки"

"Тепловий розрахунок камерної печі безокіслітельного нагріву сталевих заготовок"

Студент групи 02-ПТЕ

Шаталова М. І.

Викладач

Кондаков С.А.

Брянськ 2005

зміст

Введення

1. Вихідні дані

2. Матеріальний розрахунок процесу горіння палива

3. Розрахунок продуктивності печі

3.1 Розрахунок коефіцієнта випромінювання

3.2 Розрахунок тривалості нагрівання заготовок

3.3 Продуктивність нагрівальної печі

4. Розрахунок теплового балансу робочої камери нагрівальної печі

4.1 Розрахунок теплового балансу

4.2 Аналіз теплового балансу робочої камери

Список використаної літератури

Введення

При виконанні даної курсової роботи необхідно виконати розрахунки матеріального балансу горіння палива і теплового балансу робочої камери, розрахунок теплообміну в робочій камері, визначити тривалість теплової обробки виробів, визначення конструктивних розмірів камери і продуктивності печі.

У камерній печі розглянутої в курсовій роботі сталеві вироби нагрівають перед обробкою тиском (прокаткою, куванням, штампуванням) для зменшення їх опору пластичної деформації. Такий процес супроводжується окисленням (чадом) металу і його зневуглецювання. Обезуглероживание поверхневого шару металу погіршує його механічні властивості.

Шкідливий вплив окислення і зневуглецювання сталі при нагріванні на її якість викликає необхідність вживати заходів, що попереджають ці явища.

Останнім часом широкого поширення набуває спосіб створення безокіслітельной (чад 0 - 0,3%) і малоокіслітельной атмосфери (чад 0,3 - 0,7%) безпосередньо в робочому просторі печей. Це досягається при неповному спалюванні палива (з коефіцієнтом витрати повітря ).

У курсовій роботі розглядається малоокіслітельний нагрів сталі відкритим полум'ям при спалюванні палива з .

Для забезпечення достатньої експлуатаційної надійності більш доцільно здійснювати нагрів сталі в продуктах горіння природного газу, отриманих при .

1. Вихідні дані

1. Паливо - природний газ з газопроводу Шебелинка - Москва, вологість

2. Окислювач - атмосферне повітря , Коефіцієнт витрати повітря

3. Температура повітря перед пальниками

4. Температура палива перед пальниками

5. Марка стали - ст.10

6. Розміри заготовок в мм

7. Внутрішні розміри робочої камери в мм

8. Розміри садочние вікна в мм

9. Температура нагріву металу

10. Температура навколишнього середовища

11. Облицювання робочої камери - двошарова;

I-й шар товщиною з вогнетриву магнезітохроміта,

II-й шар товщиною з діятимуть.

2. Матеріальний розрахунок процесу горіння палива

У матеріальному розрахунку процесу горіння палива визначається рівноважний склад і вихід продуктів неповного горіння палива, витрата окислювача.

При розрахунку горіння палива приймається:

температура продуктів горіння в робочій камері

вологість окислювача

,

де - Відносна вологість атмосферного повітря, приймаємо . Абсолютна вологість повітря при насиченні знаходиться за таблицею 2.1 [1], температурі відповідає .

Так як горіння палива здійснюється за і хорошому попередньому змішуванні компонентів горіння, то передбачається, що в продуктах горіння відсутня сажістий вуглець, метан та інші вуглеводні.

Теоретичний питома витрата окислювача

Питома витрата окислювача

Рівняння матеріальних балансів хімічних елементів мають вигляд

для вуглецю

для водню

для кисню

для азоту

Тут

Константа рівноваги реакції конверсії

Константа рівноваги може бути визначена з наближеного рівняння

звідси

Питомі виходи продуктів неповного горіння палива визначають при вирішенні системи рівнянь матеріальних балансів хімічних елементів відповідних речовин.

=>

Загальний обсяг продуктів горіння

3. Розрахунок продуктивності печі

Для розрахунку коефіцієнта випромінювання і продуктивності нагрівальної печі необхідно визначити теплофізичні характеристики стали.

За складом марки сталі (пріл.2) [1] розраховуються щільність , Ентальпія і коефіцієнт теплопровідності .

Для заданого складу сталі, розрахунок ведеться за формулою:

де поправка на вміст хімічних елементів в сталі ,% З таблиці (пріл.2) [1].

Для вуглецевих сталей , При

Вплив температури на теплопровідність сталі, представлено в таблиці 1.

Таблиця 1.

