Расчет печи с неподвижным подом

Министерство образования  и науки Украины

Украинский государственный  химико-технологический университет

 

 

 

 

 

Кафедра энергетики

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

по  дисциплине «Высокотемпературные процессы и установки»

 

тема: "Расчет камерной печи с неподвижным подом"

 

 

 

 

 

                                                                          выполнила:       ст. гр.4-ЕТТ-51

                                                                                                  Амбарцумян А.Н.

                                                                          проверил:        Булычов В. В.

 

 

                                                                                                          

 

 

 

 

 

 

 

г. Днепропетровск

2013 г.

 

 

 

Содержание

 

1.Вступление……………………………………………………………………2

 

2.Исходные данные…………………………………………………………..…3

3. Расчёт горения топлива……………………………………………….……..4

 

4. Размеры рабочего пространства печи………………………………………4

 

5.Расчет теплообмена ……………………………………………………..........5

 

6. Расчет нагрева металла…………………………………………...…….……6

 

7. Первый период нагрева…………………………………………………..….7

 

8. Второй период нагрева…………………………………………………..…..9

 

9. Тепловой баланс печи……………………………………………………….11

 

10. Тепловая мощность и расход топлива……………………………………..13

 

11.Литература…………………………………………………………………..16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступление

 

Камерные печи -  обобщённое название группы промышленных печей, в которых изделия остаются неподвижными относительно печи в течение всего периода нагрева. Камерные печи применяют для нагрева металлических заготовок перед прокаткой и ковкой, для термической обработки металлических и стеклянных изделий, обжига керамических и эмалированных изделий. Камерные печи классифицируют по конструкции: вертикальная печь, колпаковая впечь, нагревательный колодец, печь с выдвижным подом, ямная печь и др.

Если в камерных печах одновременно находятся несколько изделий, а загружают и выдают их по одному, то температура печи постоянна. При сложных режимах обработки, когда изделия необходимо нагревать (или охлаждать) с определённой скоростью, температуру печи соответственно изменяют.

 Камерные печи отапливают газом или жидким топливом. Термические камерные печи, работающие с атмосферой контролируемого состава, обогревают электрическими нагревателями сопротивления или радиантными трубами. Часто электрический обогрев целесообразен для обеспечения точности режима термической обработки и при нагреве без атмосферы контролируемого состава. Наиболее широко распространены камерные печи с неподвижным подом, применяемые в кузнечных цехах.         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исходные  данные.

 

 

 

Топливо ……………………………… Коксо-доменный газ

 

Вид термообработки…………………нагрев под закалку

 

Нагреваемые изделия………………...заготовки  квадратного сечения

                                                                75х75 мм, длина 350 мм.

 

Марка стали…………………………..45Х

 

Способ укладки заготовок……………на поду печи с зазорами

 

Колличество заготовок в печи………..20 шт.

 

Начальная температура  металла………t₀=20

 

Конечная температура нагрева

поверхности заготовки……………….t_{п. к} =850

 

Конечный перепад температур

по сечению заготовки…………………..               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Расчёт горения топлива

 

 Газ: Коксо-доменный

 

Таблица1. Состав продуктов сгорания

СН4,%	Н2, %	СО, %	Н2О,%	СО2,%	О2, %	N2, %	Qpн,кДж сухого	СmНn, %
7,20	15,50	20,80	2,3	9,20	0,2	42,20	7730,55	0,60

 

Влагосодержание принимаем d_в=0;

Коэффициент расхода воздуха  n=1,15;

Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания газа:

L_o=0,0476·[0,5·СО+0,5·Н₂+2·СН₄-O₂]·(1+0,00124·d_в)=0,0476·[0,5·20,8+0,5·15,5+2·7,2-0,2]х(1+0.00124•0)=1,54 м³/ м³.

Действительное количество воздуха:

L_д = n L_o

L_д = 1,15·1,54 =1,771 м³/ м³

Процентный состав продуктов сгорания:

Плотность продуктов сгорания:

 

 

 

Размеры рабочего пространства печи.

 

Длина рабочего пространства печи:

L=

Ширина рабочего пространства печи:

B=

Высота рабочего пространства печи в замке свода:

H= 1400 мм =1,4 м         (принимается конструктивно).

-высота боковой стенки, принимается  1,2м

 

м

 

 

Расчет теплообмена.

 

Определяем геометрические параметры  излучения. Поверхность кладки:

Излучающая поверхность металла:

где n-количество заготовок в печи;

S- толщина нагреваемого материала, м;

- длина нагреваемого материала, м.

Объем рабочего пространства печи:

Объм металла:

Объем рабочего пространства, заполненного газом:

Эффективная толщина газового слоя:

 

 

Степень черноты газа:

где  парциальные давления СО₂  и Н₂О  в дымовых газах, Мн/м.

 

Приведенный коэффициент излучения “газ-кладка-металл”.

Принимаем

Приведеный  коефициент излучения при 

 

 

 

 

 

Таблтца2. Значения

в зависимости от температуры газа

 

900	0,20	3,33
1000	0,18	3,21
1100	0,16	3,07
1200	0,15	2,99
1300	0,14	2,90

 

Приведенный коефициент излучения:

Угловые коефициенты  определяются:

 

_Тогда

 

Расчет нагрева  металла.

 

Состав стали 45Х следующий:

С=0,40-0,50%          Mn=0,50-0,80%           Cr=0,8-1,1%            Si=0,15-0,35%

Для расчетов принимаем такой состав:

 С=0,45%          Mn=0,7%           Cr=1%            Si=0,3%

Коефициент  теплопроводности стали:

70-10С-16Mn-33,7Si=

коефициент теплопроводности стали при 0

70 - коефициент теплопроводности чистого железа, Вт/м град

 

Плотность стали:

 

7880-40С-16Mn-73Si=

 

Принимаем следующий режим нагрева: первый период – нагрев при постоянной температуре печи ( ); второй период – выравнивание температур при условии постоянства тнмпературы поверхности( ). Нагрев – односторонний.

 

Первый период нагрева. Допустимая разность температур:

град.

Для стали 45Х:

Тепловое  сопротивление нагреваемого металла:

Так как  теапературные напряжения должны учитываться  при нагреве стали до 500 , то определяем:

Где берем из рис.1.

Допустимая температура печи при 

Температуру печи в первом периоде  нагрева принимаем несколько  ниже допустимой: .

Разобьем первый период нагрева  на два интервала по температуре  поверхности: первый интервал – от до ; второй интервал – от до .

 

Первый интервал. Начальный тепловой поток:

 

Где 1,1- коэфициент, учитывающий 10% на теплоотдачу конвекцией, так как температура дымовых газов выше 800 .

Тепловой поток в конце первого  интервала:

 

Коэфициент теплоотдачи в начале нагрева:

Коэфициент теплоотдачи в конце  первого интервала:

Среднее значение коэфициента теплоотдачи:

Среднее значение коэфициента теплопроводности:

Критерий Био:

 

Температурный критерий поверхности

Критерий  Фурье Fo=4,1. температурный критерий центра Ф_ц1=0,32.

Так как  нагрев односторонний, то под температурой центра имеется ввиду температура нижней поверхности заготовки. Температура центра заготовки в конце первого интервала нагрева:

Уточняем  значение коэффициента теплопроводности по приближенному значению , а затем соответственно уточняем рассчитанные выше величины:

 

Критерий Фурье Fo=3,9. Температурный критерий центра Ф_ц1=0,35.

Перепад температур по сечению заготовки  в конце первого интервала:

Средняя температура по сечению заготовки:

Расчетная теплоемкость в первом интервале:

Теплосодержание стали 45Х определяем по рис.2:

Среднее значение коэффициента температуропроводности в первом интервале:

Время нагрева в первом интервале:

Температура газа в начале нагрева:

Температура газа в конце первого  интервала:

Температура кладки в начале нагрева:

Где температура кладки в конце нагрева; определяется при расчете второго интервала ;

По опытным данным внутренняя поверхность  кладки небольших камерных печей  остывает за период выгрузки и загрузки материала на 100-150 град.

Второй интервал.

Расчет нагрева во втором интервале  производиться так же, как и в первом. При расчете температурных критериев поверхности и центра и , а также расчетной теплоемкости вместо начальной средней температуры в первом интервале нужно брать среднюю температуру металла в конце первого интервала нагрева =671 .

Таким образом

Тепловой поток в конце второго  интервала:

 

 

 

Результаты расчета во втором интервале

=830   =425сек=0,11ч   =1065    =950   

Общее время нагрева в первом периоде:

 

ч

По данным расчета строим график( рис.1)

 

Второй период нагрева. Степень выравнивания температур:

Коэффициент выравнивания температур при  для пластины .

Среднне значение коэффициента теплопроводности во втором периоде:

Средняя температура в конце  второго и третьего интервалов:

 

 

Расчетная теплоемкость во втором периоде:

 

Среднее значение коэффициента температуропроводности:

 

Продолжительность выравнивания температур:

ч

Продолжительность выдержки при термообработке для завершения структурных превращений по литературным данным принимается равной примерно двойному времени выравнивания:

ч

Окончательно принимаем  =1,11ч

Тепловой  поток в конце выдержки:

Температура газа в конце выдержки

Температура печи в конце выдержки

Температура кладки в конце выдержки

Общее время нагрева под закалку:

Максимальная разность температур между поверхностью и центром:

Время возникновения максимума:

Емкость печи:

Производительность печи:

 

 

 

Напряженность пода печи:

 

 

Тепловой баланс печи.

 

Расходные статьи теплового баланса. Расход тепла на нагрев металла:

Находим тепло, аккумулируванное кладкой печи. Футеровка печи состоит из шамота, причем толщина стен , свода .

Средняя температура внутренней поверхности  кладки за первый период:

Средняя температура по сечению  кладки:

Коэффициент теплопроводности шамота:

Теплоемкость шамота:

Тепло аккумулированное кладкой:

Размеры окна следующие: ширина b=1200мм, высота а=500мм, толщина кладки l=350мм.

Время посадки и выдачи принимаем  по 7 мин ( ).

Потери тепла излучением при посадке: