8. Расчет топливосжигающих устройств

Расстояние между осями топливосжигающих устройств принимается 0,85 – 1,25 м. Производительность одной форсунки (горелки):

G_т = B/n, кг/с (м³/с), (117)

где n - количество форсунок (горелок).

Расчет пневматических форсунок низкого давления

Принимая скорость истечения топлива (мазута) ω _т = 2 - 5 м/с, определяем площадь сечения для прохода топлива:

F_т = G_т/ (ρ_т · ω _т), м², (118)

где ρ_т – плотность мазута, ρ_т = 960 кг/м^3.

Диаметр отверстия топливной трубки:

d_т = (4·F_т/π)^0,5 , м.

Избыточное давление топлива перед форсункой:

P_т = (G_т /(μ·F_т))² /(2·ρ_т), Па,

где μ – коэффициент расхода (0,2 – 0,4).

Приведенная скорость воздуха в выходном сечении форсунки:

ω_в = (2·P_в /(ξ_в ·ρ_в))^0,5 , м/с,

где P_в – избыточное давление воздуха перед форсункой (1 – 10 кПа);

ρ_в – плотность воздуха при 0°C, кг/м³;

ξ_в – коэффициент сопротивления форсунки по воздуху, ξ_в = 1,1.

Площадь сечения для прохода воздуха:

F_в = G_т·V_в/ ω _в, м². (120)

Диаметр воздушного сопла:

d_в = (4· (F_в + F_г)/π)^0,5, м.

Расчет диффузионных горелок низкого давления (121)

Принимаем скорости выхода из горелок (приведенные к нормальным условиям): газа ω_г = 25 м/с; воздуха ω_в = 30 м/с.

Площадь сечения для прохода газа:

F_т = G_т/ ω _г, м².

Диаметр газового сопла:

d_г = (4·F_г/π)^0,5 , м.

Площадь сечения для прохода воздуха:

F_в = G_т·V_в/ ω _в , м².

Диаметр воздушного сопла:

d_в = (4·( F_в + F_г)/π)^0,5 , м.

Избыточное давление газа перед горелкой:

Р_г = _г· (ω _г²/2) ·ρ_г· (l + β·t_г), Па. (122)

Избыточное давление воздуха перед горелкой:

Р_в = _в· (ω _в²/2) ·ρ_в· (l + β·t_в), Па. (123)

Принять _г =1,5, _в =1,0.

Длина факела:

, м, (124)

где К - коэффициент (для природного газа K= 1,5 для коксового К = 0,6).

ЛИТЕРАТУРА

1. Кривандин В. А., Егоров А. В. Тепловая работа и, конструкции печей черной металлургии. М., Металлургия, 1989.

2. Тайц Н. Ю., Розенгарт Ю. И. Методические нагрева­тельные печи. М., Металлургиздат, 1964.

3. Теплотехнические расчеты металлургических печей. Зобнин Б. Ф., Казяев М. Д., Китаев Б. И. и др. М., Металлургия, 1982.

4. Теплотехнические расчеты металлургических печей. Под ред. А. С. Телегина. М., Металлургия, 1970.

5. Филимонов Ю. П., Старк С. Б., Морозов В. А. Ме­таллургическая теплотехника. Т. 2. Под ред. М. А. Глинкова. М., Металлургия, 1974.

Основные обозначения

- коэффициент теплоотдачи, Вт/м²·К;

λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);

δ - угар металла, %;

ρ - плотность, кг/м³;

- общее время нагрева металла, час;

ξ - коэффициент местного сопротивления;

- время нагрева металла в методической зоне, на участке сварочной зоны с двухсторонним обогревом, на участке сварочной зоны с монолитным подом, час;

- изменение теплосодержания металла в печи вместе с образовавшейся окалиной;

- приращение теплосодержания металла в методической зоне, в сварочной зоне, на участке сварочной зоны с двухсторонним обогревом, на участке сварочной зоны с монолитным подом, кДж/кг;

- расстояние между рядами заготовок, м;

- перепад температур в заготовке, °С;

ρ _г - плотность продуктов сгорания, кг/ м³_;

, - общая степень черноты системы "газ-кладка-металл" в сварочной и методической зонах соответственно;

- степень черноты продуктов сгорания в сварочной и методической зонах соответственно;

- угловые коэффициенты излучения кладки на металл в сварочной и методической; зонах соответственно;

- коэффициент использования химической энергии топ­лива в печи;

- коэффициент использования химической энергии топ­лива в сварочной зоне;

- степень черноты металла;

b - удельный расход тепла, кДж/кг;

