горение природного газа. Горение природного газа. T 20 С Причем температура в центре и на поверхности заготовки принимается одинаковой. Температура поверхности металла в конце первой методической зоны при обычном нагреве составляет 850 1000 С. Принимаем t 600 С

Название	T 20 С Причем температура в центре и на поверхности заготовки принимается одинаковой. Температура поверхности металла в конце первой методической зоны при обычном нагреве составляет 850 1000 С. Принимаем t 600 С
Анкор	горение природного газа
Дата	21.02.2023
Размер	1.3 Mb.
Формат файла
Имя файла	Горение природного газа.doc
Тип	Документы #949727
страница	1 из 4

1 2 3 4

Трехступенчатый режим нагрева имеет период медленного нагрева, период форсированного нагрева и период выдержки для выравнивания температуры по сечению и длине заготовки. Такой режим применяют для нагрева термически массивных тел, для которых Bi > 0,5.

Граница между телами определяется критерием Био:
Bi≤α(s)/λ,
где α – суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и тепловым излучением, [Вт/м²*С] ,

_λ – теплопроводность нагреваемого тела, [Вт/м*С]

S – толщина нагреваемого тела, [м]

Т.к данный слиток выполнен из ст 80, то его физико-механические свойства низкоуглеродистой стали представлены ниже:[1]

α =220 Вт/м²*С;

_λ=43 Вт/м*С;

S=0.14 м;

=0,518кДж/( )

Определим критерий Био для данного слитка:

_Bi>0,5

Таким образом, в данной курсовой работе выбор методической нагревательной печи обоснован размером нагреваемых слитков 140х140х12000мм, которые относятся к массивным телам.

После достижения заданной температуры нагрева заготовку в течение определенного времени выдерживают в печи с целью выравнивания температуры по сечению. Этот период нагрева улучшает качество нагреваемого металла.

Температурный режим печи разрабатывается в соответствии с параметрами технологических карт тепловой обработки заготовки в соответствии с рекомендациями литературы.

Температура посада металла задается:

t = 20 °С;

Причем температура в центре и на поверхности заготовки принимается одинаковой.

Температура поверхности металла в конце первой методической зоны при обычном нагреве составляет 850 – 1000 °С.

Принимаем t = 600 °С.

Температура металла в центре на выходе из первой зоны (t ) является расчетной величиной и при построении температурного графика вначале наносится условно.

Температура металла при поступлении его в сварочную зону принимается равной температуре операции прокатки.

Принимаем t_опер = t = 1200 °С.

Температуру центра в конце сварочной зоны (t ) наносим на график условно и в дальнейшем производим перерасчет.

Температура металла в центре на выдаче из печи, то есть в конце томильной зоны по истечении времени выдержки принимает значение операции прокатки:

t = 1200 °С;

Температура же металла на поверхности в конце зоны выдержки принимается в соответствии с допустимым перепадом температур по сечению согласно технологическим картам:

t = 1250 °С.

На характер температурного графика значительно влияет температура дымовых газов в зонах. Ее абсолютное значение выбирается таким, чтобы между газами и поверхностью металла во всех сечениях зоны поддерживался определенный температурный напор. Этот напор для нагревательных печей определяется в соответствии с термофизическими свойствами нагреваемого металла и целым рядом факторов технологического характера. Согласно рекомендациям

[3, с.15] он составляет 50 - 500°С, причем для томильной зоны методических нагревательных печей его значение на 50 - 100°С ниже, чем для сварочной.

Температурой дымовых газов на выходе из печи задаемся:

t_г.ух. = 900 °С.

