Печь с шагающими балками Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» Кафедра теплофизики и промышленной экологии Расчетно – пояснительная записка к курсовому проекту по ОТТР и КПП Выполнил: ст. гр. МТ–051 Чубейко М. В. Проверил: профессор Темлянцев М. В. Новокузнецк 2008 ВВЕДЕНИЕ Нагревательная печь является теплотехническим агрегатом, предназначенным для осуществления определенного технологического процесса. Основная теплотехническая задача таких печей – передать тепло нагреваемому металлу или отнять тепло у нагретого металла в соответствии с технологией его нагрева или термической обработки. Таким образом, определяющим процессом для печного агрегата является теплопередача к металлу, подвергаемому тепловой обработке, и именно расчет этой теплопередачи есть основа расчета нагревательной печи. Теплопередача к металлу в печах происходит излучением и конвекцией, в распространении тепла внутри металла – теплопроводностью. Основной расчет теплопередачи дает возможность найти необходимые размеры рабочего пространства, а также теплотехнические характеристики средств нагрева. 1 РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА 1.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА СУХОГО ГАЗА Принимаем по рекомендации [1, с.15, таблица 5] состав природного газа Аманакского месторождения Таблица 1 Состав сухого газа, объемных % CH4 C2 H6 C3 H8 C4 H10 C5 H12 CO2 N2 H2 95.95 0 0 0 0 0,70 3,35 0 1.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА ВЛАЖНОГО ГАЗА Т.к. W = 0, пересчет на влажность не нужен. 1.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ГАЗА Низшую теплоту сгорания топлива определяют по формуле [2, с.108]: (1) где СО, Н2 , …– содержание компонента в газе, %. 1.4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОГО КОЛИЧЕСТВА ОКИСЛИТЕЛЯ Теоретическое количество окислителя необходимое для горения 1м3 газа определяем по формуле [2, c.112]: (2) где H2 , CO и т.д. – содержание соответствующих газов в газовом топливе, %; – содержание кислорода в сухом окислителе, %. Принимаем . Теоретическое количество влажного окислителя определяем по формуле [2, c.112]: (3) где – влагосодержание окислителя, г/м3 . Принимаем г/м3 . . Действительное количество окислителя подаваемого на горение определяем по формуле [2, c.112]: (4) где n – коэффициент избытка окислителя. Принимаем n=1,05. . 1.5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ Количество продуктов сгорания определяем по формулам [2, c.112]: , , , (5) , . где , – соответственно содержание кислорода и азота в окислителе подаваемом на горение (для воздуха О2 =21%, N2 =79%); – влагосодержание окислителя, г/м3 . , , , , . Суммарный объем дыма определяем по формуле [2, c.112]: . (6) . Состав продуктов горения в объемных процентах рассчитываем и проверяем по формулам [2, c.112]: ; . 7) , , , . . 1.6 РАСЧЕТ КАЛОРИМЕТРИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ Калориметрическую температуру определяем по формуле: , (8) где – энтальпия продуктов сгорания, кДж/м3 , , – энтальпия продуктов сгорания при температуре и соответственно, кДж/м3 . Энтальпию продуктов сгорания определяем по формуле: , (9) где , – теплоемкость воздуха и газа соответственно, кДж/(м3 ∙К); , – температура воздуха и газа соответственно, °С. Т.к. природный газ не подогревается, то . Температура подогрева воздуха равна °С (по условию задания). По рекомендации [1, c.32, таблица 10] принимаем кДж/(м3 ∙К). . Энтальпию продуктов сгорания при температурах и определяем по формуле: , (10) где – теплоемкость дыма, кДж/(м3 ∙К). Принимаем °С и °С. Теплоемкость дыма при определяем по рекомендации [1, c.32, таблица 10]. По формуле (10) определяем энтальпию продуктов сгорания: По формуле (8) определяем калориметрическую температуру: °С. Запишем реакции горения топлива: 1) ; 2) ; 3) ; 4) ; 5) ; 6) . 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ПЕЧИ По рекомендации [3, с.11, таблица 1.1] принимаем температуру нагрева стали под прокатку равной 1250 °С. По рекомендации [3, с.13, таблица 1.3] принимаем максимальную температуру в начале печи, при которой допустим холодный посад равной 900 °С. По рекомендации [3, с.14, таблица 1.4] принимаем удельное время нагрева заготовок равным z = 6,0 мин/см. Коэффициент заполнения полезной длины печи – Кз = 0,98. Задаемся температурой продуктов сгорания: - методическая зона – 900 °С; - сварочная зона – 1300 °С; - томильная зона – 1250 °С. Общую продолжительность нагрева определяем по формуле [3, c.15]: , (11) где S – толщина нагреваемого металла, м. S=0,30м (по условию задания). . Садку печи определяем по формуле [3, с.15]: , (12) где Р – производительность печи, т/ч. Р=80 т/ч (по условию задания). . Массу заготовки определяем по формуле: , (13) где Vз – объем заготовки, м3 ; ρз – плотность заготовки кг/м3 . Плотность заготовки принимаем по рекомендации [3, с.15] равной ρз = 7400 кг/м3 . . Количество заготовок в печи определяем по формуле: , (14) . Длину печи определяем по формуле: ,м (15) где – ширина заготовки (сляба), м. n – количество заготовок ( n = 24/2 = 12 шт ) (по условию задания). . По рекомендации [3, c.44, таблица 3.2] длину пода печи принимаем равной Lп = 18 м. Ширину печи определяем по формуле [3, c.15]: , (16) где n – число рядов заготовок в печи, l – длина заготовки, м. n= 1 (выбираем конструктивно), l= 1,5 м. . По рекомендации [3, c.18] выбираем профиль и основные размеры рабочего пространства методической печи. Рисунок 1 – Профиль методической печи Нсв = 3 м; Нсн = 2,6 м; Нт = 1,2 м; hв = 0,8 м; hн = 1,2 м; Lк = 1,7 м; l1 = 2 м; l3 = 6 м; l4 = 3 м. По рекомендации [3, c.19, таблица 2.2] определяем длины зон печи: - методическая зона (27% длины печи) – 10,7 м; - сварочная зона (41% длины печи) – 16,2 м; - томильная зона (32% длины печи) – 12,7 м. Площадь активного пода определяем по формуле: , (17) где lз – длина заготовки, м; lп – длина пода печи, м. . Площадь габаритного пода определяем по формуле: , (18) где B – ширина печи, м. . Напряженность активного пода определяем по формуле: , (19) где Р – производительность печи, кг/ч. . Напряженность габаритного пода определяем по формуле: , (20) . 3 РАСЧЕТ НАГРЕВА МЕТАЛЛА 3.1 ПЛОЩАДЬ ПОДА В методической зоне Площадь пода в методической зоне определим по формуле [4, с.15]: , (21) где – длина методической зоны, м. . В сварочной зоне , (22) где – длина сварочной зоны , м. В томильной зоне , (24) где – длина томильной зоны, м. . 3.2 ВНУТРЕННЯЯ ПОВЕРХНОСТЬ СТЕН И СВОДА В методической зоне Площадь поверхности стен и свода в методической зоне определим по формуле [4, с.15]: , (25) где – средняя высота методической зоны, м; – длина методической зоны, м. . . В сварочной зоне . где – средняя высота сварочной зоны , м. . В томильной зоне . где – средняя высота томильной зоны, м. . 3.3 СУММАРНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ВСЕХ ЭЛЕМЕНТОВ, ОКРУЖАЮЩИХ ГАЗОВЫЙ ОБЪЕМ В методической зоне Суммарную поверхность всех элементов, окружающих газовый объем найдем по формуле [4, c.16]: , (26) . В сварочной зоне , (27) . В томильной зоне , (30) . 