Расчёт секционной печи для нагрева труб

Национальный Исследовательский Технологический Университет МИСиС Кафедра ТЭМП Курсовая работа по курсу:

" Теплотехника"

Тема:

" Расчёт секционной печи для нагрева труб"

выполнила студентка группы Т6−09−2

Мелентьева Л.

Москва 2012

• 1. Описание секционной печи
• 1.1 Общие характеристики секционных печей
• 1.2 Особенности теплопередачи
• 1.3 Особенности расчета нагрева металла
• 2. Расчёты
• 2.1 Расчёт теплообмена в рабочем пространстве печи
• 2.2 Расчёт нагрева труб в секции
• 2.3 Расчёт горения топлива
• 2.4 Тепловой баланс печи
• 2.5 Результаты расчета теплового баланса
• 2.6 Основные размеры и параметры печи
• 2.7Выбор типа и мощности горелок
• Вывод

1. Описание секционной печи

1.1 Общие характеристики секционных печей

Секционные печи скоростного нагрева применяют для нагрева больших партий однородного сортамента трубной заготовки и труб диаметром до 200 мм и длиной не менее 2,5−3 м. Иногда в этих печах нагревают квадратную заготовку небольших размеров.

Секционные печи (рис. 3.1) состоят из установленных в одну линию отапливаемых камер. (секций) и расположенных между ними неотапливаемых тамбуров, в которых находятся транспортирующие ролики. Ролики косо расположены, что обеспечивает непрерывное вращение заготовки во время нагрева. Заготовки можно перемещать в печи в один, два или три ряда (ручья). Каждая секция имеет самостоятельное отопление и дымоотбор; несколько секций объединяют в общую систему регулирования (зону). Длина секции 1,5 — 1,75 м, поперечные размеры на 0,4−0,6 м больше поперечных размеров нагреваемой заготовки длина неотапливаемого тамбура 0,35−0,5 м.

1.2 Особенности теплопередачи

Ввиду небольшой длины температура продуктов сгорания и кладки в каждой секции является примерно постоянной. В целом по печи температура в первых по ходу металла секциях может повышаться от секции к секции, ав последних перед выдачей секциях может быть несколько ниже. Для осуществления скоростного нагрева в секционных печах поддерживают более высокую разность температур между рабочим пространством печи и нагреваемой заготовкой, чем в других печах. Нагрев происходит в основном излучением, однако благодаря небольшому объему рабочего пространства продукты сгорания, вылетающие из горелок, сохраняют высокие скорости. Кроме того, их направляют или прямо на заготовку, или по касательной к ней, создавая вокруг нее вращающийся с высокой скоростью поток газов. Поэтому конвекция в секционных печах играет существенную роль и ее необходимо учитывать при расчете.

1.3 Особенности расчета нагрева металла

При расчете нагрева металла в секционной печи каждая секция является расчетным участком. Температуру продуктов сгорания и кладки в секции считают постоянной. Расстояние от нагреваемого металла до кладки в секционных печах невелико, поэтому при расчете газовый слой в секциях считают лучепрозрачным. Нагрев рассчитывают только излучением кладки. В результате вращения заготовок во время транспортировки обеспечивается их всесторонний нагрев. При всестороннем нагреве и небольшой толщине нагреваемых заготовок они являются теплотехнически тонкими телами.

Таким образом, расчетная схема нагрева заготовок в секционной печи — всесторонний нагрев тонкого тела при постоянной температуре окружающей среды. Особенностью нагрева металла в секционных печах является то, что между секциями он попадает в неотапливаемые тамбуры. Тепло попадает в тамбур с горячим металлом, а также излучением из секции, а теряется через ролик и стенки тамбура. В зависимости от соотношения поступающего и теряемого тепла заготовка в тамбуре может нагреваться или остывать.

секционная печь тепловой баланс

2. Расчёты

2.1 Расчёт теплообмена в рабочем пространстве печи

Площадь наружной поверхности трубы (на 1 метр длины):

Площадь внутренней поверхности кладки секции (на 1 метр длины):

Угловой коэффициент излучения кладки на трубу:

Приведённый коэффициент излучения:

Вт/ (м²*К⁴)

где C_s=5,77 Вт/ (м²*К⁴) — приведённый коэффициент излучения а. ч. т.; е_м= е_кл=0,8 — степени черноты металла и кладки соответственно.

Приведённый коэффициент излучения с учётом конвекции:

2.2 Расчёт нагрева труб в секции

Средняя температура трубы

Теплопроводность металла при средней температуре нагрева равна: л_м=45Вт/ (м*К). Средняя теплоёмкость металла в интервале температур нагрева: C_ср=0.561кДж/ (кг*К). Число Старка:

Расчёт коэффициента теплоотдачи излучением:

Средний коэффициент теплоотдачи излучением:

Коэффициент теплоотдачи излучением и конвекцией

Коэффициент теплоотдачи конвекцией принимаем равным 10% от коэффициента теплоотдачей излучением

Число Био

При нагреве тел одновременно конвекцией и излучением область тонких тел определяется выражением:

следовательно, нагреваемое тело является тонким в тепловом отношении.

Коэффициент заполнения печи:

Масса одного метра трубы:

Продолжительность нагрева трубы в секции:

2.3 Расчёт горения топлива

Состав исходного топлива (сухого газа):

Природный газ %

Температура подогрева воздуха, ^оC: 389

Коэффициент расхода воздуха n=1,12

Принимаем влажность исходного топлива W=10 г/м³.

X=X,

XX=0,987X

Состав влажного топлива:

Расход кислорода на горение при коэффициенте расхода воздуха n=1

0.01*

(2*82.41+3.5*4.24+5*0.79+6.5*1.58) =1.94 м³/м³

Расход сухого воздуха:

Объёмы компонентов продуктов сгорания:

=0.01*

(0.2+82.41+2*4.24+3*0.79+4*1.58) =1м³/м³

=0.01* (1.3+0.5*

(4*82.41+6*4.24+8*0.79+10*1.58)) =1.9м³/м³

=0.01*9.48+1.12*3.762*1.94=8.27м³/м³

= (1.12−1) *1.94=0.233м³/м³

Объём продуктов сгорания:

=1+1.9+8.27+0.233=11.4м³/м³

Процентный состав продуктов сгорания:

Низшая теплота сгорания топлива:

Q=127,7•CO+108•H₂+358•CH₄+590•C₂H₄+555•C₂H₂+636•C₂H₆+913•C₃H₈+1185•C₄H₁₀+1465•C₅H₁₂+234•H₂S=358*82.41+636*4.24+913*0.79+1185*1.58=34 629,34 кДж/м³=34,79МДж/м³

Калориметрическую температуру сгорания топлива определяем методом последовательного приближения. Теоретически необходимое количество воздуха для горения газообразного топлива:

Действительное количество воздуха на горение топлива:

Определяем физическое тепло, вносимое воздухом:

Калориметрическая энтальпия продуктов сгорания i_k равна:

Калориметрическая температура горения:

Зададим температуру t_k'=1800°Cи при этой температуре находим энтальпию продуктов сгорания:

= (5186,81*1+4121,79*1,9+3131,96*8,27+3314,85*0,233) /11,4=3481,74 кДж/м³

Поскольку i₂₁₀₀>i₀, то принимаем температуру t_k''=2000°Cи снова находим энтальпию продуктов сгорания

= (4910,51*1+3889,72*1,9+2970,25*8,27+3142,76*0,233) /11,4=3298 кДж/м³

Теперь определяем калориметрическую температуру горения:

Действительная температура продуктов сгорания:

Материальный баланс

2.4 Тепловой баланс печи

Приход тепла

1) Тепло, образующееся при сжигании топлива.

Q_хим=B•Q^р_н=34,79 •В МВт

2) Физическое тепло, вносимое подогретым воздухом:

где

V_{в -} расход воздуха на 1 м³ топлива i_в=504,75 кДж/м³ — энтальпия воздуха при температуре 380 ^оC.

Так как у нас топливо не подогрето, то Q_т=0.

Расход тепла

1) Расход тепла на нагрев труб

С_мнач=0.476 кДж/ (кг*К) С_мкон=0.691 кДж/ (кг*К) C_ср=0.584

2) Потери тепла с уходящими продуктами сгорания

Определим температуру газов в зоне теплообмена:

При t=930⁰С

3) Потери тепла теплопроводностью через кладку T_кл=1100°С

Удельный тепловой поток через кладку:

л'=0.25 Вт/ (м*К); б'=7+0.05*t_нач=21.65 Вт/ (м²*К)

Поверхность кладки:

Потери тепла через кладку

4) Потери тепла излучением в соседние тамбуры

5)

Площадь полностью открытого проёма:

Площадь проёма, перекрытого трубой:

Коэффициент диафрагмирования для проёма

Для полностью открытого:

Следовательно, Ф₁=0.58

Для перекрытого трубой:

Следовательно, Ф₂=0.56

Угловой коэффициент излучения для проёма

Полностью открытого

Следовательно, В₁=1

Для перекрытого трубой:

Следовательно, В₂=1,2

6) Неучтённые потери

Уравнение теплового баланса 1 секции

34790B+5219.09B=206.67+16 018.7B+9.39+0.25+21.63

2.5 Результаты расчета теплового баланса

Таблица 1. Приходная часть теплового баланса

Таблица 2. Расходная часть теплового баланса

Удельный расход тепла определяется по формуле:

где — удельный расход тепла на нагрев 1 кг металла, кДж/кг;

— приход тепла, кВт;

— производительность печи, кг/с.

Таким образом,

кДж/кг.

Коэффициент полезного действия печи:

зкпд=Qпол/Qприх=206.67/400.09=0,5166 (51.66%)

Коэффициент полезного действия рабочего пространства:

зкпд=Qпол/ (Qхим+ Qфиз — Qух) =206.67/ (400.09−160.19) =0,8615 (86,15%)

2.6 Основные размеры и параметры печи

Количество секций N=1

Длина печи

Скорость перемещения заготовок

2.7Выбор типа и мощности горелок

По расходу газа выбираем 5 скоростных горелок СВП-60

Таблица 3. Краткие характеристики горелки СВП-60

Вывод

Согласно проведённым расчётам и исследованиям, можно сделать вывод о том, что данный режим работы печи целесообразен для нагрева труб низкоуглеродистой стали, так как он обеспечит равномерный быстрый нагрев заготовок по всей длине и ширине печи.