РАСЧЕТ ДИНАМИКИ НАГРЕВА МЕТАЛЛА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ПЕЧИ

ВВЕДЕНИЕ

Печь - технологическое оборудование, в котором рабочим видом энергии является тепло, и рабочее пространство которого ограждено от окружающей среды. Разнообразие промышленных печей, используемых в литейном производстве, вызывает необходимость подразделения их на основные группы.

По способу генерации теплоты все печи подразделяют на топливные, где теплота выделяется за счет горения топлива, и электрические, где электроэнергия преобразуется в теплоту электрической дугой, нагревательными элементами сопротивления или индукцией.

По условиям теплопередачи печи подразделяют на печи с теплопередачей преимущественно излучением и конвекцией.

Работа печей характеризуется тепловой мощностью, тепловой нагрузкой, температурным и тепловым режимами.

По тепловому режиму печи подразделяют на печи, работающие по камерному режиму, и печи, работающие по методическому режиму. В печах, работающих по камерному режиму, температура рабочего пространства остается постоянной на протяжении всего времени работы печи. В печах, работающих по методическому режиму, температура в печи изменяется по длине печи или во времени.

Методические нагревательные печи широко применяются в прокатных и кузнечных цехах для нагрева квадратных, прямоугольных, а иногда и круглых заготовок.

По методу транспортировки металла методические печи относятся к так называемым проходным печам. Ряд соприкасающихся друг с другом заготовок заполняет весь под печи и продвигается через печь при помощи толкателя. При загрузке в печь новой заготовки одна нагретая заготовка выдается из печи.

Наиболее важными классификационными признаками методических печей являются:

1) температурный режим печи (по длине);

2) двусторонний или односторонний характер нагрева металла;

3) способ выдачи металла из печи (боковая или торцовая выдача).

Кроме того, классификация выполняется по виду нагреваемых заготовок, методу утилизации тепла отходящих дымовых газов, виду топлива, числу рядов заготовок в печи.

РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

Общие положения

Сгорание топлива может быть полным и неполным. Полное сжигание осуществляется при коэффициенте расхода воздуха α > 1, неполное при α < 1. При горении топлива основным процессом является соединение горючих составляющих топлива с кислородом ( + ; + ; + ).

Газообразное топливо по сравнению с твердым и жидким имеет ряд преимуществ: лучшее смешение топлива с окислителем (кислородом или воздухом), что позволяет проводить процесс сжигания с минимальным коэффициентом расхода воздуха; легкость транспортировки к потребителю;

простота обслуживания.

Природный газ. Основной горючей составляющей природного газа является метан , содержание которого - 92…98%. Остальные горючие составляющие - это непредельные углеводороды C_mH_n. Теплота сгорания природного газа 33 ... 38 МДж/м³, плотность 0,7...0,8 кг/м³.

Доменный (колошниковый) газ. Доменный газ является побочным продуктом в процессе получения чугуна в доменных печах. На 1 кг чугуна образуется 3 м³ доменного газа. Если металлургическое предприятие имеет полный металлургический цикл, то до 40% топливного баланса покрывается за счет доменного газа. Примерный состав доменного газа: 25…31% CO, 2...3% H₂, 9...14% CO₂, 0,3...0,5% CH₄, 57...58% N₂. Теплота сгорания доменного газа 3,5...4,2 МДж/м³.

Для характеристики теплового эффекта реакции сгорания топлива используется понятие теплоты сгорания топлива. Теплота сгорания топлива - это количество теплоты, выделяющейся при сжигании единицы топлива (кг, м³).

Калориметрическая температура горения (t_к) - это температура, которую продукты сгорания получают при условии, что вся теплота, которая выделилась при полном сгорании единицы топлива, пошла на нагрев только продуктов сгорания.

