Расчет методической трехзонной печи с шагающими балками

=(1,08-1)∙1,986=0,159 м³/м³

Тогда суммарный объем продуктов сгорания равен

V_П.С= + + + , м³/м³                                                     (8)

V_П.С=1,006+1,961+8,114+0,159=11,24м³/м³

 Определяем процентный состав продуктов сгорания

x= /V_П.С∙100%                                                                  (9)

СО₂… (1,006/11,24)∙100%=8,95%

Н₂О… (1,961/11,24)∙100%=17,446%

N₂… (8,114/11,24)∙100%=71,7%

О₂… (0,159/11,24)∙100%=1,415%

                 ∑=100%

Правильность  расчета проверяем составлением материального баланса  

     поступило, кг                    получено продуктов сгорания, кг                                            

СН₄… 0,936∙0,714= 0,669                     СО₂…1,006∙1,964=1,976

С₂.Н₆..0,007∙1,339=0,009                       Н₂О…1,961∙0,804=1,577

С₄H₁₀ …0,004∙2,589=0,01                      N₂…8,114∙1,25=10,142

С₅H₁₂… 0,008∙3,214=0,026                     О₂… 0,159∙1,428=0,227

N₂…0,045∙1,25=0,057

       Всего 0,771                             Всего 13,91

   воздух 10,214∙1,29=13,176                   

 итого 13,947                     

 Невязка: 13,947-13,91=0,037  

                           

            Находим истинную энтальпию продуктов сгорания

                                                             (10)

где при Т_в-ха=400^оС, V_в=11,108 м³/м³, =532,08

тогда

     Методом подбора определяем энтальпию продуктов сгорания при =2200 ^оС

                      (11)

принимаем =2100^oC

Энтальпия продуктов  сгорания при 

              Условие 

Условие 3491,151 ≤ 3650,771  ≤  3678,079 выполняется

Определяем  калориметрическую температуру

                                                                (12)

 

Находим действительную температуру горения  топлива

t_действ=η_пирt_к ,⁰C                                                                    (13)

принимаем

t_действ=0,6∙2185,401=1311,24 ^оС

 

 

 

                2.2 Расчет предварительных размеров печи

 

При однорядном расположении заготовок, ширина печи будет равна

В=l+2a, м                                                                        (14)

где l – длина заготовки; а – зазор между заготовками и стенами печи

принимаем а=0,2, при толщине заготовки δ=0,3 м, при двухстороннем нагреве заготовок принимаем коэффициент несимметричности μ=0,6 тогда

прогреваемая  расчетная толщина заготовки S=μδ=0,55∙0,18=0,099 м           (15)    

ширина  печи В=6+2∙0,2=6,4 м

В соответствии с рекомендациями НТД принимаем высоту печи в методической зоне h_м = 1,4; в сварочной зоне h_св =3,0 м, 

 в томильной зоне h_т=1,5 м.

 

       2.3 Расчет теплообмена в рабочем пространстве печи и

           времени нагрева металла .

 

Расчет  теплообмена в рабочем пространстве печи заключается в 

определении излучения от продуктов горения топлива и кладки печи на

поверхность нагреваемого металла во всех теплотехнических зонах.

При противоточном движении металла  и газа в печи, температуру

уходящих  газов принимаем равной Т_ух=1050 ^оС. Температура печи в томильной зоне на 50 ^оС выше температуры нагрева металла, т.е. 1250 ^оС. Перепад температур между поверхностью и центром заготовки в конце томильной зоны принимаем 50 ^оС. Поскольку основным назначением методической печи является медленный нагрев металла до состояния пластичности, то

температура в  центре металла при переходе из методической в сварочную должна быть 400-500 ^оС. Принимаем t_ц=400 ^оС.

              

              Рисунок 1 -  График распределения температур по зонам.

 

Перепад температур между поверхностью и  центром заготовки в конце  томильной зоны принимаем 50 ^оС. Поскольку основным назначением методической печи является медленный нагрев металла до состояния пластичности, то

температура в центре металла при переходе из методической в сварочную должна быть 400-500 ^оС. Принимаем t_ц=400 ^оС.

 Находим разность температур между поверхностью и центром заготовки

                                                             (16)

где S – прогреваемая расчетная толщина заготовки

тогда перепад температуры в методической зоне равен

 

Температуру поверхности металла в конце первой и второй методических зон

 следует  принять   t =t_ц+∆t,⁰C                                            (17)

                 t =400+74,25=474,25^оС

Определяем  степень развития кладки на 1 м длины

                                                                     (18)

где Н – высота зоны

В – ширина печи

l – длина заготовки

Для методической зоны  

Для  сварочной зоны

Для томильной  зоны

 Определяем  эффективную длину луча

                                                        (19)

Для методической зоны

Для сварочной  зоны  

Для томильной зоны

  Определяем время нагрева металла в методической зоне

Находим среднюю температуру газов в  методической зоне

                                                             (20)

Определяем  парциальное давление СО₂ и Н₂О

 

            (21)

Определяем  произведение парциального давления на эффективную длину луча

По  номограммам 13, 15 [7] находим степень черноты для СО₂ и Н₂О, и поправочный коэффициент β

 

 

тогда                                                       (22)

Определяем  приведенный коэффициент излучения системы газ-кладка-металл

                                                (23)

где ω – степень развития кладки

ε_м и ε_г – степень черноты металла и газа

ε_м=0,8

Приведенная степень черноты равна

                        

  Определяем средний коэффициент теплоотдачи излучением

                            (24)

                             (25)

где - константа излучения абсолютно черного тела

, Вт/(м²∙К)                                                    (26)

