Расчет трехзонной толкательной методической печи

Степень развития кладки вблизи сечения 1:

       Приведенный коэффициент излучения для системы «газ - кладка - металл» в сечении 1:

  Удельный тепловой поток на металл в сечении 1:

  Оцениваем   конвективную составляющую теплового  потока в 10 % от лучистого.

Средний тепловой поток в зоне II:

Определяем среднюю  теплоемкость углеродистой стали 

Продолжительность нагрева слитка в зоне II:

2.4  Расчет зоны III

При заданных t_пз = 1200 °С и t_пн3 = 1125 °С определяем температуру массы слитка при выдаче его из печи:

 

Находим теплофизические свойства нагреваемой стали по прил. 10:

средняя теплоемкость:

средняя теплопроводность:

_{средняя температуропроводность:}

_{Продолжительность выдержки:}

_{2.5 Определения длины печи отдельных зон}

      _{Сначала находим суммарное  время нагрева  изделий в печи:}

_{τ∑=τI+ τII+ τIII=15356,8 c ≈ 4,2 ч,}

_{а затем  находим  длину активной части  пода печи:}

      Длины отдельных зон печи:

Зона I  L₁=3,187 м;

Зона II  L₂=8,805м;

Зона III L₃=9,925 м; 
 
 
 
 
 
 
 

3. Определение  расхода топлива и основных  показателей работы печи

3.1 Полезная затрата теплоты

Q_м=PC_м(t_м3-t_нач)=4,44·577(1150-20)=2895 кВт.

3.2 Потери теплоты теплопроводностью через кладку печи

Определяем наружную поверхность кладки F_к всей печи

F_кл=F_нарI+ F_нарII + F_нарIII=56,03+132,04+80,27=268,34 м².

Температура газов  в зоне III составляет t_гIII = 1260 °С, которой из прил. 11 соответствует удельный тепловой поток q_5т.н.кл =1,82 кВт/м². Определяем величину Q_5т для всей печи:

Q_5т= q_5т.н.кл F_кл+ q_5т.н.св F_св+ q_5т.н.з F_з=1,82·268,14=488,38 кВт.

Проверим толщины  элементов кладки печи на их соответствие тепловому потоку теплопроводностью  q_5т.н подставленному в формулу Q_5т.

Выполним эту  проверку для зоны III, где самая высокая средняя температура газов 1260 °С и кладки.

Самый тонкий элемент - свод, состоящий из слоя шамотного  кирпича S₁ = 300 мм и слоя легковесного (плотностью 400 кг/м³) шамотного кирпича толщиной S₂ =120 мм. Задаем температуру на границе слоев t₂ =950 °С и на наружной поверхности t_нар = 110 °С (по опытным данным).

Средняя температура шамотного слоя:

t_Ш = 0,5(t_г3+ t₂) = 0,5(1285 + 950) = 1105 °С, его теплопроводность согласно прил. 13:

λ_ш=0,7+6,4·10^-4 t_Ш=0,7+6,4·10^-4·1105=1,41 .

Средняя температура  теплоизоляционного слоя:

t_из = 0,5(t₂+ t_нар) = 0,5(1075 + 110) = 530 °С, его теплопроводность согласно прил. 13:

λ _из=0,7+1,6·10^-4 t_из=0,12+1,6·10^-4·530=0,21  .

Тепловой поток  через слои:

шамота q_5т.ш= λ_ш(t_гIII- t₂)/S₁=1,41(1260-950)/0,3=1460 Вт/м²;

и теплоизоляции  q_5т.из= λ_из(t₂- t_нар)/S₂=0,21(950-110)/0,12=1470 Вт/м². 

Определяем     коэффициент    теплоотдачи     на     наружной поверхности  свода:

α_нар=α₀+γ t_нар=10+0,06·110=16,6

и удельный тепловой поток от наружной поверхности свода:

q_нар= α_нар(t_нар- t_окр)=16,6(110-20)=1490 Вт/м².

     Рассчитанные  тепловые потоки отличаются друг от друга  в пределах 2,0 % (допустимое отличие), следовательно, температура t₂ =950 °С и t_нар = 110 °С были заданы верно. Тепловой поток теплопроводностью через свод:

q_5т = (1460 + 1470 + 1490) /3 =1470 Вт/м², или округленно 1,5 кВт/м², что составляет 82,4 % от норматива: q_5т.н.кл =1,82 кВт/м² (см. прил. 11), следовательно, материалы и толщины слоев свода выбраны верно.

      Поскольку в зоне III, где самая высокая  средняя температура газов, наблюдается  соответствие между нормативными удельными  тепловыми потоками q_5т.н.кл и рассчитанными по конструкции кладки, то и в остальных зонах печи, где температуры меньше, это соответствие будет соблюдаться. Следовательно, величина Q_5т=488 кВт определена верно.  

3.3 Потери теплоты излучением через открытые окна 

     По  условиям эксплуатации печи заслонку окна, через которое проходит рейка  выталкивателя, и окна выдачи слитка приподнимают на высоту Н = 0,6 м. Ширина обоих окон одинаковая и составляет В = 0,9 м. Площадь открытых окон в зоне III составит

     F_окIII=2HB=2·0,6·0,9=1,08 м². 

Потери теплоты  излучением из зоны III 

 

Потери теплоты  излучением из зоны I через загрузочное  окно

 

Здесь площадь  открытого окна соответствует ширине печи D= 2,6 м и высоте поднятия заслонки: Н= 0,6 м : F_ок1 = 0,6·2,6 =1,56 м². 

Общие потери излучением составят:

= + = 340+120=460 .