D - ширина печи, м;

F_акт - площадь активного пода, м²;

- внутренняя поверхность стен и свода в сварочной и методической зонах, м²;

- суммарная поверхность кладки и металла, окружаю­щих газовый объем в сварочной и методической зонах соответственно, м²;

F_пол - площадь полезного пода, м²;

- площадь пода печи в сварочной и методической зонах соответственно, м²;

- площадь поперечного сечения рабочего пространства на границе сварочной и методической зон, м² ;

G - производительность печи, кг/час;

G_т - производительность одной форсунки (горелки), кг/с (м³/с);

Н_акт - напряженность активного пода, кг/(м²ч);

h_ок - высота окна посада и выдачи, м;

Н_пол - напряженность полезного пода, кг/(м²ч);

h_св, h_мет - высота сварочной и методической зон соответственно, м;

- теплосодержание металла в начале печи, в начале участка сварочной зоны с двухсторонним обогревом, в начале участка сварочной зоны с монолитным подом, в конце печи соответственно, кДж/кг;

i_в - энтальпия воздуха, подаваемого в печь, кДж/м³;

i_общ - полная энтальпия продуктов сгорания, кДж/ м³;

i_св - энтальпия продуктов сгорания в сварочной зоне, кДж/ м³;

i_т - энтальпия топлива (газа), кДж/ м³;

i_ух - энтальпия продуктов сгорания, уходящих из печи, кДж/м³;

i_х - химическая энтальпия продуктов сгорания кДж/м³;

- коэффициент формы;

- длина методической зоны, сварочной зоны, сварочной зоны с двухсторонним обогревом, сварочной зоны с монолитным подом, активного пода соответственно, м;

l_эф - эффективная длина луча, м;

n - число рядов заготовок;

q₀, q₁, q₂, q₃ - удельный тепловой поток к поверхности металла в начале методической зоны, в начале сварочной зоны, в начале зоны с монолитным подом, в конце печи соответственно, Вт/м²;

- низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг (кДж/м³);

q_н - недожог топлива, кДж/кг (кДж/м³);

- средний удельный тепловой поток в методической зоне, в сварочной зоне с двухсторонним обогревом, в сва­рочной зоне с монолитным подом соответственно, Вт/м² ;

Q_ух, - количество тепла, уносимого уходящими газами из печи, из сварочной зоны соответственно, кДж/м³;

Q_ф - физическое тепло, вносимое воздухом и топливом, кДж/м³;

RO₂, N₂, O₂, H₂O - объемный состав продуктов сгорания, %;

S - полутолщина заготовки, м;

t_м - среднемассовая температура заготовки, °С;

t_мет - средняя температура газов в методической зоне, С°;

t_окр - температура окружающего воздуха, °С;

t_п - температура поверхности заготовки, °С ;

t_с - температура середины заготовки, °С;

t_св - температура газов в сварочной зоне, °С;

t_ух - температура уходящих из печи газов, °С;

V_в - расход сухого воздуха на горение, м³/кг (м³/м³);

V_г - объем продуктов сгорания, м³/кг (м³/м³);

V_св, V_мет - объем заполняемого газом рабочего пространства в сварочной и методической зонах соответственно, м³;

а - коэффициент температуропроводности, м²/час;

В - расход топлива, кг/с (м³/с);

М_общ - общая тепловая мощность печи, кВт;

М_пол, М_хх - полезная мощность печи, мощность холостого хода соответственно, кВт

с - теплоемкость, кДж/(кг·К);

-среднее значение приведенного коэффициента излуче­ния от газов и кладки на металл, Вт/(м²·К⁴).

Приложение 1. Тепловые эффекты реакций горения

Горючий компонент	Реакция	Тепловыделение, кДж/м3	Тепловыделение, кДж/кг
СО	СО + 0,5 О2 = СО2	126,27
Н2	Н2 + 0,5 О2 = Н2О	107,89
СН4	СН4 + 2 О2 = СО2 + 2 Н2О	358,30
С2Н4	С2Н4 + 3 О2 = 2 СО2 + 2 Н2О	590,55
С2Н6	С2Н6 + 3,5 О2 = 2 СО2 + 3 Н2О	637,86
С3Н8	С3Н8 + 5 О2 = 3 СО2 + 4 Н2О	912,80
С4Н10	С4Н10 + 6,5 О2 = 4 СО2 + 5 Н2О	1186,75
С5Н12	С5Н12 + 8 О2 = 5 СО2 + 6 Н2О	1461,20
Н2S	Н2S + 1,5 О2 = Н2О + SО2	231,54
С	С + О2 = СО2		340,70
S	S + 2 О2 = 2SО2		108,86