Расчет горения топлива является основой при проектировании теплотехнических установок и состоит из разделов:

1. Перерасчет сухого состава газа в рабочий (влажный);

2. Расчет теплоты сгорания топлива;

3. Расчет теоретического и действительного количества воздуха необходимого для сжигания единицы топлива;

4. Расчет количества и состава продуктов сгорания;

5. Расчет калориметрической температуры горения топлива.

Расчетом горения определяется количество, состав и плотность топлива, воздуха и продуктов сгорания; температура горения, коэффициент использования тепла топлива.

Расчет расхода топлива, воздуха и продуктов сгорания основан на уравнениях химических реакций окисления горючих компонентов:

СО + 0,5О₂ = СО₂

Н₂ + 0,5 О₂ = Н₂О

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О

С₃Н₈ + 5О₂ = 3СО₂ + 4Н₂О

Горение топлива в металлургических печах происходит, как правило, в атмосфере газообразного окислителя, что является смесью кислорода, азота и водяных паров (содержанием других компонентов, таких как СО, СО₂обычно пренебрегают). Количество воздуха и продуктов сгорания зависит при других равных условиях от соотношения объемов азота и кислорода

где – соответственно содержание азота и кислорода в воздухе_, в объемных процентах.

Если в сухом воздухе содержание ,то это обогащенный кислородом воздух. Обогащение воздуха кислородом содействует повышению температуры горения и коэффициента использования тепла топлива (КИТ).

Расчет температуры горения ведется на основе баланса процесса горения, расчет КИТ – на основе теплового баланса печи.

Расчет горения топлива

Начальные данные:

Вид топлива – смесь природного и доменного газов с теплотой сгорания Коэффициент расхода воздуха α = 1,1, воздух, обогащенный кислородом . Состав сухих газов приведен в таблице 1.1

Таблица 1.1 – Состав сухих газов, %

Компоненты	Природный	Доменный
	2	3,2
CO	0,6	27,5
	93	0,8
	0,4	0
	0,3	11
	3	57
	0,7	0
W, г/м³	15	45

Необходимо определить: состав смеси влажных газов, количество воздуха, количество продуктов сгорания, составить материальный баланс горения, калориметрическую температуру горения, коэффициент использования тепла топлива.

Определение состава влажных газов (рабочего состава).

Рабочий состав газов определяется как произведение каждого компонента сухого топлива и коэффициента пересчета, например

Коэффициент пересчета сухого состава газа на рабочий:

Для природного газа:

Дальше пересчитаем каждый компонент газа во влажный состав

Сумма всех компонентов влажного топлива составляет 100 %.

Для доменного газа:

Дальше пересчитаем каждый компонент газа во влажный состав

Низшая теплота сгорания газообразного топлива - это количество теплоты, выделяющееся при сжигании единицы топлива, определяется по формуле:

Состав смешанногогаза.

Доля доменного газа в смеси:

Доля природного газа в смеси:

Состав смешанного газа:

Теплота сгорания смеси газов:

Расчетная теплота сгорания смешанного газа от заданной должна отличаться не более чем на 1%.

Определение теоретически необходимого количества воздуха рассчитываться по формуле:

где 0,5; 0,5; 2 и т.д. – это коэффициенты, которые стоят перед кислородом в стехиометрических уравнениях горения соответственных компонентов топлива;

(1 + 0,00124 · d_в) – поправка на влажность;

d_в – влажность воздуха в зависимости от температуры, г/м³;

, – содержание азота и кислорода в воздухе; (в не обогащенном сухом воздухе ,

Действительное количество воздуха:

Состав влажного воздуха определяется через произведение компонентов сухого воздуха и коэффициента пересчета на влажный воздух:

Тогда состав влажного воздуха определяется по формулам:

Объем продуктов сгорания (дыма) определяется по формуле:

Объем составляющих продуктов сгорания, образующихся при сжигании единицы газообразного топлива, определяется по уравнениям реакций горения:

- углекислый газ:

- вода:

- азот:

- кислород:

Объем продуктов сгорания:

Состав дыма определяется по следующим формулам:

Суммарный состав продуктов сгорания должен равняться 100%. Если сумма отличается от 100% не более чем на 0,5%, то ее необходимо скорректировать. Коррекция обычно проводится по компоненту, содержание которого в продуктах сгорания максимально.