3.4 Потери  теплоты с охлаждающей водой

Диаметр всех подовых  труб одинаков и равен d_тр = 0,14 м.

Поверхность двух продольных труб в зоне I

F_тр=2·πd_трL_тр=2,803 м², а поверхность пяти сдвоенных поперечных подовых труб:

F_тр=2nπd_трD=11,4 м²,

где D - ширина печи, м.

     Полагаем, что в процессе эксплуатации печи изоляция подовых труб разрушается  полностью. Тогда для средней  температуры в зоне I:

t_гI=0,5(t_г0+ t_гI)=0,5(1150+1250)=1200°С, согласно прил.12, рекомендуемые плотности теплового потока на поверхность продольных подовых труб составят: 

• с теплоизоляцией       q_вод =20 кВт/м²;

• без теплоизоляции     q_вод = 67 кВт/м²;

• среднее значение        q_водI = 0,5(20+67)=43,5 кВт/м².

Потери теплоты  с водой, охлаждающей продольные трубы в методической зоне:

Q_охл1^`=F_трIq_водI=2,803·43,5=121,9 кВт.

Рекомендуемые плотности теплового потока на поверхность  поперечных подовых труб в зоне I: 

• с теплоизоляцией       q_вод =31 кВт/м²;

• без теплоизоляции     q_вод = 79 кВт/м²;

• среднее значение        q_водI = 0,5(31+79)=55 кВт/м².

Потери теплоты  с водой, охлаждающей поперечные подовые трубы в методической зоне: 

Q_охл1^”=F_трIq_водI=2,803·55=154,18кВт.

Потери теплоты  с водой в зоне I

Q_охл1= Q_охл1^’+ Q_охл1^”=121,9+154,18=276,1 кВт.

Подобным образом  находим потери теплоты с водой  в зоне II, где средняя температура газов t_гII=0,5(t_г1 + t_г2) = 0,5(1200 + 1300) = 1250 °С.

Поверхность двух продольных подовых труб в зоне II:

F_трII=2·πd_трL_трII=7,745 м²,

а пяти сдвоенных  поперечных подовых труб F_трII=F_трI=7,745 м².

Из прил.12 следует, что для продольных подовых труб плотности теплового потока: 

• с теплоизоляцией       q_вод =70 кВт/м²;

• без теплоизоляции     q_вод = 23 кВт/м²;

• среднее значение        q_водII = 0,5(70+23)=46,5 кВт/м².

Потери теплоты  с водой, охлаждающей продольные трубы в зоне II,

Q_охлII^’=F_трIIq_водII=360,15 кВт. 
 

Плотности теплового  потока на поверхность поперечных подовых  труб: 

• с теплоизоляцией       q_вод =82 кВт/м²;

• без теплоизоляции     q_вод = 35 кВт/м²;

• среднее значение        q_водII = 0,5(82+35)=58,5 кВт/м².

Потери теплоты  с водой, охлаждающей поперечные подовые трубы в зоне II:

Q_охлII^’’=F_трIIq_водII=453,09 кВт.

Потери теплоты  с водой в зоне II

Q_охлII= Q_охлII^’+ Q_охлII^”=360,15+453,09=813,2 кВт.

Общие потери теплоты  с водой, охлаждающей подовые  трубы в печи:

Q_5охлII= Q_5охлI+ Q_5охлII=1173 кВт.

Q₅= Q_5т+ Q_5л+Q_5охл=2088 кВт.

Если принять, что неучтенные потери не превышают 30 % от рассчитанной                         Q₅ =2088 кВт, то конечная величина потерь теплоты в окружающее пространство составит

Q₅ =1,3·2088=2714,4 кВт. 

3.5 Потери  теплоты с уходящими газами

     Ранее в сечении 0 температура газов  была принята равной t_г0=800 °С. Ширина дымопада составляет D_Д = 2,442 м, следовательно, часть газов покидает рабочее пространство имея температуру выше, чем 800 °С. Полагаем линейное изменение температуры газов по длине зоны 1 от t _г0 =800 °С до           t _г1 =1200 °С, тогда на 1 м длины зоны I приходится изменение температуры газов:

     ∆ t _г=(t _г1- t _г0) ∕ L₁=(1200-800) ∕ 3,18=125,5°C

     Следовательно, часть газов покидает рабочее  пространство с температурой      

t _г0^’= t _г0+∆ t _г0 D_Д =800+125,5·2,442=1507. Средняя   температура   уходящих   газов составит t _г0= 0,5(t _г0+ t _г0^’) =0,5(800+1507)=1353°C ей, согласно прил. 4, соответствует теплосодержание отходящих газов t_г0=2079 кДж/м³.

Удельные теплопотери с отходящими газами составят

q₂= i_г0V_α=2079*10,757=22360 кДж/м³. 
 
 
 
 

3.6 Определение  теплоты экзотермических реакций

Q_экз=0,01Р_руг q_экз=628,26 кВт. 

3.7 Расход  топлива, основные показатели  и таблица теплового баланса  печи

     Находим общий расход топлива на всю печь:

Удельный расход условного топлива

 

Удельная производительность печи

Определим неизвестные  статьи теплового баланса и составим таблицу.

Статьи  прихода

Химическое тепло  топлива:

Q_x=B =0,312·35082=10950 кВт.

Физическое тепло  подогретого воздуха:

Q_в= Bq_в=ВС_вt_вL_α=0,312·4412=1377 кВт.

Статьи  расхода

Потери теплоты  с отходящими газами:

Q₂= Bq₂=0, 312·22360=6981кВт.

Потери теплоты  вследствие химического недожога: