Проект методической трехзонной толкательной печи для нагрева заготовок из среднеуглеродистой стали

,

где - температурный критерий;

      Fo – критерий Фурье;

      Х – безразмерная координата, определяющая местоположение рассматриваемой точки.

Определяем температурный  критерий для поверхности нагреваемого изделия:

где t₀ – средняя температура печи в методической зоне, °С:

.

По графикам Будрина  определяем критерий Фурье:

Fo₁=1,1.

Время нагрева металла  в методической зоне, ч:

,

где  a - коэффициент температуропроводности при средней температуре металла в методической зоне, м²/ч.

Температурный критерий для центра заготовки также определяем по графикам Будрина:

Тогда температура в центре заготовки в конце методической зоны, °С:

.

Для сварочной зоны.

,

где λ – коэффициент  теплопроводности изделия, при средней  температуре металла в сварочной зоне, Вт/(мК).

Так как значение критерия Bi >0,5, то изделие термически массивное.

Определяем температурный  критерий для поверхности нагреваемого изделия:

,

где t₀ – средняя температура печи в сварочной зоне, °С.

По графикам Будрина  определяем критерий Фурье:

Fo₂=0,693.

Время нагрева металла  в методической зоне, ч:

.

Температурный критерий для центра заготовки также определяем по графикам Будрина:

.

Тогда температура в центре заготовки в конце сварочной зоны, °С:

.

Определяем температурный  перепад по сечению металла в конце сварочной зоны, °С:

Степень выравнивания температуры, при условии что разница между  температурой центра и поверхности не должна превышать 50 °С, определяется по формуле:

.

Это соответствует числу Фурье Fo₃=0,6 , тогда время выдержки, ч:

.

Суммарное время нагрева  составит, ч:

.

Длина печи, м:

,

где    g – вес одного изделия, кг:

;

V – объем одного изделия, м³:

;

ρ  - плотность материала, кг/м³

;

λ  - коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);

с – теплоемкость материала, Дж/(кг·К);

а – коэффициент температуропроводности, м²/ч.

Длина методической зоны L_мет=4,8 м, сварочной зоны: L_свар=5,997 м, а длина томильной зоны L_том=4,934 м.

 

6. Составление теплового баланса.

Определение расхода  топлива.

 

При проектировании печи тепловой баланс составляется с целью  определения расхода топлива. Тепловой баланс печи состоит из равных между собой приходной и расходной частей, каждая из которых складывается из ряда статей.

 

6.1 Статьи приходной части

 

Теплота, образующаяся при  сжигании топлива, кВт:

,

где В – расход топлива, м³/с.

Физическая теплота, вносимая подогретым воздухом, кВт:

,

где t_в – температура подогрева воздуха, °С;

      с_в – теплоемкость воздуха, кДж/(м³град).

Теплота экзотермических  реакций (теплота окисления железа), кВт:

,

где G – производительность печи, кг/с;

      а – угар металла, кг/кг.

 

6.2 Статьи расходной части

 

Полезная теплота, расходуемая на нагрев материала:

Конечная температура  металла, °С:

.

Средняя температура  металла, °С:

.

с_м=0,5758 кДж/кг   - средняя теплоемкость металла.

Полезная теплота, кВт:

.

Теплота, уносимая уходящими  продуктами сгорания топлива:

,

где i_д – энтальпия уходящих дымовых газов, кДж/м³:

.

Теплота, уносимая уходящими  продуктами сгорания, кВт:

Потери теплоты теплопроводностью  через кладку печи, определяются по формуле:

.

Средняя температура печи, °С:

Площадь свода, м²:

Средняя температура  огнеупорного материала (шамота), °С:

Коэффициент теплопроводности шамота при этой температуре, Вт/(м·К):

Принимаем толщину огнеупорного кирпича δ_ш=250 мм.

Суммарный коэффициент  теплоотдачи α от стенки к воздуху  принимаем равным 11,63 Вт/(м²К).

Потери теплоты через  свод печи, кВт:

Площадь боковых и торцевых стен, м²:

Принимаем толщину изоляционного  слоя (диатомита) δ_д=150 мм.

Температура на границе  раздела между шамотом и диатомитом определяется из уравнения:

,

где

.

.

Решая уравнение получаем :

t_гр=830 °С;

λ_ш=1,323 Вт/(м·К);

λ_д=0,357 Вт/(м·К).

Потери теплоты через  боковые и торцевые стенки печи, кВт:

Суммарные тепловые потери, кВт:

Неучтенные потери принимаем  равными, кВт:

Из условия равенства  приходной и расходной частей получаем:

,

откуда 

Определяем все приходные и расходные статьи теплового баланса рабочего пространства печи, результаты сводим в таблицу 2.

Таблица 2.

Тепловой баланс рабочего пространства печи

 

Приход	кВт	%	Расход	кВт	%
Qхим	9083,178	84,06	Qпол	5905,949	54,65
Qв	898,516	8,31	Qух	3330,328	30,82
Qэкз	823,958	7,63	Qтепл	661,057	6,12
			Qнеуч	908,318	8,41
Итого	10805,652	100	Итого	10805,652	100

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Выбор топливо сжигающих устройств

 

Устанавливаем 3 горелки. Принимаем давление газа Р_г=5 кПа, а давление воздуха Р_в=2 кПа.

Расход газа на одну горелку, м³/с:

Необходимое количество воздуха на одну горелку, м³/с:

.

Расчетный расход воздуха, м³/с:

Действительный расход газа через горелку, м³/с:

где =0,89 - поправка на плотность газа.

Выбираем горелки типа ДВС 110/35.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Расчет потерь напора в газоходе и определение высоты дымовой трубы

 

8.1 Расчет потерь напора в газоходе

 

Суммарные потери напора в газоходе рассчитываются:

где - потери напора на местное сопротивление, Н/м²;

- потери напора на трение, Н/м²;

- потери геометрического напора , Н/м².

Размеры вертикального канала:

b₁ =1,4 м;

l₁ =3 м;

h₁ =1,3 м.

Размеры первого горизонтального канала:

b₂ =1,4 м;

l₂ =5 м;

h₂ =1,3 м.

Размеры второго горизонтального  канала:

b₃ =1,4 м;

l₃ =6 м;

h₃ =1,3 м.

Размеры третьего горизонтального  канала:

b₄ =1,4 м;

l₄ =45 м;

h₄ =1,3 м.

Потери напора в рекуператоре h_рек=100 Н/м².

Принимаем падение температуры  в горизонтальных участках 2 °С на 1 метр длины. В вертикальных участках – 4 °С на 1 метр длины. Падение температуры в дымовой трубе 1°С на 1 метр длины. Падение температуры в рекуператоре 300 °С.

Объем дымовых газов, м³/с:

Разбиваем дымовой тракт на 4 участка.

 

Первый участок

 

Местные потери, Н/м²:

где =2 - сумма коэффициентов местных сопротивлений (поворот на 90⁰);

w₀ – скорость движения газов по газоходу, м/с:

.

Температура газов в конце первого участка, °С:

Средняя температура  газов по длине газохода, °С:

Гидравлический диаметр газохода, м:

Критерий Рейнольдса для данного участка:

де ν – кинематический коэффициент вязкости дымовых газов  при средней температуре газов, м²/с.

Коэффициент трения для турбулентного режима течения газов:

Потери напора на трение, Н/м²:

Потери геометрического напора, Н/м²:

 

Второй участок

 

Местные потери, Н/м²:

где =2 - сумма коэффициентов местных сопротивлений (поворот на 90⁰);

w₀ – скорость движения газов по газоходу, м/с:

Температура газов в  конце второго участка, °С:

Средняя температура  газов по длине газохода, °С:

Гидравлический диаметр газохода, м:

Критерий Рейнольдса для данного участка:

Коэффициент трения для турбулентного режима течения газов:

Потери напора на трение, Н/м²:

 

Третий участок

 

Местные потери, Н/м²:

где =2 - сумма коэффициентов местных сопротивлений (поворот на 90⁰);

w₀ – скорость движения газов по газоходу, м/с:

Температура газов в  конце третьего участка, °С:

Средняя температура  газов по длине газохода, °С:

Гидравлический диаметр  газохода, м:

Критерий Рейнольдса для данного участка:

Коэффициент трения для турбулентного режима течения газов:

Потери напора на трение, Н/м²:

 

 

 

 

Четвертый участок