После выполнения расчета горения необходимо составить материальный баланс процесса горения.

Уравнение материального баланса процесса горения имеет вид:

где m_{т –} масса топлива, при сжигании газообразного топлива

При этом плотность смешанного газа определяется по формуле:

где – молекулярная масса компонента, кг;

r_i – содержание компонента в смеси, %.

– масса воздуха, подаваемого для процесса горения, определяется по формуле:

Плотностьвлажного воздуха:

– масса продуктов сгорания, определяется по формуле:

Плотностьпродуктовсгорания:

– невязка материального баланса, определяется по формуле:

Основные результаты расчета горения топлива представлены ниже в таблице 1.2.

Таблица 1.2 – Основные результаты расчета горения топлива:

Наименование величины	Обозначение	Численное значение
Теплота сгорания смешанного газа		19,6 МДж/м³
Теоретически необходимое кол-во воздуха		3,751 м³/м³
Действительное количество воздуха	L_д	4,126 м³/м³
Объем продуктов сгорания	V_д	5,052 м³/м³
Состав продуктов сгорания:	СО₂	13,262%
	О₂	2,098%
	N₂	61,976%
	H₂O	22,664%
Масса воздуха	m_в	5,322 кг
Плотность воздуха	ρ_в	1,29 кг/м³
Масса дыма	m_д	6,315 кг
Плотность дыма	ρ_д	1,25 кг/м³
Масса топлива	m_г	0,977 кг
Плотность топлива	ρ_т	0,977 кг/м³
Невязка материального баланса	∆m	0,25%

2 РАСЧЕТ ВНЕШНЕГО ТЕПЛООБМЕНА

Методическиетолкательныепечиотносятсяк высокотемпературнымпечам,вкоторыхтеплопередаетсяк поверхностинагрева восновномизлучением.

Удельный тепловойпоток, передаваемыйизлучениемотгазовикладкиметалла, можнорассчитатьпо формуле:

Расчет внешнего теплообмена состоит в определении приведенного коэффициента излучения, Вт/(м²К⁴):

где - степеньчернотыметалла;

- степеньчернотыгазов;

- степеньразвитиякладки.

Приведенный коэффициентизлучения определяетсядлякаждойзоны.

Численное значениеωпримерноравноотношениюсуммарнойвнутреннейповерхности всехстенисводапечи квоспринимающейтепловое излучениеповерхности металлаF_м,то есть:

При этом поверхность нагрева (металла) считается как сплошная плита, нагреваемая с одной стороны.

Расчет ведется в такой последовательности:

1. Предварительное определение размеров печи:

Ширина печи

где z – число рядов заготовок в печи (принимаем z = 2);

– ширина зазора между торцами заготовок и кладкой,

l – длина заготовок, l = 2,65 м.

Расстояние от высшей точки свода до уровня пода выбирается из таблицы 2.1.

Таблица 2.1 Расстояние от высшей точки свода до уровня пода по зонам печи.

Расстояние, м
В месте посада металла	Верхних сварочных зон	Нижних сварочных зон	Томильной зоны
0,8…1,5	2,2…2,6	2,4…3,0	1,5…1,7

2. Задание температур по длине печи

Температура уходящих газов задается в зависимости от вида тепловой обработки металла.

При нагреве металла под прокатку температуру уходящих газов можно принять , а при нагреве металла с целью термообработки .

В сварочной (нагревательной) зоне нагрев осуществляется при постоянной температуре печи, а в томильной зоне при постоянной температуре поверхности. Температуру в сварочной (нагревательной) зоне рекомендуется выбирать на 150 – 250 °С выше конечной температуры металла, то есть а температуру газов в конце томильной зоны в первом приближении можно принять на 50 °С выше конечной температуры металла, то есть (рис. 2.1).