Расчёт горения топлива

Содержание

1. Аннотация…………………………………………………………………….ст.4

2. Расчёт горения топлива…………………………………………………...ст.5

3. Расчёт времени нагрева металла………………………………………..ст.8

4. Определение основных размеров  печи…………………………………..ст.18

5. Тепловой баланс печи……………………………………………………….ст.20

6. Выбор горелочных устройств……………………………………………ст.28

7. Охрана труда………………………………………………………………..ст.30

Библиографический список.....................................................................ст.35

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 АННОТАЦИЯ

В данной работе рассчитывается печь с шагающим подом для нагрева блюмов среднеуглеродистой стали производительностью P = 80,556 кг/с (290т/ч). Блюм имеет сечение 0,26x0,26м² и длину l =11,1 м. Печь отапливается природным газом при помощи плоскопламенных горелок. Начальная температура металла t_м^нач = 0 ⁰С, конечная температура поверхности t_м ^кон = 1200⁰С, перепад температур по сечению блюма в конце нагрева _Δt=50⁰С

 

2 РАСЧЁТ ГОРЕНИЯ  ТОПЛИВА

Таблица 1- Состав сухого газообразного  топлива

Наименование месторождения природного газа	CO2	N2	CH4	C2H6	C3H6	C4H10	C5H12
Нибельское	0,01	-	97,0	1.8	0,8	0,2	0,1

 

Находим низшую теплоту сгорания природного газа заданного состава (кДж/м³):

 

 

Находим расход кислорода для сжигания природного газа при коэффициенте расхода  воздуха n=1

 

 

Расход сухого воздуха при n=1,05 (м³/ м³):

 

где: k=

= 1,05

Находим состав продуктов сгорания (м³/ м³):

 

 

 

 

 

=

 

 

 

Суммарный объём продуктов сгорания равен (м³/ м³):

 

= 1,044+2,034+8,157+0,103=11,338

Процентный состав продуктов сгорания:

 

 

 

 

 

 

 

Энтальпия продуктов сгорания (кДж/м³):

 

 

Зададим температуру  (⁰С)    

 

 

Определим энтальпию продуктов  сгорания при температуре  (⁰С).

 

 

Поскольку,,то калориметрическая температура горения t_к (⁰С)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 РАСЧЁТ ВРЕМЕНИ НАГРЕВА МЕТАЛЛА

Определим ориентировочные  размеры печи. При однорядном расположении металла ширина печи

м

 

В печах с плоскопламенными горелками свод выполняется не профилированным и по всей длине печи   можно принять высоту свода равной Н=1,0м. Длина печи будет найдена после расчета времени нагрева металла.

        

Можно принять, что  температура зоны горения по всей длине печи равна действительной температуре горения топлива

 

В нашем случае

(1981K)

 

Температуру газов  в зоне теплообмена можно принять  равной

 

 

Принимаем, что  проектируемая печь имеет три тепловые зоны: методическую, сварочную, томильную; в конце методической зоны температура поверхности металла равна 600 °С, а в конце сварочной 1200 °С.

 

Определим время нагрева металла в методической зоне

Температура газов  в зоне теплообмена :

в начале методической зоны:

 

 

℃

 

в конце методической зоны

 

 

 

 

Парциальные давления СO₂ и Н₂O в продуктах сгорания 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 H' = 0,1 м. Толщина зоны теплообмена Н" с учетом толщины металла δ равна:

 

м

 

Находим и

 м

 м

 

Для зоны горения:

 кПа∙м

 кПа∙м

 

По графикам  при температуре находим

 

 

 

Поскольку найденные значения степеней черноты очень малы примем, что Это означает, что теплообмен между зоной горения и поверхностью кладки происходит только засчёт конвекции.

Для зоны теплообмена:

 

 

По графикам находим:

в начале методической зоны ℃

 

 

 

в конце методической зоны ℃

 

 

Плотность теплового  потока излучением на кладку равна

в начале методической зоны

 

 

 

 

         

в конце методической зоны

 

 

 

 

Принимая значение коэффициента конвективной теплоотдачи от факела к кладке, равным , найдем плотность конвективного теплового потока . Для этого ориентировочно зададимся значением температуры кладки  

 

 

 

 

Находим температуру кладки

 

 

=1360К(1087℃)

 

При расчете было принято, что ε_м = ε_к = 0,8.

Поскольку получено большое расхождение между принятым и  рассчитанным  значением принимаем новое значение температуры, равное среднеарифметическому из двух предыдущих.

 

Тогда

 

 

=1388К (1115℃)

 

Находим величину плотности результирующего потока в металл в начале методической зоны. Для этого по уточненному значению находим

 

 

 

 

 

 

в конце методической зоны

 

 

 

 

=1288,3К(1015℃)

Уточняем значение температуры кладки, задаваясь новой величиной t_к

 

Тогда снова вычислив определяем

 

 

 

 

Теперь расчитываем

 

 

 

Средняя по длине  методической зоны плотность результирующего теплового потока на металл равна

 

 =

 

 

 

Находим температуру  центра блюма в конце методической зоны по формуле

 

 

 

Здесь λ₆₀₀ — коэффициент теплопроводности среднеуглеродистой стали при и он равен ;

S — расчетная толщина блюма.

