Определение теплоты сгорания топлива (производительность печи – 325 кг/ч, марка стали – М28)

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ЮРГИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Факультет - Механико-машиностроительный

Специальность – Электрометаллургия стали и ферросплавов

Кафедра – Металлургия черных металлов

Пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине  «Теплотехника»

Студент  гр. 10270                                                                    О.Р. Ананьева

Руководитель                                                       

К.т. н, доцент                                                                           Ю. А. Загромов

Юрга - 2010

Введение

Камерные печи с постоянной температурой рабочего пространства. Постоянство температуры в рабочем пространстве может наблюдаться в печах непрерывного действия, если выдача металла осуществляется небольшими порциями. На освободившееся место поступает такая же холодная заготовка. При этих условиях термопара или оптический пирометр, помещенные в камеру покажут постоянную температуру промежуточную по отношению к температуре стенок и нагреваемых предметов. Это рабочая температура или работа печи.

В камерных печах нагреваемый материал неподвижен. Поэтому в камерных печах, во всех точках рабочего пространства должны обеспечиваться одинаковые условия передачи тепла нагреваемому материалу. Общая тепловая мощность печи с постоянно меняющейся садкой постоянна. Приступая к расчетам необходимо определить предварительные размеры печи и выбрать ее конструкцию.

Расчет горения топлива

Основная задача:

-определение теплоты сгорания топлива,

-определение количества воздуха, необходимого для сжигания единицы топлива,

-определение количества и состава продуктов сгорания, образующихся при сжигании единицы топлива.

Исходные данные:

Газопровод	Состав газа по объему, %
Саратов Москва	CH4	C2H6	C3H8	C4H10	C5H12	N2	CO2
	84,5	3,8	1,9	0,9	0,3	7,8	0,8

1.Теоретически необходимое количество воздуха для горения:

V_в⁰= 0,0476 [0,5CO + 0,5H₂ + 1,5H₂S + Σ(m + n/4) CmH₄ – O₂]=

=0,0476[(1+4/4)84,5+(2+6/4)3,8+(3+8/4)1,9+(4+10/4)0,9+(5+12/4)0,3]=

=9,52 м³/м³.

2.Перерасчет сухого топлива на влажное:

;

CH₄=К·CH₄=1·84,5=84,5%;

C₄H₁₀=K·C₄H₁₀=1·0,9=0,9%;

CO₂=K·CO₂=1·0,8 =0,8%;

C₂H₆=K· C₂H₆=1·3,8=3,8%;

C₅H₁₂=K·C₅H₁₂=1·0,3=0,3%;

C₃H₈=K·C₃H₈=1·1,9=1,9%;

N₂=K·N₂=1·7,8=7,8%.

3.Действительное количество воздуха:

V_в=α·V_в⁰=1,1·9,52=10,5 м³/м³;

α =1,1;

α - коэффициент избытка воздуха.

4.Объем избыточного воздуха:

∆V_в=(α-1)·V_в⁰ =(1,1-1) ·9,52=0,95 м³/м³.

5.Теоретическое количество азота:

V⁰=α·V_в⁰=0,79·9,52+7,8/100=7,6 м³/м³.

6.Количество трёхатомных газов:

V=0,01[CO₂+CO+H₂s+ΣmC_mH_n]=

=0,01[0,1+84,5+(2·3,8)+(3·1,9)+(4·0,9)+(5·0,3)]=

=1,03 м³/м³.

7.Теоретическое количество водяных паров:

V⁰=0,01[H₂S+H₂+·Σn/2C_mH_n+0,124d_r]+0,016V_в⁰=

=0,01[2·84,5+3·3,8+4·1,9+5·0,9+6·0,3]+0,016·9,52=2,09 м³/м³.

8.Действительное количество водяных паров:

V=V⁰+0,0161·(α-1)·V_в⁰=2,09+0,016·(1,1-1) 9,52=2,01м³/м³.

9.Объём дымовых газов:

V_д.г=V_RO+V_N⁰+V_HO+∆V_в=1,03+7,6+0,95+2,01=11,59 м³/м³.

10.Парциальные давления компонентов смеси:

11.Теплота сгорания топлива:

Q_H^p=126,36·CO+107,98·H₂+358,2·CH₄+637,3·C₂H₆+912,3·C₃H₈+

1186,2· C₄H₁₀+1460·C₅H₁₂+560,43·C₂H₂+254,07·H₂S=

=358,2 ·84,5+637,3· 3,8+912,3 ·1,9+1186,2· 0,9+1460·0,3=35928,6 кДж/м³.

12.Калориметрическая температура горения:

при t_k=2200⁰С:

t_в=330⁰С:                                   .

13.Действительная температура горения:

t=η·t_k=0,7 ·2067,02=1446,91⁰C;

где η – пирометрический коэффициент для камерных печей;

η=0,65…0,7.

В дальнейших расчетах температуру печи принимаем равной t_п=950+50=1000⁰С. Это позволит уменьшить потери тепла с уходящими газами, а при необходимости уменьшить время нагрева.

Расчёты нагрева металла

Исходные данные:

Производительность печи – 325 кг/ч;

Марка стали – М28;

Размеры заготовок – 100×125×175 мм;

температура посадки – 15 ⁰С;

температура выдачи – 950 ⁰С;

температура подогрева воздуха – 330 ⁰С.

Рисунок 1 – Эскиз печи

Предварительное определение основных размеров печи

1.Активная площадь пода:

, где Р_акт=400 кг/м²ч.

2.Коэффициент загруженности пода принимаем   m=0,5.

3.Действительная площадь пода:

4.Принимаем укладку заготовок в два ряда с просветом между ними 125 мм и расстоянием от стен 100 мм.

5.Ширина печи:

В=125+175·2+100·2=675мм=0,67 м.

6.Длина осевой линии печи:

7.Высота рабочего пространства:

Расчёт теплообмена в рабочем пространстве печи

Основная задача: определение приведенного коэффициента излучения.

1.Значение приведённого коэффициента излучения:

где С₀=5,67 Вт/м²·⁰К⁴;

ε_m=0,8;

φ=1/W=1/3=0,33.

Суммарная степень черноты продуктов горения:

Эффективная длина пути луча:

где β=1,12,  при .

2.Приведение лучистого теплового потока к конвективному

Поскольку величина α сильно зависит от температуры газов и материала (разность температур четвертых степеней) с целью повышения точности расчета весь период нагрева разбивают на несколько интервалов по температуре поверхности материала. Для каждого интервала находят среднее значение коэффициента теплоотдачи, по которым можно определить время нагрева для каждого интервала, а также общее время нагрева. Смотри рисунок.

Усредняем полученные величины α по формулам:

Определим время нагрева тонких заготовок:

где S=125/2=62,5 мм = 0,0625;

t_п=1273⁰К;

t_м^н, t_м^к – температура металла в начале и конце нагрева, ⁰К;

С – теплоемкость металла;

ρ=7800 кг/м³;

α и С_пр – средний коэффициент теплоотдачи и приведенный        коэффициент излучения;

К₁=1.

С₁=0,1435 Вт·ч/кг·К;

С₂=0,166 Вт·ч/кг·К;

С₃=0,176 Вт·ч/кг·К;

Время нагрева:                

Στ=τ₁+τ₂+τ₃;

Στ =0,19+0,24+0,94=1,37 ч.

Общее время нагрева:

τ=Στ·К_расп.;

τ =1,37· 2,2=3,014ч;

где К_расп.=2,2.

Уточнение основных размеров рабочего пространства печи

После расчета времени нагрева необходимо уточнить предварительно принятые размеры рабочего пространства печи. Для этого сначала определим количество заготовок, находящихся одновременно в печи.

n=(G τ)/q, где q=0,1·1,25·1,75·7,8=17,2кг,

G=0,09 кг/с,

τ =10850,4 с.

n=(0,09·10850,4)/17,2=57шт.

Высота стен печи менее 1м, температура до 1200 ⁰С, тогда толщину кладки принимаем 120мм из шамота класса В, толщину слоя теплоизоляции 250мм из трепелового кирпича.

Составление теплового баланса печи и определение расхода топлива

Основная задача:

-определение эффективности тепловой работы печи,

-определение расхода топлива.

Тепловой баланс  ΣQ_прих=ΣQ_расх.

Вычисление приходных статей

1.Химическая энергия топлива:

Q_X.T=B·Q_H^p=B·35928,6 кВт, где В – расход топлива, м³/ч.

2.Физическое тепло, внесенное с воздухом:

Q_ф.в=В·V_в·C_в·t_в=В·10,5 ·1,32·330=В·4573,8 кВт.

3.Физическое тепло топлива не учитываем (принимаем, что топливо не подогревается).

4.Тепло экзотермических реакций.

Принимаем для камерных печей угар металла е=1,5%.

Q_экз=1,350·4,187G·e/(3,6·100)=1,350·4,187·325·1,5/(3,6·100)=7,65 кВт.

Вычисление расходных статей

1.Тепло, пошедшее на нагрев металла:

Q_Н=G(Q_м^//-Q_м^/)=G(C_м^к·t_м^к-C_м^н·t_м^н)=400(0,173·925-0,134·25)=62670 Вт, при С_м^к=0,173 Вт ч/кг ⁰С;

С_м^н=0,134 Вт ч/кг ⁰С;

t_м^к=950⁰С;

t_м^н=15⁰С.

2.Теплота уходящих газов:

Q_ух=B·V_г·C_г·t_ух=В·17,8·1000=В·17800кВт;

при t_ух=1000⁰С.

3.Потери теплоты теплопроводностью через кладку:

;

где  1/α_в=0,06;

S_внутр=120мм=0,12м;

S_внеш=250мм=0,25м;

F_св=1,1 F_п=1,1·2,25=2,48м²;

F_кл=2 BH+2LH+F_св=2·0,67·0,50 +2·2,40·0,50+2,48=5,55м²;

t_вн^кл=t_п=1000⁰С;

t_в=15⁰С;

λ₁=26,3Вт/м ⁰С;

λ₂=49,5Вт/м ⁰С.

4.Потери теплоты излучением:

;

где Т_п=1273⁰К;

F=0,6·0,15=0,09м²;

Ф=0,65;

Ψ=20·57/10850,4=0,11.

5.Неучтенные потери:

6.Найдем расход топлива:

Заключение

В ходе расчетов рассчитали теплоту сгорания топлива, теплообмен в рабочем пространстве печи, определили основные размеры печи, составили