Расчет камерной печи с неподвижным подом

3

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по курсу “Высокотемпературные тепло технологические процессы и установки”

 

РАСЧЕТ КАМЕРНОЙ ПЕЧИ С  НЕПОДВИЖНЫМ ПОДОМ

 

Камерные термические печи с  неподвижным подом применяются  для нагрева мелких и средних  заготовок и изделий.

 

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

 

Топливо – доменный газ (СО =15,8%, Н₂ = 30,9%, СН₄ = 13,3%,  СО₂ = 6,6%,   
N₂ = 29%, Н₂О = 2,30% CmHn = 1,1%)

Нагреваемые изделия –  заготовки квадратного сечения  30×30 мм (S = 30 мм, 
l = 600 мм)

Вид термообработки – нагрев под закалку

Марка стали – 45Х

Способ укладки заготовок  – на поду печи с зазорами

Количество заготовок  в печи – 20 шт

Начальная температура  металла – t₀ = 20 ⁰C

Конечная температура  нагрева поверхности заготовки - t_п.к = 850 ⁰С

Конечный перепад температур по сечению заготовки – Δt_к = 5 ⁰С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет горения топлива

 

Теплота  сгорания газа

Q_н^р = 0,127СО + 0,108 Н₂ +  0,357СН₄ + 0,71CmHn = 

= 0,127×30,10 + 0,108×2,20 + 0,357 0,10 + 0,71 × 1,1 = 10,7 мДж/м³

 

Теоретически необходимое  количество воздуха

L₀ = 0,0476 ( 0,5СО + 0,5Н₂ + 2СН₄ +(m + n) C₂H₄ ) =

= 0,0476× (0,5×15,8 + 0,5×30,9 + 2×13,3 + 4 × 1,1) = 2,58 м³/м³

 

Теоретическое количество продуктов  горения

Vco₂ = 0,01(СО + СО₂ + СН₄ + 2CmHn) = 0,01 (15,8 +6,6 + 13,3 + 1,1) = 0,379 м³/м³

Vн₂о = 0,01(Н₂ + 2СН₄ + Н₂О + 2CmHn) = 0,01×(30,9 + 2×13,3 + 2,30 + 2,2) = 0,62 м³/м³

VN₂ = 0,01 ( N₂ + 79 L₀ ) = 0,01×(29 + 79×2,58) = 2,3 м³/м³

 

Действительное  количество воздуха

L_д = 1,15×2,58 = 2,9 м³/м³

 

Количество  продуктов горения

Vco₂ = 0,01(СО + СО₂ + СН₄ ) = 0,01 (30,10 + 10,20 + 0,10) = 0,4 м³/м³

Vн₂о = 0.01 (Н₂ + 2СН₄ + Н₂О) = 0,01×(2,20 + 2×0,10 + 2,30) = 0,047 м³/м³

VN₂ = 0,01 ( N₂ + 79 L_д ) = 0,01×(55,10 + 79×0,91) = 1,27 м³/м³

 Vo₂ = 0,21 ( α – 1 ) L₀ = 0,21×( 1,15 – 1 )×2,9 = 0,08 м³/м³

 

Общее количество продуктов горения

V_д = 0,379 + 0,62 + 2,3 + 0,08 = 3,37 м³/м³

 

Состав продуктов  горения

СО₂ = ( Vco₂/V_д ) 100 = 0,379/3,37 × 100 = 11,2 и т. д.

 

   СО₂  Н₂О  N₂  O₂  ∑

11,2  18,3  68,2  2,3  100        

 

Плотность продуктов горения

=

= 1,25 кг/м³

 

 

Размеры рабочего пространства печи. Заготовки располагаем на поду печи в два ряда с зазорами, равными половине толщины заготовки.

 

Длина рабочего пространства печи

L = 10×30 + 9×15 + 2×390 = 1215 мм = 1,215 м

 

Ширина рабочего пространства печи

В = 2×600 + 300 + 2×100 = 1600 мм = 1,6 м

 

Высоту рабочего пространства печи в замке свода принимаем конструктивно

Н = 1,4 м

 

Высота боковой стенки  h = 1,2 м

 

Средняя высота печи    h_ср = м

 

Расчет теплообмена.

 

Поверхность кладки

F_кл = 2Вh_ср + 2Lh + + LB =  
          = 2×1,6×1,3 + 2×1,1215×1,2 + + 1,250×1,2 = 11 м

 

Излучающая поверхность металла

F_м = n(3Sl + 2S²) = 20×(3 0,03×0,6 + 2×0,03²) = 1,44 м²

 

Объем рабочего пространства печи

V_р.п. = BLh_ср = 1,6×1,5×1,3 = 2,6 м³

 

Объем металла

V_м = 20S²l = 20×0,03²×0,6 = 0,01 м³

 

Объем рабочего пространства печи, заполненного газом

V_г = V_р.п. – V_м = 2,6 – 0,01 = 2,59 м³

 

Эффективная толщина газового слоя

S_эф  = 0,72 м

 

Сила поглощения продуктов горения

       Рсо₂S_эф  = 0,112×0,72×0,981 = 0,079 мН/м

       Рн₂оS_эф  = 0,183 0,72×0,981 = 0,129 мН/м

 

По этим произведениям и температуре  газа согласно рис. 43 ( С.И. Аверин. Расчеты  нагревательных печей) находим степень  черноты газов и приведенный  коэффициент излучения  “газ-кладка-металл”  по выражениям

     

Принимаем ε_м = 0,8, а величину определяем по выражению

  = 0,126

 

Значения ε_г и С_г.к.м. в зависимости от температуры газа

            t_г                                           ε_г               С_г.к.м., Вт/м²град

          900          0,235         0,17           1,1          0,422             3,94

        1000          0,23           0,15                          0,395             3,88

        1100          0,22           0,14                          0,374             3,8

        1200          0,21           0,13                          0,273             3,46

 

 

Приведенный коэффициент излучения  при t_г = 900, для остальных значений температур приведены в таблице

С_г.к.м = 3,92

 

 

                                                    Ступінь чорноти вуглекислоти

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                        Ступінь чорноти водяної пари

 

 

Угловые коэффициенты

 

 

 

Приведенный коэффициент излучения

С_печ-м = Вт/м² град

 

Расчет нагрева металла

 

Состав стали  45Х: С = 0,40 0,50%; Мn = 0,50 0,80%; Cr = 0,8 1,1%; 
Si = 0,15 0,35%; для расчетов принимаем: С = 0,45%; Мn = 0,7%; Cr = 1,0%; Si = 0,3%.

 

 

Коэффициент теплопроводности стали

λ₀ = 70 – 10С – 16Mn – 33,7Si = 70 - 10×0,45 - 16×0,7 – 33,7×0,3 = 44,2 Вт/м град

λ₂₀₀  = 0,95λ₀ = 0,95×44,2 = 42 Вт/м град

λ₄₀₀ = 0,85λ₀ = 0,85×44,2 = 37,6 Вт/м град

λ₆₀₀  = 0,75λ₀ = 0,75×44,2 = 33,1 Вт/м град

λ₈₀₀ = λ₁₀₀₀ = 0,68λ₀ = 0,68×44,2 = 30,0 Вт/м град

λ₁₂₀₀ = 0,73λ₀ = 0,73×44,2 = 32,3 Вт/м град

 

Плотность стали

ρ = 7880 – 40С -16Мn – 73Si = 7880 - 40×0,45 - 16×0,7 - 73×0,3 = 7820 кг/м³

 

Энтальпию стали при содержании углерода С = 0,45% берем из рис. 116 ( С.И. Аверин. Расчеты нагревательных печей. )

 

Принимаем следующий режим нагрева: первый период – нагрев при постоянной температуре печи ( t_печ = const ); второй период – выравнивание температуры при условии постоянства температуры поверхности ( t_п = const ). Нагрев – односторонний.

 

Первый период нагрева.

 

Допустимая разность температур

 ⁰С

Для стали 45Х: σ_д = 350 мН/м²; β = 13,8×10^-6 1/град; Е = 21,09 мН/м²

 

Так как температурные  напряжения учитываются при нагреве  стали до 500 ⁰С, то

Вт/м град

Тепловое сопротивление  нагреваемого металла

 м² град/Вт

 

Допустимая температура  печи при ∆t_доп = 150 ⁰С и S/λ = 0,0013 м² град/Вт составит

1100 ⁰С.

Температуру печи в первом периоде нагрева принимаем несколько ниже допустимой: t_п = 1000 ⁰С.

 

Разобьем первый период нагрева на два интервала по температуре  поверхности: первый интервал – от t_п0 = 20 ⁰С до t_п1 = 700 ⁰С; второй интервал  - от t_п1 = 700 ⁰С до  
t_п2 = 850 ⁰С.