 

В печи с шагающим подом изделия лежат на поду с зазором а, который в нашем случае принимаем равным толщине блюма, т.е. α=δ. По табл. находим коэффициент несимметричности нагрева μ=0,55и S=μα

 

S=0,55∙0,26=0,143м

 

 

 

Находим среднюю температуру металла:

в начале зоны

 

в конце зоны

по длине зоны

 

При средней температуре металла по длине методической зоны находим коэффициент теплопроводности среднеуглеродистой стали λ и удельную теплоемкость с:

λ=47,9

 

с=0,5

По формуле  τ= находим время нагрева металла в методической зоне.

 

Определяем время нагрева металла в сварочной зоне.

Поскольку началом  сварочной зоны является конец методической зоны, то из предыдущего расчета заимствуем:

 

 

 

В конце сварочной  зоны

 

    

По графикам  при   

 кПа∙м

 кПа∙м

находим 

 

 

Задаваясь значением  t_k находим

 

 

 

 

 

=1561К(1288℃)

 

Уточняем значение температуры кладки

 

 
Тогда

 

 

=1578К (1305℃)

 

По уточненному  значению Т_к находим

 

 

 

 

Средняя по длине  сварочной зоны плотность результирующего теплового потока на металл равна

 

 

 

Температура центра блюма в конце сварочной зоны

 

 

Средние температуры  металла:

в начале сварочной  зоны 

=

в конце сварочной  зоны

1200-

по длине зоны

 

При этой температуре  находим 

λ=26,5

 

с=0,695

Время нагрева  металла в сварочной зоне

 

 

Определение времени томления металла.

Перепад температур по сечению металла в начале томильной зоны

 

 

 

 

в конце зоны

Степень выравнивания температуры

 

 

 

 

По графику находим Fo =1,9.

При средней температуре  металла в томильной зоне

 

 

 

 

Находим значение коэффициента температуропроводности среднеуглеродистой стали α=5,556∙

 

Тогда время томления металла

 

 

 

 

Общее время нагрева металла

 

τ=

 

τ=3768+5312+7485=16564,5с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ПЕЧИ.

Для обеспечения  производительности P=80,556 в печи должно одновременно находиться количество метала

 

G=Pτ

 

G=80,556∙16564,5=1334362

 

Масса одного блюма

g=bδlp

 

g= 0,26∙0,26∙7800∙11,1=5852,85 кг

 

Число блюмов, одновременно находящихся в печи

n=

 

С учетом зазоров (а=0,125м) между блюмами длина печи равна

L=n

L

При ширине печи B=11,54м площадь пода F=BL=·11,54=986,67 Высоту всех зон оставляем прежней H = 1,0 м. Длину печи разбиваем на зоны пропорционально времени нагрева:

 

длина методической зоны

 

 

 

 

длина сварочной зоны

 

 

 

 

 

длина томильной зоны

 

 

 

 

 

Принимаем, что  свод печи выполнен из шамота класса А  толщиной 300 мм. Стены имеют толщину 460 мм, причем, слой шамота составляет 345 мм и слой тепловой изоляции (диатомитовый кирпич) 115 мм. Под печи двухслойный: высокоглиноземистый кирпич толщиной 460 мм и диатомитовый кирпич 115 мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПЕЧИ

Поскольку распределение  топлива по зонам печи с плоскопламенными горелками неизвестно, будем составлять позонные тепловые балансы, определяя расход топлива для каждой зоны отдельно. При составлении балансов   примем    некоторые упрощения: пренебрегаем переносом тепла излучения из зоны в зону; пренебрегаем продольным переносом тепла в зоне горения, так как размеры зоны горения малы (H' =0,1 м) и температура зоны горения принята одинаковой по всей длине печи (); будем опускать расходные статьи баланса, не превышающие 5 % от всего расхода.

Рисунок 1 - Распределение температур по длине печи с шагающим подом

 

Томильная зона

Приход тепла

 

1. Тепло от горения топлива

 

 

 

, кВт.

 

где В_т — расход топлива в томильной зоне, м³/с

 

2. Окислением металла пренебрегаем.

 

Расход тепла

 

1. Тепло,  затраченное  на  нагрев  металла 

 

 

где при ; − то же, при .

 

2. Тепло, уносимое продуктами сгорания в зоне теплообмена  при

 

 

 

 

Находим энтальпию  продуктов сгорания при 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
=1921,86  

3. Потери тепла теплопроводностью через футеровку печи.

Свод. Средняя температура внутренней поверхности (см. рис 1.). Примем температуру среды равной температуру наружной поверхности . Площадь свода (с учетом толщины стен)

 

 

 

     толщина.

Средняя температура  шамотного слоя равна

 

При этой температуре, согласно приложению XI, теплопроводность шамота равна

 

λ_Ш =0,7+0,64∙

Найдем потери тепла через свод

 

Где  α_конв=1,3(10+0,06t_нар.)=1,3 Вт/(м²К)

 

Стены. Температуру внутренней поверхности стен принимаем равной Стены состоят из слоя шамота толщиной = 0,345 и диатомита =0,115 м.

С учетом толщины  футеровки площадь поверхности  стен равна: торцевой (11,54+2∙0,46)∙(1+0,3)=16,198 м²; боковых 2∙(38,63 + 0,46)∙(1+0,3)=101,634 м²; общая =16,198+101,634=117,832 м².

Для вычисления коэффициентов  теплопроводности, зависящих от температуры, необходимо определить среднее значение температуры слоев. Средняя температура слоя шамота