3.4 ОБЪЕМ ПРОСТРАНСТВА, ЗАПОЛНЕННОГО ГАЗОМ В методической зоне , (31) . В сварочной зоне , (32 ) . В томильной зоне , (34) . 3.5 УГЛОВОЙ КОЭФФИЦИЕНТ ОТ КЛАДКИ НА МЕТАЛЛ В методической зоне , (35) . В сварочной зоне , (36) . В томильной зоне , (38) . 3.6 СРЕДНЯЯ ЭФФЕКТИВНАЯ ДЛИНА ЛУЧА В КАЖДОЙ ИЗ ЗОН Среднюю эффективную длину луча определим по формуле [4, c.17]: , (39) где – объем зоны, м3 . В методической зоне . В сварочной зоне . В томильной зоне . 3.7 НАХОДИМ ПРОИЗВЕДЕНИЕ ПАРЦИАЛЬНЫХ ДАВЛЕНИЙ ИЗЛУЧАЮЩИХ ГАЗОВ НА СРЕДНЮЮ ЭФФЕКТИВНУЮ ДЛИНУ ЛУЧА По рекомендации [4, c.18]: ; . (40) ; . В методической зоне . . В сварочной зоне . . В томильной зоне . . 3.8 ТЕМПЕРАТУРА В СВАРОЧНОЙ ЗОНЕ Принимаем по рекомендации [4, c.18] на 100÷150 °С выше конечной температуры поверхности металла °С. 3.9 СРЕДНЯЯ ТЕМПЕРАТУРА ГАЗОВ В МЕТОДИЧЕСКОЙ ЗОНЕ , (41) где – температура в сварочной зоне, °С; – температура уходящих газов, °С. °С. °С. 3.10 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ Степень черноты продуктов сгорания определяем по формуле [4, c.18]: . (42) В методической зоне ; ; . . В сварочной зоне Зона 1 ; ; . . В томильной зоне °С. °С. ; ; . . 3.11 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ МЕТАЛЛА По рекомендации [4, c.23] принимаем степень черноты равной εм =0,8. 3.12 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИВЕДЕННОГО КОЭФФИЦИЕНТА ИЗЛУЧЕНИЯ Определим приведенный коэффициент излучения по формуле [4, c.15]: . (43) Приведенную степень черноты по формуле [4, c.15]: . (44) . В методической зоне . В сварочной зоне . В томильной зоне . Для дальнейших расчетов принимаем среднее значение: . 3.13 РАСЧЕТ НАГРЕВА МЕТАЛЛА 3.13.1 РАСЧЕТ ТОМИЛЬНОЙ ЗОНЫ Время нагрева металла в томильной зоне найдем по формуле [4, c.24]: , (45) где – длина томильной зоны, м; Принимаем . – удельный вес стали, ; – число рядов посада, ; – толщина заготовки, ; – производительность печи, . . Чтобы рассчитать температуру металла в томильной зоне надо найти температуру его поверхности в момент перехода из сварочной зоны в томильную. Эта величина зависит от функций Ф1 и Ф2 . Температуру поверхности металла найдем по формуле [4, c.24]: . (46) Функции Ф1 и Ф2 находятся из графиков [4, с.25, рисунок 4], для определения которых требуется найти критерии Фурье , (47) и Био . (48) Для дальнейшего расчета и определения критериев нужно построить график зависимости теплопроводности и теплосодержания заданной марки стали от температуры. Данные для построения берутся из справочника [1]. t, °C λ i Рисунок 2 – зависимости и от температуры для стали 09Г2 (25ГС). Для нахождения коэффициентов и потребуется знать среднюю температуру металла в конце нагрева [4, c.25]: , (49) где – допустимая разность температур по сечению. При нагреве под прокатку допускается перепад температур 3÷5 °С/см. , , °С, Принимаем °С. °С. °С. По графику (рисунок 2) определяем: . , (50) где – удельный тепловой поток к металлу в конце нагрева. , (51) . Температура томильной зоны tтом определяется по формуле [4, c.27]: . (52) °С. . Определяем критерий Био по формуле [4, c.24]: . Определяем критерий Фурье: , где – коэффициент температуропроводности, . , (53) где – теплоемкость. . . Принимаем по рисунку 2 при °С, . . . . Определяем Ф1 и Ф2 по графику [4, c.25, рисунок 4]: ; . °С. Определим температуру центра заготовки при переходе из сварочной зоны в томильную [4, c.29]: , (54) где – перепад температур по сечению металла при переходе из сварочной зоны в томильную. , (55) где – удельный тепловой поток на поверхность металла при переходе из сварочной зоны в томильную. Принимаем по рисунку 2 при °С, . . (56) . °С ≈ 95 °С. °С. 3.13.2 РАСЧЕТ МЕТОДИЧЕСКОЙ ЗОНЫ Прежде всего определим, какое количество тепла получит 1 кг металла в каждой из зон, в том числе и методической. Это тепло определяется приращением теплосодержания металла . Общее приращение теплосодержания определяется по формуле [4, c.30]: , (57) где – конечное теплосодержание металла. . – начальное теплосодержание металла. . Принимаем начальную температуру металла °С. . В методической зоне , (58) где и – коэффициенты использования топлива соответственно в сварочной зоне и общий; – общее количество тепла, излучаемого из сварочной зоны в методическую; – производительность печи, кг/час. Определяем по формуле [4, c.31]: , (59) где – низшая теплотворная способность топлива. . – физическое тепло, внесенное с подогревом воздуха и газа. . (60) – практический объем воздуха, необходимого для горения топлива. Из расчета горения топлива . – теплосодержание воздуха [4, c.32, рисунок 7]. . – теплосодержание подогретого газа. В нашей печи газ не греется, и . . – количество тепла, уносимого из сварочной зоны. , (61) где – практический объем дыма, получающегося при горении 1 м3 топлива. Из расчетов горения . – теплосодержание газа в сварочной зоне при tсв = 1300 °С. . . Теперь можно определить : . Находим общий коэффициент использования топлива [4, c.33]: , (62) – тепло, уносимое уходящими газами. , (63) – теплосодержание уходящих газов при tух.г = 900°С. . . . Подсчитываем поток излучения . , (64) где – удельный тепловой поток излучения, который по практическим данным принимается равным . Принимаем . – площадь поперечного сечения печи на границе методической и сварочной зон. С учетом нижней половины методической зоны . . Теперь подсчитаем : . Теплосодержание металла при переходе из сварочной зоны в томильную при соответствующей температуре °С, . Тогда приращение теплосодержания в томильной зоне , а в сварочной зоне . Время нагрева металла в методической зоне определится через приращение теплосодержания [4, c.35]: , (65) где – половина толщины металла, м; – удельный вес металла; – коэффициент формы, ; – средний тепловой поток в методической зоне. , (66) где – удельный тепловой поток в начале методической зоны, , (67) . – удельный тепловой поток в конце методической зоны, , (68) – средняя температура металла в конце методической зоны, соответствующая его теплосодержанию, , °С. . Принимаем . . Подставим в уравнение (64). . Еще раз подставим в уравнение (64) и окончательно получим . Определим : , и время нагрева в методической зоне: . Температура поверхности металла в конце зоны: °С. Перепад температур по сечению металла в конце зоны: °С. Температура оси металла в конце зоны: °С. 3.13.3 РАСЧЕТ СВАРОЧНОЙ ЗОНЫ Время нагрева металла в сварочной зоне , (69) где – средний тепловой поток к поверхности металла в сварочной зоне. , (70) , тогда . Общее время нагрева металла в печи: , (71) . Удельная продолжительность нагрева: , (72) . 4 ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПЕЧИ 4.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕМКОСТИ ПЕЧИ Емкость печи определим по формуле [4, c.39]: , (73) где – производительность печи, кг. 4.2 ВЕС ОДНОЙ ЗАГОТОВКИ . (74) 4.3 КОЛИЧЕСТВО ЗАГОТОВОК, НАХОДЯЩИХСЯ В ПЕЧИ . (75) 4.4 ДЛИНА АКТИВНОГО ПОДА ПРИ ОДНОРЯДНОМ ПОСАДЕ . (76) 4.5 ПОЛНАЯ ДЛИНА ПЕЧИ Принимаем . . 4.6 ДЛИНЫ МЕТОДИЧЕСКОЙ И СВАРОЧНОЙ ЗОН . (77) . (78) (конструктивно). . . 4.7 ПЛОЩАДЬ АКТИВНОГО ПОДА . (79) 4.8 ПОЛЕЗНАЯ ПЛОЩАДЬ ПОДА . (80) 4.9 КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОДА ПЕЧИ . (81) 4.10 НАПРЯЖЕННОСТЬ АКТИВНОГО И ПОЛЕЗНОГО ПОДОВ . (82) . (83) 4.11 ВЫСОТА СВОДОВ ПО ЗОНАМ . . . 4.12 РАЗМЕРЫ И КОЛИЧЕСТВО ОКОН Принимаем размеры окон 300×465 мм. Расстояние между осями рабочих окон 1,5 м, между осями смотровых окон 2 м. в методической и сварочной зонах расстояние между осями окон принимаем 2000 мм, в томильной 1100 мм. Количество окон: В методической зоне – 6 пар смотровых окон и окно посада. В сварочной – в сварочной зоне 1: 4 пары окон, в сварочной зоне 2: 5 пар окон. В томильной – 5 пар окон и одно окно выдачи. Ширина окон посада B = 12,8 м; высота H = 0,5 м. Принимаем размеры торцевых окон посада и выдачи 12,8×0,5 м. 4.13 ПЛОЩАДЬ ОКОН В методической зоне . Окно посада . Итого . В сварочной зоне . . Итого . В томильной зоне . Окно выдачи . Итого . 4.14 ВЫБОР КЛАДКИ ПЕЧИ Для методической зоны на кладку свода идет шамотный кирпич класса А толщиной 300 мм, изоляционная засыпка (150 мм), для стен берут шамот класса А (300 мм), изоляцией служит трепеловый кирпич (250 мм). Для сварочной зоны на свод идет шамот класса А (300 мм), изоляционная засыпка (150 мм), на стены – шамот класса А (350 мм), трепеловый кирпич (120 мм). Для томильной зоны на кладку свода берут динас (300 мм), изоляцию (150 мм), на стены – шамот класса А (350 мм), изоляцию (120 мм). 5 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПЕЧИ 5.1 ПОТЕРИ ТЕПЛА ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ ЧЕРЕЗ КЛАДКУ Потери тепла через кладку определяются по формуле [4, c.42]: , (84) где – температура внутренней поверхности кладки; – температура окружающего воздуха, которую принимают равной 20 °С; – сумма тепловых сопротивлений слоев кладки; – толщина соответствующего слоя, м; – коэффициент теплопроводности слоя; – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности кладки в окружающую среду. По практическим данным . . – наружная поверхность кладки, м2 . Средняя температура огнеупорного слоя , (85) слоя изоляции , (86) где – температура на границе слоев. определяется по формуле: , (87) где – средняя температура поверхности металла в зоне; – степень развития кладки; – средняя температура газа в зоне; . 5.1.1 РАСЧЕТ ДЛЯ МЕТОДИЧЕСКОЙ ЗОНЫ Потери через стены . . . . . Принимаем среднюю температуру на границе слоев в методической зоне . Шамотного слоя , слоя изоляции . Теплопроводность при этих температурах шамота , изоляции . . Потери через свод . . Проверяем правильность принятых температур слоев кладки: . . Уточняем коэффициенты теплопроводности по найденным температурам ; . Уточненное значение потерь . Действительная температура на границе слоев . Температура наружной поверхности изоляции . Рисунок 3 – График изменения температуры кладки стен и свода методической зоны 5.1.2 РАСЧЕТ ДЛЯ СВАРОЧНОЙ ЗОНЫ Потери через стены . . . . . . .Принимаем среднюю температуру на границе слоев в методической зоне . Шамотного слоя , слоя изоляции . Теплопроводность при этих температурах шамота , изоляции . . Потери через свод . . Проверяем правильность принятых температур слоев кладки: . . Уточняем коэффициенты теплопроводности по найденным температурам ; . Уточненное значение потерь . Действительная температура на границе слоев . Температура наружной поверхности изоляции . Рисунок 4 – График изменения температуры кладки стен и свода сварочной зоны 5.1.3 РАСЧЕТ ДЛЯ ТОМИЛЬНОЙ ЗОНЫ Потери через стены . . . . . . . .