0

200

400

600

800

	1000	1200
	1	0, 9 5	0,85	0,75	0,68	0,68	0,73
	50,305	47,7898	42,759	37,7288	34,207	34,207	36,723

Вплив температури на ентальпію стали, представлено в таблиці 2.

Таблиця 2.

	0	100	200	300	400	500	600
	0	46, 5	95,43	148,3	205,2	265,5	339,15
	700	800	900	1000	1100	1200	1250
	419	532,35	629,3	704,3	780,12	849,7	884,9

3.1 Розрахунок коефіцієнта випромінювання

Заготівлі нагріваються через 3 бічні грані з 4, причому з різною інтенсивністю.

Завдання променистого теплообміну в цьому випадку може бути зведена до розрахунку теплообміну між деякою уявної поверхнею

і поверхнею

При цьому поверхня F _o має температуру, рівну Т _​​м і деяку наведену ступінь чорноти .

Для оптимального розташування заготовок на поду робочої камери нагрівальної печі (рис.3) приймаємо співвідношенні , Звідси

.

Ступінь чорноти поверхні неокислених сталей, причому можна прийняти .

Кутовий коефіцієнт випромінювання кладки на матеріал

Об'ємні частки газів H ₂ O та CO ₂ в продуктах горіння

Парціальний тиск суміші водяної пари і трьохатомних газів

Ефективна товщина випромінюючого шару газів

Середня температура газів в робочій камері

Коефіцієнт ослаблення променів триатомним газами

Ступінь чорноти газів

Коефіцієнт випромінювання визначається за формулою В.М. Тимофєєва

3.2 Розрахунок тривалості нагрівання заготовок

У камерної нагрівальної печі має місце радіаційний рівномірно розподілений режим зовнішнього теплообміну при і .

Термічна масивність заготовок встановлюється за критерієм Старка

де , R - розрахункова товщина заготовки, на якій спостерігається максимальний перепад температур. Величина R в загальному випадку не збігається з геометричним розміром тіла, що нагрівається і визначається несиметрією нагріву, тобто , Де - Коефіцієнт несиметричності нагріву, залежить від розташування заготовок на поду.

Так як критерій Sk розраховується для початку Sk 'і кінця Sk''нагріву.

Якщо , То заготівля є термічно тонким тілом. При заготівля являє собою помірно масивне тіло, розрахунок тривалості якого ведеться за формулами для термічно тонкого тіла, але з поправкою на масивність

де коефіцієнт форми нагрівається заготовки

Для оптимального розташування заготовок на поду приймаємо з = 0,065 м. По таблиці 3.1. [1] знаходимо в залежності від розташування заготовок на поду.

Необхідний час нагрівання термічно тонких заготовок (при постійній теплоємності металу ,

де - Поправка на конвективну складову в зовнішньому теплообміні, - Середня питома теплоємність металу в інтервалі температур.

Кількість заготовок в печі

Маса металу, що знаходиться в робочій камері печі

Функція знаходиться за формулою

Так як теплофізичні властивості стали помітно змінюються при нагріванні, розрахунок нагріву проводимо для декількох температурних інтервалів, в кожному з яких величина приймається постійною. Коефіцієнт теплопровідності стали визначається для середньої температури інтервалу.

Інтервал температур нагріву розбивають на три діапазони , , . Результати розрахунку зведені у таблиці 3.

Загальна тривалість нагрівання .

За результатами розрахунку будується графік нагріву заготовок з урахуванням того, що при залежність може вважатися лінійної.

3.3 Продуктивність нагрівальної печі

Продуктивність печі

Питомий напруга пода печі

Результати розрахунку процесу нагріву заготовок Таблиця 3.

4. Розрахунок теплового балансу робочої камери нагрівальної печі

Метою розрахунку є визначення витрат палива і питомих показників процесу, аналіз статей теплового балансу.

Зовнішні розміри робочої камери:

і зовнішні розміри вогнетривкого шару:

4.1 Розрахунок теплового балансу

Рівняння теплового балансу нагрівальної печі при безокіслітельном нагріванні сталевих заготовок має вигляд:

Прибуткові статті балансу:

Хімічне тепло палива , Де нижча теплота згоряння палива

- Питома витрата палива

Ентальпія палива , , Де середня питома теплоємність палива в інтервалі

Ентальпія окислювача , Де - Питома теплоємність окислювача, середня в інтервалі температур .

Ентальпія технологічного матеріалу

Витратні статті балансу:

Ентальпія технологічного матеріалу

При розрахунку приймаємо, що технологічні відходи відсутні , Тобто .

Ентальпія газів, що відходять

Хімічний недопал

, Де

Втрати тепла в навколишнє середовище

Втрати тепла випромінюванням через отвори

Перетин отвори садочние вікна

Коефіцієнт діафрагмування отвори визначається за даними табл.4.1. [1], наведеної для , В даному випадку . При

= 0,543, = 0,527.

Для часу протягом якого садочние вікно відкрите, визначається тривалістю операцій з вивантаження однієї нагрітої заготовки і завантаження на її місце однієї холодної :

Зовнішня поверхня кладки

Внутрішня поверхня кладки

Середня поверхню кладки

Середня температура металу в робочій камері:

Температура внутрішньої поверхні кладки визначається з відношення:

Для визначення теплового опору кладки задається розподіл температур по її товщині: , . Тоді середня температура шару вогнетриву

шару теплової ізоляції

Для цих середніх температур визначають і :

для 1-ого шару з напівкислі виробів

для 2-ого шару з мінеральної вати

Коефіцієнт тепловіддачі від зовнішньої поверхні кладки в навколишнє середовище можна оцінити за формулою Г.І. Іванцова:

Втрати тепла в навколишнє середовище через кладку стін, склепіння і пода

Перевірка правильності прийнятих і :

Відносне розбіжність, у зв'язку з прийнятими температурами, склало 1,58% і 1,31% відповідно, що менше 5% похибки.

З рівняння теплового балансу робочої камери визначається питома витрата палива:

Часовий витрата палива

Тепловий баланс робочої камери нагрівальної печі Таблиця 4.

Статті приходу		%	Статті витрат		%
1. Хімічне тепло палива	6278,39	88,94	1. Ентальпія технологічного продукту	882,79	12,5
2. Ентальпія палива	60,8	0,86	2. Ентальпія від-ходять газів	2478,68	35,11
3. Ентальпія окислювача	711,02	10,07	3. Хімічний недопал	3564,89	50,5
4. Ентальпія технологічного матеріалу	9,3	0,13	4.Потері тепла в навколишнє середовище	133,16	1,89
ВСЬОГО:	7059,52	100,0	ВСЬОГО:	7059,52	100,0

4.2 Аналіз теплового балансу робочої камери

Порівняння теплового балансу і технологічних показників реальної робочої камери камерної нагрівальної печі доцільно провести з ідеальною, в якій і (З урахуванням використання ВЕР).

В ідеальній робочій камері питома витрата палива

абсолютний витрата палива

тепловий ККД технологічного процесу

Про малу частку корисного використання палива в порівнянні з ідеальною робочої камерою свідчить висока питома витрата умовного палива і низький тепловий ККД технологічного процесу .

Для підвищення економічності всієї установки необхідно організувати використання головних теплових відходів .

При цьому доцільно здійснити регенеративний підігрів компонентів горіння, а решту тепло після допалювання горючих компонентів у відхідних газах використовувати для вироблення деякої додаткової продукції (для грубої оцінки приймаємо ):

Все, що залишився тепло не може бути корисно використано, тому коефіцієнт використання <1.

Тоді тепловий ККД установки підвищитися і становитиме

У невеликій за розмірами і продуктивності печі втрати тепла через обмурівку у навколишнє середовище досягають помітною величини й співставні з корисним теплосприйняття .

Регенеративний підігрів компонентів горіння істотно знижує витрату палива. Аналіз теплового балансу дозволяє встановити роль підігріву компонентів горіння, частка ентальпії яких в прибутковій частині балансу невелика.

При роботі печі без підігріву компонентів горіння питома витрата палива складе

Список використаної літератури

1. Кондаков С.А. Тепловий розрахунок камерної печі безокіслітельного нагріву сталевих заготовок. Методичні вказівки до виконання курсової роботи для студентів спеціальності 100700 - "Промислова теплоенергетика". Вид. 2-е, справність. і додатк. - Брянськ: БГТУ, 1999. - 26 с.

2. Несенчук А.П., Лісіенко В.Г., Тімошпольскій В.І. та ін Високотемпературні теплотехнічні процеси та установки. - Мн.: Виш.шк., 1988. - 320 с.

3. Несенчук А.П., Жмакіна Н.П. Теплові розрахунки полум'яних печей для нагріву і термообробки металу. - Мн.: Виш.шк., 1974. - 286 с.

4. Перельотів І.І., Бровкін Л.А., Розенгарт Ю.І. та ін Високотемпературні теплотехнічні процеси та установкі.-М.: Вища школа, 1989. - 336 с.

5. Троянкін Ю.В. Методичні вказівки до типового розрахунку по курсу "Промислові вогнетехнічних процеси та установки". - М.: МЕІ, 1979. - 36с.