2.1 Расчет горения топлива

Для данной методической печи в виде топлива мы будем использовать природный газ состав которого представлен ниже:

Состав природного газа, %:

Метан СН₄ 97,8;

Этан С₂Н₆ 0,5;

Пропан С₃Н₈ 0,2;

Изобутан С₄Н₁₀ 0,1;

Н.бутан С₅Н₁₂ 0,05;

Азот N₂ 1,3;

Угл . газ СО₂ 0,05;

Итого 100.
Низшую теплоту сгорания топлива находим по формуле 93а [1, стр.84]:

Q^р_н = 358СН₄ + 636С₂Н₆ + 913С₃Н₈ + 1185С₄Н₁₀ + 1465С₅Н₁₂ (1)

Q^р_н = 358 * 97,8 + 636 * 0,5 + 913 * 0,2 + 1185 * 0,1 + 1465 * 0,05 =

= 35704,75 кДж/м³
Расход кислорода на горение по формуле 94а (лит.1, стр.84), м³

Vо₂= 0,01(m + 0,25n)С_mН_n = 0,01(2СН₄ + 3,5С₂Н₆ + 5С₃Н₈ + 6,5С₄Н₁₀ + (2)

+ 8С₅Н₁₂)

Vо₂= 0,01(297,8 + 3,50,5 + 50,2 +6,50,1 +80,05) = 1,994 м³
Теоретический расход воздуха по формуле 95 [1, стр.85], м³

L₀ = (1+k) Vо₂

k =4,76 – отношение объемных содержаний N₂ и О₂ в дутье (для

воздуха)

L₀ =4,76* 1,994 = 9,49 м³
Действительный расход воздуха , м³

L_a = L₀

 - коэффициент избытка воздуха, равен 1,05

L_a =1,059,49 =9,96 м³/м³
Обьемы отдельных составляющих продуктов сгорания по формулам 96а (лит.1, стр.85), м³

Vсо₂ = 0,01(СО₂ + mС_mC_n) = 0,01(CО₂ + СН₄ + 2С₂Н₆ + 3С₃Н₈ + 4С₄Н₁₀ +

+ 5С₅Н₁₂) (3)

Vсо₂ = 0,01(0,05 + 97,8 + 20,5 + 30,2 + 40,1 + 50,05) = 1,0 м³/м³

Vн₂о = 0,01(Н₂О + 0,5nС_mC_n) = 0,01 (2СН₄ + 3С₂Н₆ + 4С₃Н₈ + 5С₄Н₁₀ +

+ 6С₅Н₁₂) (4)

Vн₂о = 0,01(297,8 + 30,5 + 40,2 + 50,1 + 60,05) = 1,99 м³

VN₂ = 0,01 N₂ + kVо₂ (5)

VN₂ = 0,011,3 + 1,053,761,994 = 7,89 м³

Vо₂ = (-1)Vо₂

Vо₂ = 0,051,994 = 0,01 м³
Общее количество продуктов сгорания по формуле [1, стр.85], м³

Vi = Vсо₂ + Vн₂о + VN₂ + Vо₂ (6)

Vi = 1,0 + 1,99 + 7,89 + 0,01 = 10,89 м³
Процентный состав продуктов сгорания:

СО₂ =

= 9,18 %; Н₂О =

= 18,27 %

N₂ =

= 72,45 % О₂ =

= 0,09 %
Правильность расчета проверяем составлением материального баланса:

Поступило, кг			Получено, кг
СН₄	0,978 * 0,716	0,7002	СО₂	1,0 * 1,964	1,964
С₂Н₆	0,005 * 1,342	0,0067	Н₂О	1,99 * 0,804	1,6
С₃Н₈	0,002 * 1,967	0,0033	N₂	7,89 * 1,251	9,87
С₄Н₁₀	0,001 * 2,593	0,0026	О₂	0,01 * 1,428	0,014
С₅Н₁₂	0,0005 * 3,218	0,0016			13,448
N₂	0,013 * 1,251	0,0163
СО₂	0,0005 * 1,964	0,001
Всего		0,7317
Воздух	9,96 * 1,29	12,8484
Итого		13,5801

Расхождение, определяемое погрешностью расчета, составляет 0,1321 кг.
Плотность газа равна _г = 0,7317 кг/м³.