Приложение 2. Энтальпия горючих компонентов газообразных топлив при атмосферном давлении ( 0,1013 МПа), кДж/м³

t, оC	CО	Н2	СН4	С2Н4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12	Н2S	СnНm
200	261,4	259,4	351,8	456,4	554,8	793,0	1051,3	1302,9	312,3	456,4
400	531,7	520,8	806,4	1074,3	1323,4	1903,7	2506,2	3096,1	653,2	1074,3
600	814,3	784,6	1356,5	1815,4	2266,7	3259,0	4271,0	5271,0	1024,9	1815,4
800	1109,1	1053,4	1995,4	2646,5	3344,8	4790,0	6247,0	7700,0	1426,9	2646,5
1000	1412,6	1328,9	2699,2	3547,1	4530,0	6460,0	8403,0	10346,0	1850,6	3547,1
1200	1723,3	1611,9	3435,7	4503,0	5790,0	8256,0	10727,0	13197,0	2293,1	4503,0

Приложение 3. Формулы для расчета полного сгорания топлива

Наименование величины	Расчетная формула
Теоретический расход сухого кислорода	Твердое и жидкое топливо:   Газообразное топливо:
Теоретический расход сухого окислителя	, О2ок – объемное содержание кислорода в окислителе, % (для атмосферного воздуха 21%).
Расход сухого окислителя при	.
Выход сухих трехатомных газов	Твердое и жидкое топливо: . Газообразное топливо:
Теоретический выход азота	, N2ок – объемное содержание азота в окислителе, % (для атмосферного воздуха 79 % ). .
Теоретический выход водяных паров	Твердое и жидкое топливо: , Gф – удельный расход водяного пара на распыливание жидкого топлива , кг/ кг ( от 0,03 до 0,1 кг/кг в зависимости от типа форсунки); dок – влагосодержание окислителя, г/м3, ( для атмосферного воздуха может быть принята равной 0,13 г/м3). Газообразное топливо: .
Выход продуктов полного сгорания при
Объемный состав продуктов полного сгорания	; ;
Плотность продуктов сгорания при нормальных условиях

Приложение 4. Средние изобарные теплоемкости газов с_р при атмосферном давлении (0,1013 МПа), кДж/(м³ К)

	СО2	N2	O2	Н2О	сухой воздух	СО	Н2	СН4
0	1,595	1,294	1,305	1,494	1,297	1,299	1,276	1,550
100	1,700	1,295	1,317	1,505	1,300	1,301	1,290	1,642
200	1,787	1,299	1,335	1,522	1,307	1,307	1,297	1,758
300	1,862	1,306	1,356	1,542	1,317	1,316	1,299	1,886
400	1,929	1,316	1,377	1,565	1,328	1,328	1,302	2,015
500	1,989	1,327	1,398	1,589	1,342	1,342	1,305	2,140
600	2,041	1,340	1,416	1,614	1,356	1,357	1,308	2,260
700	2,088	1,353	1,434	1,641	1,370	1,372	1,312	2,376
800	2,131	1,367	1,449	1,668	1,384	1,386	1,316	2,494
900	2,169	3,379	1,464	1,695	1,397	1,399	1,322	2,602
1000	2,203	1,391	1,479	1,722	1,409	1,412	1,328	2,699
1100	2,234	1,403	1,485	1,750	1,421	1,424	1,336	2,786
1200	2,263	1,414	1,500	1,776	1,432	1,436	1,343	2,862
1300	2,289	1,425	1,510	1,802	1,443	1,446	1,351	-
1400	2,323	1,434	1,520	1,828	1,452	1,456	1,359	-
1500	2,335	1,444	1,529	1,852	1,462	1,465	1,367	-
1600	2,355	1,452	1,537	1,876	1,470	1,474	1,375	-
1700	2,374	1,461	1,546	1,899	1,478	1,482	1,383	-
1800	2,391	1,468	1,554	1,921	1,486	1,490	1,391	-
1900	2,407	1,475	1,561	1,942	1,493	1,497	1,399	-
2000	2,422	1,482	1,569	1,962	1,501	1,503	1,407	-
2100	2,435	1,489	1,575	1,982	1,507	1,510	1,418	-
2200	2,448	1,495	1,583	2,000	1,513	1,516	1,422	-
2300	2,460	1,501	1,589	2,018	1,519	1,521	1,430	-
2400	2,471	1,506	1,596	2,036	1,525	1,526	1,437	-
2500	2,481	1,511	1,602	2,052	1,530	1,532	1,444	-

Примечание. Теплоемкость двуокиси серы с достаточной степенью точности может быть принята равной теплоемкости углекислого газа.

Приложение 5. Коэффициент теплового излучения газового объема СО₂

Приложение 6. Коэффициент теплового излучения газового объема Н₂О

Приложение 7. Поправочный коэффициент β для расчета коэффициента теплового излучения газового объема Н₂О

Приложение 8. Средняя теплоемкость и теплопроводность различных сталей

Температура,	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000	1100	1200	1300
Свойство	Средняя теплоемкость
углеродистых	486	507	523	540	561	590	620	695	695	691	687	683	683
низколегированных	486	502	519	536	548	586	645	695	687	691	690	688	686
нержавеющих	469	486	507	532	561	599	636	682	678	682	687	691	695
жаропрочных	502	511	523	536	544	553	561	569	578	582	586	594	599
Свойство	Теплопроводность
малоуглеродистых	56	53	48	45	41	37	34	30	27	27	28	30	32
средне углеродистых	49	48	46	42	39	36	32	28	26	27	28	30	32
высокоуглеродистых	46	44	41	38	35	32	29	24	25	26	28	30	32
хромистых	45	42	39	36	34	32	30	28	29	30	31	32	33
марганцовистых	42	40	39	37	35	34	31	26	27	28	39	30	31
хромокремнистых	41	39	38	36	33	32	29	27	28	28	29	31	32
кремнемарганцовистых	42	41	40	39	36	35	34	32	31	32	33	34	35
хромомолибденовых	44	42	41	39	36	32	30	29	28	29	30	31	32
нержавеющих	28	28	27	27	27	26	26	25	26	26	27	28	29
жаропрочных	15	16	18	19	21	23	25	27	29	30	31	32	33

Приложение 9. График для определения продолжительности выдержки металла на монолитном поду двухзонной методической печи при t_г = const

Приложение 10. Свойства огнеупорных и теплоизоляционных материалов

Материал	Плотность, кг / м3	Коэффициент теплопроводности, Вт / (м·К)	Средняя теплоемкость, кДж / (кг·К)	Предельная температура применения, °С
Динас обычный	1900 – 2000	0,82 + 0,00068·t	0,87 + 0,00019·t	1700
Динас плотный	2000 – 2100	1,6 + 0,00038·t	0,87 + 0,00019·t	1700
Шамот	1800 – 2000	0,7 + 0,00064·t	0,87 + 0,00021·t	1350
Шамот класса А	1800 – 9000	0,9 + 0,00023·t	0,87 + 0,00021·t	1350
Магнезит	2600 – 2800	6,3 – 0,0027·t	1,05 + 0,00015·t	1700
Хромомагнезит	2700 – 2850	2,8 – 0,00087·t	1	1700
Шамотный легковес	1300	0,47 + 0,0038·t	0,87 + 0,00021·t	1300
Шамотный легковес	800	0,23 + 0,0022·t	0,87 + 0,00021·t	1200
Динасный легковес	1000	0,3 + 0,0037·t	0,87 + 0,00019·t	1500
Диатомит	600	0,12 + 0,0015·t	0,9	900
Асбестовый картон	1000 – 1250	0,16 + 0,0014·t	0,85	500
Плиты из каолиновой ваты	400	0,12 + 0,0016·t	0,87 + 0,00021·t	1250
Минеральный войлок	250 - 300	0,06 - 0,000008·t	1	650

Приложение 11. Коэффициенты местных сопротивлений

Тип местного сопротивления	Коэффициент местного сопротивления		К какой скорости относится
Внезапное сужение канала	F2 / F1	ξ	W2
	0,1	0,47
	0,2	0,42
	0,3	0,38
	0,4	0,34
	0,5	0,29
	0,6	0,24
	0,7	0,18
	0,8	0,13
	0,9	0,06
Внезапное расширение канала	F2 / F1	ξ	W1
	0,1	0,81
	0,2	0,64
	0,3	0,50
	0,4	0,36
	0,5	0,25
	0,6	0,16
	0,7	0,09
	0,8	0,04
	0,9	0,01
Выход из канала	ξ = 1,0
Вход в отверстие с острыми краями	ξ = 0,45 – 0,50
Простое колено квадратного сечения	α	ξ
	20°	0,11
	40°	0,30
	60°	0,53
	80°	0,83
	100°	1,30

Приложение 12. График для определения высоты трубы

2