Принимаем среднюю температуру на границе слоев в методической зоне . Шамотного слоя , слоя изоляции . Теплопроводность при этих температурах шамота , изоляции . . Потери через свод . . Проверяем правильность принятых температур слоев кладки: . . Уточняем коэффициенты теплопроводности по найденным температурам ; . Уточненное значение потерь . Действительная температура на границе слоев . Температура наружной поверхности изоляции . Рисунок 5 – График изменения температуры кладки стен и свода томильной зоны 5.1.4 ПОТЕРИ ТЕПЛА ЧЕРЕЗ ЭЛЕМЕНТЫ КЛАДКИ Таблица 2 Элемент Площадь, м2 Потери, Вт/м2 1 Свод и стены методической зоны 236 258171 2 Свод и стены сварочной зоны 351,31 390989 3 Свод и стены томильной зоны 193 199783 Итого 848943 Для покрытия потерь через под и металлическую арматуру печи полученную величину увеличиваем на 25%. . 5.2 ПОТЕРИ ТЕПЛА ИЗЛУЧЕНИЕМ ЧЕРЕЗ ОКНА ПЕЧИ Потери излучением через открытые окна печи подсчитываются по формуле [4, c.47]: ккал/час, (88) где F – площадь окна, м2 ; Ф – коэффициент диафрагмирования; Ψ – время открытия окон. В методической зоне Для окна посада Ψ = 1; Для смотровых окон Ψ = 0,2. Определение коэффициента диафрагмирования: a = 0,35 м; b = 1,5 м; l = 12 м. a/b = 0,2. По рекомендации [4, c.48, рисунок 10]: l/a = 34,3; a/l = 0,03. Для окна посада Ф = 0,65; Для смотровых окон Ф = 0,56. Средняя температура газа в методической зоне . . В сварочной зоне Площадь окон Fок = 2,93 м2 . Для смотровых окон ψ = 0,2. Средняя температура газа в сварочной зоне . Коэффициент диафрагмирования Ф = 0,56. . В томильной зоне Площадь рабочих окон Fок.р = 1,63 м2 ; Площадь окна выдачи Fок.выдачи = 6,4 м2 . Для рабочих окон ψ = 0,3; Для окна выдачи ψ = 0,6. Средняя температура газа в томильной зоне . Для рабочих окон Ф = 0,56; Для окна выдачи Ф = 0,65. . Суммарные потери излучением через открытые окна . Тепловые потери через закрытые окна Условно примем тепловой поток через закрытые окна . Общие потери тепла через открытые и закрытые окна . 5.3 ПОТЕРИ ТЕПЛА С ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ВОДОЙ Продольные трубы 10 продольных труб. Расстояние между продольными трубами 1,2 м. Диаметр труб 69/89. Опорные трубы Lмет = 12,6 м; Lсв = 16,4 м. Lсв и мет = 29 м. Расстояние между опорными трубами – Lм.оп.тр = 1,2 м. Определение количества опорных труб nоп.труб = Lсв и мет / Lм.оп.тр = 29/1,2 = 24 шт. 10 труб в методической зоне; 14 труб в сварочной зоне. Примем температуру входящей воды t1 = 20°C, а выходящей t2 = 50°C. Потери тепла рассчитываются по формуле [4, c.51]: , (89) где K – коэффициент теплопередачи; F – поверхность труб, м2 ; Δtср – среднелогарифмический температурный напор. Коэффициент теплопередачи находится по формуле , (90) где – средняя температура газа в печи, ; – средняя температура стенки трубы. Ее принимаем равной 80°С. . Поверхность глиссажных труб . Среднелогарифмеческий температурный напор . Поток охлаждения . Определим потери тепла в опорных трубах по зонам В методической зоне Поверхность опорных труб . Средний температурный напор . Коэффициент теплопередачи . Потери тепла . В сварочной зоне Поверхность опорных труб . Средний температурный напор . Коэффициент теплопередачи . Потери тепла . Итого потери тепла с охлаждающей водой . Этот результат увеличиваем на 10÷15% ввиду того, что не учитывались потери тепла с охлаждающей водой в отбойниках, водоохлаждаемых крышках и других элементах. . 