Тепловой расчёт камерной печи безокислительного нагрева стальных заготовок

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Российской Федерации

БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра "Турбины и Теплоэнергетика"















Курсовая работа по предмету

"Высокотемпературные теплохнологические процессы и установки"

"Тепловой расчёт камерной печи безокислительного нагрева стальных заготовок"





Студент группы 02-ПТЭ

Шаталова М. И.

Преподаватель

Кондаков С.А.











Брянск 2005 г.




содержание



	Введение

	1. Исходные данные

	2. Материальный расчёт процесса горения топлива

	3. Расчёт производительности печи

	3.1 Расчёт коэффициента излучения

	3.2 Расчёт продолжительности нагрева заготовок

	3.3 Производительность нагревательной печи

	4. Расчёт теплового баланса рабочей камеры нагревательной печи

	4.1 Расчёт теплового баланса

	4.2 Анализ теплового баланса рабочей камеры

	Список используемой литературы




Введение



При выполнении данной курсовой работы необходимо выполнить расчёты материального баланса горения топлива и теплового баланса рабочей камеры, расчёт теплообмена в рабочей камере, определить продолжительность тепловой обработки изделий, определение конструктивных размеров камеры и производительности печи.

В камерной печи рассматриваемой в курсовой работе стальные изделия нагревают перед обработкой давлением (прокаткой, ковкой, штамповкой) для уменьшения их сопротивления пластической деформации. Такой процесс сопровождается окислением (угаром) металла и его обезуглероживанием. Обезуглероживание поверхностного слоя металла ухудшает его механические свойства.

Вредное влияние окисления и обезуглероживания стали при нагреве на её качество вызывает необходимость принимать меры, предупреждающие эти явления.

В последнее время широкое распространение получает способ создания безокислительной (угар 0 – 0,3%) и малоокислительной атмосферы (угар 0,3 – 0,7%) непосредственно в рабочем пространстве печей. Это достигается при неполном сжигании топлива (с коэффициентом расхода воздуха ).

В курсовой работе рассматривается малоокислительный нагрев стали открытым пламенем при сжигании топлива с .

Для обеспечения достаточной эксплуатационной надёжности более целесообразно осуществлять нагрев стали в продуктах горения природного газа, полученных при .




1. Исходные данные



Топливо – природный газ из газопровода Шебелинка – Москва, влажность 

Окислитель – атмосферный воздух , коэффициент расхода воздуха 

Температура воздуха перед горелками 

Температура топлива перед горелками 

Марка стали – ст.10

Размеры заготовок в мм 

Внутренние размеры рабочей камеры в мм 

Размеры садочного окна в мм 

Температура нагрева металла 

Температура окружающей среды 

Облицовка рабочей камеры – двухслойная;

I-й слой толщиной  из огнеупора магнезитохромита,

II-й слой толщиной  из диатомита.




2. Материальный расчёт процесса горения топлива



В материальном расчёте процесса горения топлива определяется равновесный состав и выход продуктов неполного горения топлива, расход окислителя.

При расчёте горения топлива принимается:

температура продуктов горения в рабочей камере







влажность окислителя



 ,



где - относительная влажность атмосферного воздуха, принимаем . Абсолютная влажность воздуха при насыщении  находится по таблице 2.1 [1], температуре  соответствует .

Так как горение топлива осуществляется при  и хорошем предварительном смешении компонентов горения, то предполагается, что в продуктах горения отсутствует сажистый углерод, метан и другие углеводороды.

Теоретический удельный расход окислителя







Удельный расход окислителя






Уравнения материальных балансов химических элементов имеют вид

для углерода







для водорода







для кислорода







для азота





Здесь 




Константа равновесия реакции конверсии









Константа равновесия может быть определена из приближенного уравнения



 отсюда 



Удельные выходы продуктов неполного горения топлива определяют при решении системы уравнений материальных балансов химических элементов соответствующих веществ.



 => 



Общий объём продуктов горения








3. Расчёт производительности печи



Для расчёта коэффициента излучения  и производительности нагревательной печи необходимо определить теплофизические характеристики стали.

По составу марки стали (прил.2) [1] рассчитываются плотность , энтальпия  и коэффициент теплопроводности .

Для заданного состава стали, расчет ведётся по формуле:







где поправка  на содержание химических элементов в стали , % из таблицы (прил.2) [1].

Для углеродистых сталей , при 







Влияние температуры на теплопроводность стали, представлено в таблице 1.



Таблица 1. 



0

200

400

600

800

1000

1200



1

0,95

0,85

0,75

0,68

0,68

0,73



50,305

47,7898

42,759

37,7288

34,207

34,207

36,723



Влияние температуры на энтальпию стали, представлено в таблице 2.