Плотность продуктов сгорания _п.с. = 13,448/10,89 = 1,235 кг/м³.
По формуле 99 (лит.1, стр.85) определяем истинную энтальпию продуктов сгорания

i₀ =

, кДж/м³(7)

с_в = 1,3097 кДж/(м³ К) – удельная теплоемкость воздуха при t_в = 200^оС

(приложение I, лит.1)

i₀ =

= 3518,244 кДж/м³
Задаем t^’_к =2200^оС и при этой температуре по формуле 99а находим энтальпию продуктов сгорания, используя приложение II (лит.1):
i₂₂₀₀ =

i₂₂₀₀ =

кДж/м³
Поскольку i₂₂₀₀  i₀ принимаем температуру t”_к = 2100^оС и снова находим энтальпию продуктов сгорания
i₂₁₀₀ =

кДж/м³
По формуле 98 (лит.1) определяем калориметрическую температуру топлива:

, ^оС

t_к = 2100 +

100 = 2109 ^оС

2.1.1 Расчет времени нагрева металла.
Определяем ориентировочные размеры печи. При однорядном расположении металла, ширина печи. Принимаем высоту свода H=1,1 м

B=l+2(0,2 0,3) м; (10)

B=12+2(0,25)=12,5 м

Действительная температура печи

= =𝜂 ;

C (11)

𝜂-пирометрический коэффициент для сжигания газообразного топлива 𝜂=0,75-0,85,принимаем 𝜂=0.825

=0,825 =1740

C

-принимаем, что печь проектируемая печь имеет три тепловые зоны: методическую, сварочную, томильную, т.к ранее было подсчитано что наша заготовка является массивным телом и ее начальная температура составляет 20

C, и для более качественного нагрева надо использовать трехступенчатый нагрев.

Методическая зона-зона медленного нагрева металла.

Сварочная зона-зона форсированного нагрева металла.

Томильная зона-зона выравнивания температуры заготовки по ее сечению.

2.2.1 Определяю температуру в методической зоне.

-принимаем в конце методической зоны температура металла равна

=600

C, а в конце сварочной зоны

=1200

C

Температура газов в зоне теплообменника

- в начале методической зоны

;

C (12)

0,5(1740+20)=880

C

- в конце методической зоны

(13)

0,5(1740+600)=1170

C

Находим парциальные давления CO и

в продуктах сгорания

, кПа

, кПа (14)

=9,388 кПа

=17,933 кПа

Толщина зоны теплообменника с учетом толщины металла

, равна

, м где

- толщина зоны горения, принимаем

=0,11

1,1 – 0,11 – 0,14=0,85 м

Эффективная длина луча

- для зоны горения

, м (15)

= 0,198 м

- для зоны теплообменника

, м

=1,53 м

Находим для зоны горения,

;

(16)

=1,859

= 3,531

По номограммам при температуре = 1740

C находим

Поскольку найденные значения степеней черноты очень малы (из-за малой толщины слоя), примем, что

. Это означает, что теплообмен между зоной горения и поверхностью кладки происходит только за счет конвекции.

Для зоны теплообменника, определяем по формуле (16)

;

=14,364

=27,437

По номограммам (рис 13-15 [1])

- в начале методической зоны при

(17)

=0,3271
- в конце методической зоны

C,по формуле (17)

=0,2635

Плотность потока излучения от факела на кладку,

- в начале методической зоны

(18)

- в конце методической зоны, определяем по формуле 18

где

= 5,7

Находим плотность конвективного теплового потока

(19)
где

, а температура кладки

Находим температуру кладки

; К (20)

где

К (917,3

C)

Имеет место большое расхождение между принятым

и полученным значением

, следовательно принимаем новое значение температуры, равное среднеарифметическому из двух предыдущих

Находим, по формуле (19)

Находим

по формуле (20)

К (1023,3

C)
Находим величину плотности результирующего потока в металл в начале методической зоны

, для этого по уточненному значению находим:

- приведенный коэффициент излучения системы

(21)

- находим

с учетом, что

(22)

=97242,6

Величина плотности результирующего потока в металл в конце методической зоны

, для чего

- определяем

-по формуле (20) определяем

К (979

C)

- уточняем значение температуры кладки, задаваясь новой величиной

C

- тогда

К (1076,8

C)

- теперь

- определяем

по формуле (22)

121448,2

Средняя по длине методической зоны плотность результирующего теплового потока на металл равна:

;

(23)

Находим температуру центра блюма в конце методической зоны

, где S – расчетная толщина блюма;

- коэффициент теплопроводности среднеуглеродистой стали при

. Принимаем зазор между заготовками

, по таблице 12 находим коэффициент несимметричности нагрева

, тогда

C

Находим среднюю температуру металла

- в начале зоны

C

- в конце зоны

(24)

C

- по длине зоны

C

- при

по приложению IX [1] находим коэффициент теплопроводности среднеуглеродистой стали

=42,99

и удельную теплоемкость

=0,518кДж/( )

Находим время нагрева металла в методической зоне

(25)

с (0,429 ч=25,6мин)
2.1.2 Определение времени нагрева металла в сварочной зоне.
Поскольку началом сварочной зоны является конец методической зоны, то из предыдущего расчета заимствуем

В конце сварочной зоны

;

C

По номограммам на рис 13-15 [1] при

Находим

;

Задаваясь значением

;

C

Находим, по формуле

Находим температуру кладки

по формуле (20)

К (1270,7

C)

Уточняем значение температуры кладки

;

C

-находим

Находим температуру кладки

по формуле (20)

К (1309,1

C)

По уточненному значению

Находим приведенный коэффициент излучения, определяем по формуле (21)

;

По формуле находим плотность потока результирующего излучения на металл

по формуле (22)

=96490,5

Средняя по длине сварочной зоны плотность результирующего потока на металл равна по формуле (23)

;

Находим температуру центра блюма в конце сварочной зоны

, где значение

находи по приложению 12[1] при

=1200

C
Средняя температура металла

- в начале сварочной зоны

C

- в конце сварочной зоны

C

- по длине сварочной зоны

C
Температуру находим по приложению 9

С=0,695

;

Время нагрева металла в сварочной зоне по формуле (25)

, сек

с (0,636 ч=38,1мин)
2.1.3 Время томления металла.
Перепад температур по сечению металла в начале томильной зоны

(26)

- в конце зоны

С

Степень выравнивания температур

(27)

По графику на рисунке 19[1] (кривая 3) находим

=3,7

Средняя температура металла в томильной зоне 3

(28)

C
По приложению 9[1] находим значение коэффициента температуропроводности

Время томления металла

; сек (ч) (29)

3945 с (1,1ч=65,72 мин )
Общее время нагрева метала

; сек (ч) (30)

(2,158 ч.)

Рис3.График нагрева металла по зонам

2.1.4 Определение основных размеров печи.

Для обеспечения производительности Р = 85/ч, в печи должно одновременно находиться количество металла

; кг (31)

Масса одного блюма, кг

(32)

Число блюмов, одновременно находящихся в печи, шт.

(33)

шт.

Находим длину печи с учетом зазоров (

) между блюмами

, м (34)

м

Находим площадь пода при ширине печи В = 12 м

;

Высоту всех зон оставляем прежней H = 1,05 м.

Длину печи разбиваем на зоны пропорционально времени нагрева

- длина методической зоны

; м (35)

м

- длина сварочной зоны

; м (36)

м

- длина томильной зоны

; м (37)

м
Принимаем что свод печи выполнен из шамота класса А толщиной 300 мм. Стены имеют толщину 460 мм, причем, слой шамота составляет 345 мм и слой тепловой изоляции (диатомитовый кирпич) 115 мм. Под печи двухслойный: высокоглиноземистый кирпич толщиной 460 мм и диатомитовый кирпич 115 мм.

2.2 Составление и расчет теплового баланса печи

Поскольку распределение топлива по зонам печи с плоскопламенными горелками неизвестно, будем составлять позонные тепловые балансы, определяя расход топлива для каждой зоны отдельно. При составлении балансов примем некоторые упрощения: пренебрегаем переносом тепла излучением из зоны в зону; пренебрегаем продольным переносом тепла в зоне горения, так как размеры зоны горения малы (

м); и температура зоны горения принята одинаковой по всей длине печи (

C); будем опускать расходные статьи баланса, не превышающие 5% от всего расхода.

1 2 3 4