5.4 РАСХОД ТЕПЛА НА НАГРЕВ МЕТАЛЛА 5.4.1 ОБЩЕЕ КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛА, УСВОЕННОЕ МЕТАЛЛОМ . 5.4.2 ТЕПЛО, ВЫДЕЛИВШЕЕСЯ ПРИ ОБРАЗОВАНИИ ОКАЛИНЫ , (91) где 1350 ккал/кг – тепловой эффект экзотермической реакции окисления 1 кг железа; δ – угар металла, составляющий от 0,5 до 2%. Принимаем δ = 2%. . 5.4.3 ПОТЕРИ ТЕПЛА С ОКАЛИНОЙ , (92) где – вес окалины, образующейся за час; – теплосодержание окалины. , (93) где m = 1,38 – вес окалины, образующейся в результате горения 1 кг железа. . , (94) где С – теплоемкость окалины. С = 0,3 ккал/кг·°С = 1,253 кДж/кг·°С. . . 5.4.4 ТЕПЛО, УСВОЕННОЕ МЕТАЛЛОМ ОТ ОКИСЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА . (95) 5.4.5 ТЕПЛО, УСВОЕННОЕ МЕТАЛЛОМ ОТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА . (96) 5.4.6 ОБЩИЙ РАСХОД ТЕПЛА В ПЕЧИ (97) 5.5 ТЕПЛОВЫЕ МОЩНОСТИ И РАСХОД ТОПЛИВА 5.5.1 РАБОЧАЯ ТЕПЛОВАЯ МОЩНОСТЬ . (98) 5.5.2 МОЩНОСТЬ ХОЛОСТОГО ХОДА .(99) 5.5.3 ОБЩАЯ ТЕПЛОВАЯ МОЩНОСТЬ (100) 5.5.4 ЧАСОВОЙ РАСХОД ТОПЛИВА . (101) 5.5.5 УДЕЛЬНЫЙ РАСХОД ТОПЛИВА . (102) 5.5.6 УДЕЛЬНЫЙ РАСХОД УСЛОВНОГО ТОПЛИВА ; (103) или . (104) 5.5.7 КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ПЕЧИ . (105) 5.5.8 ПОТЕРИ ТЕПЛА С УХОДЯЩИМИ ГАЗАМИ . (106) при tух.г = 850°С. . 5.5.9 ТЕПЛО, ВНЕСЕННОЕ С ПОДОГРЕТЫМ ВОЗДУХОМ . (107) при tВ = 410°С. . 5.5.10 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ТЕПЛОИСПОЛЬЗОВАНИЯ Коэффициент полезного теплоиспользования определяем по формуле: , (108) где B – часовой расход топлива, м3 /ч. . 5.5.11 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПЛИВА Коэффициент полезного теплоиспользования определяем по формуле: , (109) . 5.6 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПЕЧИ Таблица 3 – Тепловой баланс печи Приход тепла Расход тепла Статьи Обозначение Вт % Статьи Обозначение Вт % 1. Общая тепловая мощность MO 134051066 80,1 1. Тепло, усвоенное металлом от горения топлива Мусв 71217755 42,53 2. Тепло, внесенное подогретым воздухом QГ.В 23971680 14,3 2. Тепло, усвоенное металлом от окисления железа Qусв 6021745 3,6 3. Тепло, выделившееся при образовании окалины Qэкз 9436500 5,6 3. Потери тепла с окалиной Qок 3414755 2,014 Итого Σ 167459246 100 4. Потери тепла с охлаждающей водой ΣQ5охл 27948820 16,7 5. Потери тепла теплопроводностью через кладку Q5кл 1061179 0,64 6. Потери тепла излучением через окна печи ΣQ5изл 1382954 0,83 7. Потери тепла с уходящими газами Qух.г 56400893 33,68 8. Прочие потери 11145 0,006 Итого Σ 167459246 100 6 ВЫБОР ГОРЕЛОК Сварочная зона (сварочная зона 1 и сварочная зона 2). В сварочной зоне 30 горелок типа «труба в трубе»: 8 горелок в торце в одном ряду, расположение в 1 ряд. По бокам – 7 горелок с каждой стороны. Рисунок 6 – Горелка типа «труба в трубе» большой тепловой мощности По рекомендации [5, c.144] выбираем конструктивные размеры горелки. Таблица 4 Обозначение горелки dг dн.г. D D1 D2 D3 D4 D5 D6 ДВБ 200/200 200 200 295 335 300 400 440 100 180 D7 D8 D9 D10 d Н Н1 h h1 h2 215 340 100 150 18 350 200 26 28 22 L L1 L2 L3 Количество отверстий 555 1333 1075 500 n n1 n2 8 12 8 Томильная зона. В томильной зоне 22 горелки типа «труба в трубе»: 8 горелок в торце в одном ряду, расположение в 2 ряда. По бокам – 3 горелки с каждой стороны. 7 РАСЧЕТ РЕКУПЕРАТОРА Исходные данные для расчета: 1. Часовой расход топлива – 15086 м3 /час; 2. Расход воздуха на 1 м3 топлива – 8,86 м3 /м3 ; 3. Количество продуктов горения от 1 м3 топлива – 10,35 м3 /м3 ; 4. Температура подогрева воздуха tВ " = 410°C; 5. Температура холодного воздуха tВ ' = 20°C; 6. Температура уходящих из печи газов tД ' = 850°C. Скорость воздуха в трубчатом рекуператоре рекомендуется принимать равной 5-10 м/сек, а дыма – 2-4 м/сек. Выбираем по рекомендации [4, c.59] скорость воздуха WОВ = 8 м/сек, а дыма – WОД = 2 м/сек, принимаем систему противотока. 7.1 ПОВЕРХНОСТЬ НАГРЕВА Поверхность нагрева найдем по формуле [4, c.59]: , (110) где – коэффициент теплопередачи; – воспринятое воздухом тепло; – среднелогарифмический температурный напор. 7.2 ЧАСОВОЙ РАСХОД ВОЗДУХА И ДЫМА Часовой расход воздуха: ; Часовой расход дыма: . 7.3 ЧАСОВОЕ КОЛИЧЕСТВО ДЫМА Часовое количество дыма, проходящее через рекуператор, с учетом потерь дыма на выбивание и других потерь , (111) где – коэффициент, учитывающий выбивание дымовых газов на пути от рабочего пространства печи до рекуператора, m = 0,8÷0,85, принимаем m = 0,8; – коэффициент, учитывающий подсос воздуха в борове, принимается . . 7.4 СРЕДНЕЛОГАРИФМИЧЕСКИЙ ТЕМПЕРАТУРНЫЙ НАПОР Среднелогарифмический температурный напор найдем оп формуле [4, c.60]: , (112) где и – начальные температуры дыма и воздуха на входе в рекуператор; и – конечные температуры дыма и воздуха при выходе из рекуператора. Температура дыма перед рекуператором определяется через теплосодержание его с учетом того, что дым охлаждается подсосанным воздухом . (113) Температура дыма за рекуператором находится по формуле , (114) где и – начальное и конечное теплосодержание воздуха. Для температур 20°С и 410°С соответственно ; . – коэффициент, учитывающий потери тепла в рекуператоре. . . . 7.5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ Для определения коэффициента теплопередачи воспользуемся формулой [4, c.61]: , (115) где и – коэффициенты теплоотдачи соответственно на дымовой и воздушной стороне; – тепловое сопротивление стенки рекуператора. Ввиду его незначительности величиной пренебрегают. Величина определяется следующим образом: . (116) зависит от средней температуры дыма и эффективной толщины газового слоя Sм. . , (117) где и – шаг труб, принимаем . . По рекомендации [4, с.64, рисунок II]: . найдется по формуле: , (118) где С – константа. . (119) . Общий коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне . Коэффициент теплоотдачи на воздушной стороне определяется по формуле [4, с.63]: , (120) где – средняя температура воздуха в рекуператоре. . . . Воспринятое воздухом тепло находим через приращение теплосодержания воздуха: . (121) ; . . . 7.6 ПОВЕРХНОСТЬ НАГРЕВА РЕКУПЕРАТОРА . (122) 7.7 КОМПОНОВКА РЕКУПЕРАТОРА 7.7.1 ЧИСЛО ТРУБНЫХ U -ОБРАЗНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ . (123) 7.7.2 СРЕДНЯЯ ПОВЕРХНОСТЬ ОДНОГО ТРУБНОГО ЭЛЕМЕНТА . (124) 7.7.3 СРЕДНЯЯ ДЛИНА ОДНОГО ТРУБНОГО ЭЛЕМЕНТА , (125) где dср – средний диаметр трубы. ; . 7.7.4 ЧИСЛО ТРУБ В РЯДУ, ПЕРПЕНДИКУЛЯРНОМ ДВИЖЕНИЮ ДЫМА , (126) , , (127) . 7.7.5 ЧИСЛО ТРУБ ПО ХОДУ ДЫМА В РЕКУПЕРАТОРЕ . (128) 8 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТРАССЫ 8.1 СОСТАВЛЯЕМ РАСЧЕТНУЮ СХЕМУ ТРУБОПРОВОДА Рисунок 7 – Схема трубопровода 8.1.1 ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ РАЗМЕРЫ       L1-2 = 2,5 м L5 -6 = 4,5 м L8 -9 = 0,8 м L3 -4 = 4 м L6 -7 = 4,5 м L9 -10 = 5 м L4 -5 = 4 м L7 -8 = 0,5 м L10 -11 = 2,5 м L1 1 -1 2 = 12 м