Таблица 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





рис. 1.  Размеры заготовок

	рис. 2.  Размеры рабочей камеры

	рис. 3.  Расположение заготовок




3.1 Расчёт коэффициента излучения



Заготовки нагреваются через 3 боковые грани из 4, причём с разной интенсивностью.

Задача лучистого теплообмена в этом случае может быть сведена к расчёту теплообмена между некоторой мнимой поверхностью







и поверхностью







При этом поверхность Fo имеет температуру, равную Тм и некоторую приведённую степень черноты .

Для оптимального расположения заготовок на поду рабочей камеры нагревательной печи (рис.3) принимаем соотношении , отсюда



.



Степень черноты поверхности неокисленных сталей,  причём можно принять .






Угловой коэффициент излучения кладки на материал







Объёмные доли газов H2O и CO2 в продуктах горения









Парциальное давление смеси водяных паров и трёхатомных газов







Эффективная толщина излучающего слоя газов







Средняя температура газов в рабочей камере







Коэффициент ослабления лучей трёхатомными газами






Степень черноты газов







Коэффициент излучения определяется по формуле В.Н. Тимофеева







3.2 Расчёт продолжительности нагрева заготовок



В камерной нагревательной печи имеет место радиационный равномерно распределённый режим внешнего теплообмена при  и .

Термическая массивность заготовок устанавливается по критерию Старка







где  , R – расчётная толщина заготовки, на которой наблюдается максимальный перепад температур. Величина R в общем случае не совпадает с геометрическим размером нагреваемого тела и определяется несимметрией нагрева, то есть , где – коэффициент несимметричности нагрева, зависит от расположения заготовок на поду.

Так как  критерий Sk рассчитывается для начала Sk´ и конца Sk´´ нагрева.

Если , то заготовка является термически тонким телом. При заготовка представляет собой умеренно массивное тело, расчёт продолжительности которого ведётся по формулам для термически тонкого тела, но с поправкой на массивность







где коэффициент формы нагреваемой заготовки







Для оптимального расположения заготовок на поду принимаем с=0,065 м . По таблице 3.1. [1] находим  в зависимости от расположения заготовок на поду.

Необходимое время нагрева термически тонких заготовок (при постоянной теплоёмкости металла ,







где - поправка на конвективную составляющую во внешнем теплообмене, - средняя удельная теплоёмкость металла в интервале температур.

Количество заготовок в печи






Масса металла, находящаяся в рабочей камере печи







Функция  находится по формуле







Так как теплофизические свойства стали заметно изменяются при нагреве, расчёт нагрева проводим для нескольких температурных интервалов, в каждом из которых величина  принимается постоянной. Коэффициент теплопроводности стали  определяется для средней температуры интервала.

Интервал температур нагрева разбивают на три диапазона , ,. Результаты расчёта сведены в таблице 3.

Общая длительность нагрева .

По результатам расчёта строится график нагрева заготовок с учётом того, что при  зависимость  может считаться линейной.



3.3 Производительность нагревательной печи



Производительность печи







Удельное напряжение пода печи






Результаты расчёта процесса нагрева заготовок Таблица 3.

Величина

Расчётная формула

Результаты расчёта

1. Интервал температур нагрева , K

Принимаем

293…900

900…1300

1300…1520

2. Средняя удельная теплоёмкость металла , 



0,579

0,910

0,718

3. Коэффициент теплопроводности металла, , 

Табл.1

44,683

34,207

35,930

4. Безразмерная температура металла





0,188

0,577

0,833







0,577

0,833

0,974

5. Функции





0,188

0,591

0,947







0,591

0,947

1,472

6. 

-

0,403

0,356

0,525

7. Время нагрева ,с



1748

2432

2830

8. Критерии Sk



0,213

0,278

0,265

9. Время нагрева заготовок , с



1838

2594

3010




4. Расчёт теплового баланса рабочей камеры нагревательной печи



Целью расчёта является определение расхода топлива и удельных показателей процесса, анализ статей теплового баланса.

Наружные размеры рабочей камеры:











и наружные размеры огнеупорного слоя:











4.1 Расчёт теплового баланса



Уравнение теплового баланса нагревательной печи при безокислительном нагреве стальных заготовок имеет вид:







Приходные статьи баланса:

Химическое тепло топлива , где низшая теплота сгорания топлива








- удельный расход топлива

Энтальпия топлива , , где средняя удельная теплоёмкость топлива в интервале  









Энтальпия окислителя , где - удельная теплоёмкость окислителя, средняя в интервале температур .