Определяем  температурный критерий Q и Bi

Для низкоуглеродистой стали при средней по массе температуре металла

                                      (27)

Принимаем t_ц сляба в конце методической зоны=400⁰С

   По приложению 9 [7] находим коэффициенты температуропроводности и теплопроводности

       λ=50,6 Вт/м∙К;        а=12,23∙10^-6 м²/с

                                                           (28)

   

         

                                                             (29)

  тогда  

По  найденным значениям Bi и Q и по номограмме рис.22 [7] определяем критерий Фурье F₀=1,5

Тогда время нагрева  металла в методической зоне

                                                                     (30)

Находим температуру центра заготовок в  конце методической зоны

                                                            (31)

 

при Bi=0,287 и F₀=1,5  и по номограмме рис.24[7] находим температурный

критерий Q_ц          Q_ц=0,64

 Определение  времени нагрева металла в  сварочной зоне

Находим степень черноты газов в сварочной зоне при температуре         

Определяем парциальное давление СО₂ и Н₂О

 

 

    

 

Определяем  произведение парциального давления на эффективную длину луча

 

По  номограммам 13, 15 [7] находим степень черноты для СО₂ и Н₂О, и поправочный коэффициент β

 

Приведенная степень черноты  в сварочной зоне равна

 

Принимаем температуру поверхности металла  в конце сварочной зоны 1200^0..

Определяем  средний коэффициент теплоотдачи излучения

 

В начале периода

В конце  периода

Определяем температурный критерий Q и Bi

Для низкоуглеродистой стали при средней по массе температуре металла, находим среднюю по сечению температуру металла в начале сварочной зоны

                 

Находим среднюю температуру металла в сварочной зоне

                                                  

Принимаем t_ц сляба в конце сварочной зоны=1100⁰С

По  приложению 9 [7] находим коэффициенты температуропроводности

 и  теплопроводности

λ=30,2 Вт/м∙К          а=4,44 ∙10^-6 м²/с

        

 

По  найденным значениям Bi и Q и по номограмме рис.22 [7] определяем критерий Фурье F₀=2,3

Тогда время нагрева металла во второй сварочной зоне

   

Находим температуру центра заготовок в  конце второй сварочной зоны

при Bi=1,184 и F₀=2,3 и по номограмме (рис.24, [7]) находим температурный критерий Q_ц=0,17

                

 

Определяем  время томления металла

      Перепад температур по толщине металла в начале томильной зоны равен

    

Допустимый  перепад температур в конце нагрева составляет

Степень выравнивания температур равна

                                                         (31)  

При коэффициенте несимметричности μ=0,6 критерий Фурье равен F₀=0,4 согласно номограмме рис.19 [7]  

При средней температуре металла  в томильной зоне

   

По  приложению 9 [7] находим коэффициент температурапроводности

а=5,83∙10^-6 м²/с

Тогда время нагрева металла в томильной  зоне

Полное  время пребывания металла в печи равно

                                                              (32)

 

        2.4 Расчет основных размеров печи

 

Для обеспечения производительности 200кг/ч (55,56 кг/с) в печи должно находиться следующее количество металла

G=pτ, кг                                                                        (33)

G=55,56∙6912=384030,72кг

Масса одной заготовки равна

g=b∙δ∙l∙ρ, кг                                                                     (34)

где b,δ,l – геометрические размеры заготовки

ρ – плотность стали 7850 кг/м³

g=0,18∙0,18∙6∙7850=1526,04 кг

Количество  заготовок одновременно находящихся в печи

n=G/g                                                                           (35)

             n=384030,72/1526,04=251 шт

При однорядном расположении заготовок общая длина печи равна

L= b∙n, м                                                                       (36)

L=0,18∙256=45,18м;   при ширине печи В=6,4 м,

Площадь пода определяется F=B∙L                                    (37)

  F=6,4∙45,18=289,152 м²

Высоты  отдельных зон печи оставляем  теми же, что были приняты при  ориентировочном расчете. Длину  печи разбиваем на зоны пропорционально  времени нагрева в каждой зоне.

                                                                   (38)

Для методической зоны

Для сварочной зоны

Для томильной зоны

В рассматриваемом  случае принята безударная выдача заготовок  из печи. В противном случае длину томильной зоны следует увеличить на длину склиза L_ск=1,5 м.

Свод  печи выполняем подвесного типа из каолинового кирпича толщиной 300 мм. Стены имеют толщину 460 мм, причем слой шамота составляет 345 мм, а слой изоляции (диатомитовый кирпич) 115 мм. Под томильной зоны выполняем трехслойным: тальковый кирпич 230 мм, шамот 230 мм и тепловая изоляция (диатомитовый кирпич) 115мм.

 

     2.5 Расчет теплового баланса печи

 

При проектировании печи за определением основных размеров следует конструктивная проработка деталей. Поскольку в данном примере такая проработка не проводится, некоторые статьи расхода тепла, не превышающие 5% от всего расхода, будем опускать.

Приход  тепла

1. Тепло  от горения топлива

                                                               (39)

где В – расход топлива, м³/с

2. Тепло,  вносимое подогретым воздухом

                                                                 (40)

где i_в – энтальпия воздуха при T_в=400⁰C, i_в=532,08

 

3.Тепло  экзотермических реакций (принимая, что угар металла  составляет 1%)

Q_экз=5650∙Р∙а, кВт                                                            (41)                                                    

где Р – производительность печи 

а – угар металла

Q_экз=5650∙55,56∙1∙10^-2=3139,14 кВт

Расход  тепла

1. Тепло, затраченное на нагрев металла