Расчет камерной печи со сводовым отоплением

Теплообмен излучением в нагревательных колодцах (а он преобладает) — процесс с чрезвычайно сложной геометрией, поскольку каждый слиток имеет четыре грани, участвующих в теплообмене. Слитки в процессе нагрева окисляются, их радиационные характеристики сложны и почти неопределенны. Изменяются и радиационные характеристики

огнеупорной футеровки. Для нагревательных колодцах крайне сложная и трудоемкая работа. По этой причине достаточно представительных исследований такого рода очень немного. 

 

2.Расчет горения топлива 

   При расчете  горения топлива будем пользоваться  методом объемных количеств, т.к.  топливо и окислитель находятся  в одинаковом фазовом состоянии,  т.е. имеем гомогенное горение.  Топливо - природный газ.

   Составляющие  сухого газа: =87.78%; = 4.84%; =1.48%;

  =0.586%; =0.452%; =0.581%; =1.267%; =4.95*(0.06He)%.

Т.к. содержание < 3%, то принимаем .

Расчет ведем  по влажному составу.

Состав влажного газа определяется умножением соответствующих  компонентов сухого газа на коэффициент  перерасчета, который определяется из следующего выражения:

,  ,

где  - содержание влаги в газе по объему, %

- содержание водяных паров  в сухом газе,

803,6 – плотность  водяных паров при нормальных  физических условиях, .

Содержание влаги  в сухом газе принимается по температуре  насыщения (таблица 5, [1]).Температуру  берем 25⁰C.

3,13%.

Коэффициент перерасчета  сухой массы во влажную равен:

0,9687. 
 

Во влажном  газе содержаться следующие составляющие:

4,84 0,9687=4,688%; =1,48 0,9687=1,433%;

=0,452 0,9687=0,437%; =87,78 0.9687=85,032%;

=1,267 0.9687=1,227%; =0.581 0.9687=0.562%;

=0,297 0.9687=0,287%.

Определение теоретически необходимого воздуха начинается с  определения количества кислорода  для полного сжигания горючих  составляющих топлива по формулам реакций  окисления. По найденному количеству кислорода  определяется количество поступающего с ним в печь азота, исходя из соотношения  их в воздухе(по объему).

.

Определяем расход кислорода на горение природного газа [1]:

=0.01[(m+ ) + ]=0.01 [(1+ ) 85,032+(2+ ) 4,688+

+(3+ ) 1.433+(4+ ) 0,567+(2+ ) 0.437+1,227]=1.98 ;                          

  Определяем теоретический расход воздуха [1]:

  =(1+k) = (1+3.762) 1.98=9,428 .

  Для определения  действительно необходимого количества  воздуха для полного сжигания  топлива необходимо учесть коэффициент  избытка воздуха α_в =1.05 [1]:

= α_в =1,05 9,428=9,899 .

  Определяем объем продуктов горения [1]:

0.01 (0,562+85,032+2 4,688+3 1.433+4 0.567+2 0,437+1,227)=1,036 ;

=0.01 [ 85,032+ 4,688+ 1.433+ 0,567+ 0.437+0.124 0]= 1.936 ;

  0.01 0,287+3.762 1.98=7.45 ;

  Определяем теоретический объем продуктов горения, при α_в =1 [1]:

1,036+1.936+7.45=10,42 ;

 Определяем  действительный объем продуктов  горения [1]:

10,42+(1,05-1) 1,89 (3,762+1) 1 =10,891 ;

Определяем состав продуктов горения [1]:

(1,036/10.891) 100%=9.51%;

(1,936/10.891) 100%=17.77%;

3.762 (1.05-1) 1.98=0.372 ;

=71.82%;

0.099 ; 

  0.909%.

  

Плотность продуктов  полного горения определяется по формуле [1]:

1.23 ;

 
Таблица 1- Табличный  расчет газообразного топлива

 
 

Материальный  баланс процесса горения

α_в =1.05

 Поступило: 

 Природный  газ - 100м³;

=85.032 (12+4)/22.4=60,73 кг;

=4,688 (24+6)/22,4=6,278 кг;

=1,433 (36+8)/22,4=2,814 кг;

=0,567 (48+10)/22,4=1,468 кг.

=0.437 (24+4)/22.4=0,546 кг;

=0,287 28/22,4=0,358 кг ;

=0,562 (12+32)/22,4=1,104 кг;

Воздух-993.1871м³;

=32 208,5652/22,4=297,95 кг;

=784,6219 1,25=980,77 кг.

Всего 1352,02 кг.

Получено:

Продуктов горения-1108.8 м³;

В том числе  и в кг:

=107,5315 44/22,4=211,22 кг;

=206,534 18/22,4=165,96 кг;

=784,923 1,25=981.15 кг; 

=9,9 32/22,4=14,14 кг.

Всего 1372,47 кг.

Вывод: При составлении материального баланса видно, что поступило 1352.02 кг. топлива, а получено 1372,47 кг. Расхождение составляет 1,45%.Это связано с погрешностью вычислений единиц топлива.

Определение теплотворной способности топлива.

Для определения  теплотворной способности топлива  будем использовать эмпирические формулы.

Для газообразного  топлива [2]:

=358,5 +590 +637 +912 +1185 +234 =

=358,5 85,032+590 0,437+637 4,688+912 1,433+1185 0,567+234 1,227=35993.86 ;

В соответствии с заданием определяем калориметрическую  температуру горения при коэффициенте расхода воздуха α_в =1.05, при температурах подогрева воздуха = 200⁰C .

Определяем начальную  энтальпию продуктов сгорания [2]:

= = ;

V_п.г. - объем продуктов горения при α_B =1.05;

с_в - средняя теплоемкость воздуха при t_B=200°С;

V_B - действительный расход воздуха.

Задаемся значением  t_k = 2100°С. Энтальпия продуктов сгорания при этой

температуре равна [1]: =9.51 5186.81/100 = 493.2 ; =17,77*4121.79/100 = 732.4 ; =71,82 3131.96/100 = 2249,3 ; =0.909 3314.85/100 = 30.13 .

= + + - = 493.2 +732.4+ 2249,3- 30.13= 3444,77 .

Так как i₂₁₀₀<i₀,то искомая калориметрическая температура выше, чем t_k =2100°С. Задаемся = 2200°С, в этом случае энтальпия продуктов сгорания равна[1]:

=9.51 5464.2/100 = 519.6 ;

= 17,77 4358.83/100 = 774,56 ;

71,82 3295.84/100=2367 ;

0.909 3487.44/100=31,7 ;

- =519.6+774,56+2367-31,7=3692.86 .

Так как  , то искомая калориметрическая температура ниже и  равна 100=2100+ 2100.39⁰С.

Рассчитываем  действительную температуру горения [3]:

⁰С.

- пирометрический коэффициент,  который для методической печи  равен 0.75 [1].

- температура печного пространства.

 

Определение основных геометрических размеров 
 

р_м=7800 кг/м³;

m=ρ_m∙V

V=S-l=πl∙d*/4;

m=7800∙3,14∙0,7∙0,08²/4=27,43 кг;

n=Р/т=4000/ 27,43=104 заготовки. 

Расположим заготовки  на поду печи в 4 ряда с зазорами, т.е. по 36 заготовки в ряд.

Длина рабочего пространства печи равна: 

L=36∙80+35∙80+2∙200=28802800+400=6080 мм = 6,08 м. 

Ширина рабочего пространства печи: 

В=4∙700+2∙200+3∙200=3800мм = 3,8 м,

где расстояние между рядами принято в 200 мм и  расстояние до стен печи тоже 200 мм. 

Высоту печи принимаем 1,2 м. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Расчет  времени нагрева 

Расчет  теплообмена 

Определяем площадь поверхности кладки:

F_кл=F_{торц.ст}+F_бок.ст+F_св+F_под = 2Bh+2Lh+BL+BL= = 2∙3,8∙1,2+2∙6,08∙1,2+2∙3,8∙6,08=69,92 м². 

Излучающая поверхность  металла:

F_m=( πl∙d /+2 π∙d²/4)=146∙ (3,14∙0,08∙0,7+2∙3.14∙0,08²/4)= 27,14 м².  

Объем рабочего пространства:

V_м= BLh=3,8∙6,08∙1,2 =27.72

Объем металла:

V_M= nl∙πd²/4=0,5135 м³. 

Объем рабочего пространства, заполненного газом будет  равен:

V_г= V_p.n.- V_M=27,72-0,51=27,2 м³.

Эффективная длина  луча равна:

S_эфф= 3.6∙ V_г / F_кл +F_м=97,92/97,06=1,0089 м. 

Степень черноты  газа:

Pco₂⁼Ph∙V_co2=1 0000∙0,0951=9,51 кПа;

Ph₂O⁼Ph∙Vh₂O=10000∙0,1717=17,77 кПа;

Р co₂∙ S_эфф =9,51∙1.0089=9.5946 кПа∙м;

Рh₂O∙ S_эфф =17,77∙1.0089=17,928 кПа∙м; 
 
 

По номограмме на рис. 13-15 в работе [2] находим степень черноты:

є co₂=0,12; єh₂O =0,18; β=1,1;

€ ^М_Г= є _С02+ β ∙ є h₂O=0,12+1,1∙0,18=0,318. 

Угловые коэффициенты рассчитываются по формуле:

Φк.м. = F_M / F_M+ F_кл=0.28;

Φм.к. = F_кл / F_M + F_кл =0,72;

Φм.м. = F_м / F_M + F_кл =0,28.

Степень черноты  металла принимаем равной 0,8.

С _г.к.м   =   5.67∙є_м є _г/ є _г+ Φк.м.(1- є _г)=2,8 Вт/м²К⁴; 

Степень черноты  системы:

С _печ-м   =   5.67∙є_м Φм-к. / 1- Φм.м.(1- є _м)=3.46 Вт/м²К⁴. 

Расчет  температуры печи в конце нагрева 

Определение температуры  печи в конце нагрева слитка.

R = 0.05(м) 

Коэффициент теплопроводности в конце нагрева:

λ_к = 35 (вт/м²-град.)  

Тепловой поток  в конце нагрева:

 q_к=2∙∆t_к λ_к/R=2∙25∙35/0.05 =3600(вт/м²∙град.). 

Температуру печи в конце нагрева определяем из закона Стефана-