Энтальпия технологического материала







Расходные статьи баланса:

Энтальпия технологического материала








При расчёте  принимаем, что технологические отходы отсутствуют , то есть .

Энтальпия отходящих газов









Химический недожог



, где





Потери тепла в окружающую среду







Потери тепла излучением через отверстия







Сечение отверстия садочного окна








Коэффициент диафрагмирования отверстия  определяется по данным табл.4.1. [1], приведённой для , в данном случае . При



=0,543, =0,527.



Для времени в течении которого садочное окно открыто, определяется продолжительностью операций по выгрузке одной нагретой заготовки и загрузке на её место одной холодной :







Наружная поверхность кладки







Внутренняя поверхность кладки







Средняя поверхность кладки








Средняя температура металла в рабочей камере:







Температура внутренней поверхности кладки определяется из отношения:







Для определения теплового сопротивления кладки задаётся распределение температур по её толщине: , . Тогда средняя температура слоя огнеупора







слоя тепловой изоляции







Для этих средних температур определяют  и :




для 1-ого слоя из полукислых изделий







для 2-ого слоя из минеральной ваты







Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности кладки в окружающую среду можно оценить по формуле Г.И. Иванцова:







Потери тепла в окружающую среду через кладку стен, свода и пода







Проверка правильности принятых  и :









Относительное расхождение, в связи с принимаемыми температурами, составило 1,58% и 1,31% соответственно, что меньше 5% погрешности.

Из уравнения теплового баланса рабочей камеры определяется удельный расход топлива:







Часовой расход топлива







Тепловой баланс рабочей камеры нагревательной печи Таблица 4.

Статьи прихода



%

Статьи расхода



%

1. Химическое тепло топлива 

6278,39

88,94

1. Энтальпия технологического продукта 

882,79

12,5

2. Энтальпия топлива 

60,8

0,86

2. Энтальпия от-ходящих газов

2478,68

35,11

3. Энтальпия окислителя 

711,02

10,07

3. Химический недожог 

3564,89

50,5

4. Энтальпия технологического материала 

9,3

0,13

4.Потери тепла в окружающую среду 

133,16

1,89

ВСЕГО:

7059,52

100,0

ВСЕГО:

7059,52

100,0



4.2 Анализ теплового баланса рабочей камеры



Сравнение теплового баланса и технологических показателей реальной рабочей камеры камерной нагревательной печи целесообразно провести с идеальной, в которой  и  (с учётом использования ВЭР).

В идеальной рабочей камере удельный расход топлива







абсолютный расход топлива







тепловой КПД технологического процесса















О малой доле полезного использования топлива по сравнению с идеальной рабочей камерой свидетельствует высокий удельный расход условного топлива  и низкий тепловой КПД технологического процесса .

Для повышения экономичности всей установки необходимо организовать использование главных тепловых отходов .

При этом целесообразно осуществить регенеративный подогрев компонентов горения, а оставшееся тепло после дожигания горючих компонентов в отходящих газах использовать для выработки некоторой дополнительной продукции (для грубой оценки принимаем ):







Всё оставшееся тепло не может быть полезно использовано, поэтому коэффициент использования <1.

Тогда тепловой КПД установки повыситься и составит







В небольшой по размерам и производительности печи потери тепла через обмуровку в окружающую среду  достигают заметной величины и соизмеримы с полезным тепловосприятием .

Регенеративный подогрев компонентов горения существенно снижает расход топлива. Анализ теплового баланса позволяет установить роль подогрева компонентов горения, доля энтальпии которых в приходной части баланса  невелика.

При работе печи без подогрева компонентов горения удельный расход топлива составит








Список используемой литературы



		Кондаков С.А. Тепловой расчёт камерной печи безокислительного нагрева стальных заготовок. Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов специальности 100700 – "Промышленная теплоэнергетика". Изд. 2-ое, исправ. и дополн. – Брянск: БГТУ, 1999. - 26 с.

		Несенчук А.П., Лисиенко В.Г., Тимошпольский В.И. и др. Высокотемпературные теплотехнические процессы и установки. – Мн.: Выш.шк., 1988. – 320 с.

		Несенчук А.П., Жмакин Н.П. Тепловые расчёты пламенных печей для нагрева и термообработки металла. – Мн.: Выш.шк., 1974. – 286 с.

		Перелётов И.И., Бровкин Л.А., Розенгарт Ю.И. и др. Высокотемпературные теплотехнические процессы и установки.–М.:Энергоатомиздат, 1989. – 336 с.

		Троянкин Ю.В. Методические указания к типовому расчёту по курсу "Промышленные огнетехнические процессы и установки". – М.: МЭИ, 1979. – 36с.