 

Первый интервал. Начальный тепловой поток

1,1×4,23× = 
         = 121848 Вт/м²

 

Тепловой поток в конце  первого интервала

q₁ = 1,1×4,23 80488 Вт/м²

 

Коэффициент теплоотдачи  в начале нагрева

124 Вт/м² град

 

Коэффициент теплоотдачи в конце  первого интервала

268 Вт/м² град

 

Среднее значение коэффициента теплоотдачи

196 Вт/м² град

 

Среднее значение коэффициента теплопроводности

40,0 Вт/м град

 

Критерий Био 

= 0,147

 

Температурный критерий поверхности

0,3

 

По номограммам рис. 48 и 49 (С.И. Аверин. Расчеты нагревательных печей)  находим : Fo = 5,0 ; Ф_ц1 = 0,33

 

Так как нагрев односторонний, то под температурой центра принимаем  температуру нижней поверхности  заготовки

Температура центра заготовки  в конце первого интервала

t_ц1 = t_печ – Ф_ц1(t_печ – t₀) = 1000 – 0,33×( 1000 – 20 ) = 677 ⁰С

 

                                     Температурный критерий для поверхности пластины

 

 

                                  Температурный критерий для середины  пластины

 

 

Уточняем значение коэффициента теплопроводности по приближенному значению  t_ц1 и уточняем рассчитанные выше величины

38 Вт/м град

0,15;  Fo = 4,8; Ф_ц1 = 0,35

t_ц1 = 1000 – 0,35×( 1000 – 20 ) = 657 ⁰С

 

Перепад температур по сечению заготовки в конце первого интервала

∆t₁ = t_п1 – t_ц1 = 700 – 657 = 43 ⁰С

 

Средняя температура по сечению  заготовки

700 - 43 = 671 ⁰С

 

 

                      Кривая зависимости теплосодержания  стали 45Х от температуры

 

Расчетная теплоемкость в первом интервале

0,72

 

Среднее значение коэффициента температуропроводности в первом интервале

= 0,0000067 м²/с

 

Время нагрева в первом интервале

1791 с = 0,5 ч

 

Температура газа в начале нагрева

= 100 1328 ⁰С

 

Температура газа в конце первого  интервала

t_г1 = 100 1037,4 ⁰С

 

 

Второй интервал. Расчет нагрева во втором интервале выполняем аналогично первому, приняв вместо начальной средней температуры t₀ среднюю температуру металла в конце первого интервала t_ср1  = 671 ⁰С.

 

 

Тепловой поток в конце  второго интервала

1,1×3,8 43290 Вт/м²

 

Коэффициент теплоотдачи  в конце второго интервала

291 Вт/м² град

 

Среднее значение коэффициента теплоотдачи

279,5 Вт/м² град

 

Среднее значение коэффициента теплопроводности

31,2 Вт/м град

 

Критерий Био 

= 0,20

 

Температурный критерий поверхности

0,46

 

По номограммам находим: Fo = 1,0 ; Ф_ц2 = 0,55

Температура центра заготовки в  конце второго интервала

t_ц2 = t_печ – Ф_ц2(t_печ – t_ср1)  = 1000 – 0,55×( 1000 – 671 ) = 820 ⁰С

 

Уточняем значение коэффициента теплопроводности и рассчитанные выше величины

31,6 Вт/м град

Ві = 0,26;  Fo = 1,0; Ф_ц2 = 0,55

t_ц2 = 1000 – 0,5×( 1000 – 671 ) = 820 ⁰С

 

Перепад температур по сечению заготовки  в конце второго интервала

∆t₂ = t_п2 – t_ц2 = 850 – 820 = 30 ⁰С

 

Средняя температура по сечению  заготовки

t_cp = t_п2 - 850 - 30 = 830 ⁰С

 

Расчетная теплоемкость во втором интервале

0,63

 

Среднее значение коэффициента температуропроводности во втором интервале

= 0,0000066 м²/с

 

Время нагрева во втором интервале

τ₂ = 140 с = 0,03 ч

 

Температура газа в конце второго  интервала

t_г2 = 100 1010 ⁰С

Температура кладки в начале нагрева

t_кл0 = t_кл3 – 110 = 856 – 110 = 745 ⁰С

 

Общее время нагрева в первом периоде

τ_І = 0,5 + 0,03 = 0,53ч = 1940 сек

 

Второй период нагрева

 

Степень выравнивания температур

 

 

Коэффициент выравнивания температур при δ = 0,17 для пластины m = 0,7