Рисунок 1. Компоновка пода печи
4. ВЫБОР КЛАДКИ. КОМПАНОВКА ПЕЧИ
Огнеупорные слои печи выполняем из шамота класса Б толщиной в 1 кирпич - 230 мм Теплоизоляционные слои стен и пода выполняем из диатомитового кирпича,
толщиной в 1/2 кирпича - 115 мм Для защиты от механического воздействия и устранения фильтрации газов применяем кожух толщиной 4 мм.
Свод печи выполняется арочного типа. Огнеупорный слой выполняется из шамотного фасонного (клин-торец) и прямого кирпича. Толщина огнеупорного слоя 230 мм. Для уменьшения потерь тепла через кладку сверху осуществляем засыпку инфузорной землей и покрываем уплотнительной обмазкой. Толщина засыпки 115 мм Под печи выполняется трехслойным:
1-й слой - хромомагнезит (толщина 60 мм)
78
2-й слой - шамот (толщина 230 мм)
3-й слой - диатомит (толщина 115 мм)
Размеры окна загрузки/выгрузки: Высота окна:
H окна = 0,3 м
Ширина окна:
Bокна = 23 B =2/3*0,97=0,65 м Толщина окна:
Sокна = 0,34 мм
79
5.ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ТОПЛИВА.
5.1.Приходные статьи баланса:
5.1.1. Химическая теплота топлива
QX = B × QHP = 35764,9*B=35764,9*B кВт,
где В – неизвестный пока расход топлива, м3/с или кг/с; Qнр – низшая теплота сгорания топлива, [кДж/м3] или [кДж/кг].
5.1.2. Тепло вносимое подогретым воздухом
QB = B × Lα × CB × tB =9,98*1,3*40*B=518,59*B кВт,
где Lα – действительный расход воздуха на единицу топлива, [м3/м3] или
[м3/кг]; Св – теплоемкость воздуха, [Дж/(м3°С)]; tB – температура подогретого воздуха, [°С].
5.1.3. Тепло от экзотермической реакции горения железа QЭКЗ = q × G × a =5650*0,18*0,02=20,3 кВт,
где G – секундная весовая производительность, [кг/с]; а – угар стали, [%]. Для камерных кузнечных печей а = 0,02…0,03 %; Принимаем а = 0,02; q = 5650 кДж/кг – количество тепла получаемое при окислении 1 кг железа.
5.2. Расходные статьи баланса:
5.2.1. Тепло затрачиваемое на нагрев стали.
Q1 = G × C × (tк - tн ) = 0,18*0,68*(1250-20)=149,82 кВт,
где C – средняя теплоемкость металла, [Дж/(кг∙°С)]; tк и tн – конечная и начальная температура металла, [°С].
5.2.2. Потери тепла с уходящими газами
Q2 = 1,05 × B × Vα × CПГ × tПГ =1,05*11,01*1,58*1300*B=23738,81*B кВт,
где Vα – объем газов на единицу топлива, [м3/м3] или [м3/кг]; Спг =1,58,, средняя теплоемкость продуктов сгорания, [кДж/(м3сС)]; tпг температура газов, уходящих из печи, [°С].
5.2.3. Потери тепла от химической неполноты сгорания топлива
Q3 = B × QHP × kПГ =35764,9*0,02*B=715,3*B [кВт], где kПГ - коэффициент неполноты сгорания, kПГ =0,02
5.2.4. Потери тепла через кладку, открытое окно и неучтенные потери
80
Q4 = Qкл + Qотв + Qнеучт
1) Теплопроводности используемых материалов имеют следующие значения,[
Вт /( м×о С) ]:
шамот λ = 1,04 + 1,51 ×10 − 4 t хромомагнезит λ = 7,2 - 4,2 ×10 − 3 t
диатомитовый кирпич λ = 0,16 + 3,15 ×10 − 4 t
Значения теплопроводностей слоев необходимо выбрать по средним температурам, которые можно вычислить по следующим формулам:
Двухслойная кладка:
Средняя температура
внутреннего слоя: t1 = 0,5× (tП + tв ) =0,5*(1300+20)=660 °С наружного слоя t2 = 0,5× (t1 + tв ) =0,5*(660+20)=340 °С
где tв - температура окружающего воздуха (принимаем tв =20 оС ), tП -
температура рабочего пространства печи, [°С].. Тогда теплопроводности слоев:
шамот λ = 1,04 + 1,51 ×10 − 4 t =1,04+1,51*10-4*660=1,14 Вт /( м2 ×о С) диатомитовый кирпич λ = 0,16 + 3,15 ×10 − 4 t =0,16+3,15*10-4*340=0,27
Вт /( м2 ×о С)
Трехслойная кладка:
Средняя температура
внутреннего слоя: t1 = 0,5× (tП + t2 ) = 0.5*(1300+660)=980 °С промежуточного слоя t2 = 0,5× (tП + tв ) =0.5*(1300+20)=660 °С наружного слоя t3 = 0,5× (t2 + tв ) =0.5*(660+20)=340 °С
где tв - температура окружающего воздуха (принимаем tв =20 оС ), tП - температура рабочего пространства печи, [°С]..
шамот λ = 1,04 + 1,51 ×10 − 4 t =1,04+1,51*10-4*660=1,14 Вт /( м2 ×о С) диатомитовый кирпич λ = 0,16 + 3,15 ×10 − 4 t =0,16+3,15*10-4*340=0,27
Вт /( м2 ×о С)
хромомагнезит λ = 7,2 - 4,2×10 − 3 t :=7.2-4.2*10-4*980=3,08 Вт /( м2 ×о С)
2) Суммы тепловых сопротивлений отдельных частей кладки R :
81
под: Rпод = S1 / λ 1 + S2 / λ 2 + S3 / λ 3 = |
|
= 0,12/0,27+0,23/1,14+0,06/3,08 =0,65 м2 ×о С / Вт |
|
где S1 , S2 , S3 - толщины слоев пода, а λ1 , λ 2 , λ3 - |
|
соответствующие им теплопроводности |
|
свод: Rсвод = S1 / λ 1 + S2 / λ 2 =0,12/0,27+0,23/1,14=0,63 |
м2 ×о С / Вт |
где S1 , S2 - толщины слоев свода, а λ1 , λ 2 |
- соответствующие им |
теплопроводности |
|
стены: Rстен = S1 / λ 1 + S2 / λ 2 =0,12/0,27+0,23/1,14=0,63 м2 ×о С / Вт |
|
где S1 , S2 - толщины слоев стен, а λ1 , λ 2 |
- соответствующие им |
теплопроводности |
|
3) Площади наружных поверхностей, м2:
передняя и задняя стены: FПС = FЗС = LН × H Н =1,95*1,53=2,98 м2
торцевые стены: FТС = BН × H Н =1,66*1,53=2,53 м2 свод: FC = BН × LН =1,66*1,95=3,24 м2
под: FП = BН × LН =1,66*1,95=3,24 м2
где BН , LН , H Н - наружные размеры печи
4) Коэффициенты теплоотдачи для наружных поверхностей кладки α :
Свода α св = 35 Вт /( м2 ×о С) Стен α ст = 25 Вт /( м2 ×о С) Пода α П = 15 Вт /( м2 ×о С)
5) Тепловые потери кладкой в окружающее пространство Для вычисления потерь воспользуемся следующей формулой:
Q = |
(tП - tв ) × F |
|
||||
(1/α Г + |
å |
Si |
+ 1/α ) , где tП и tв – соответственно температура газов в |
|||
|
||||||
|
|
|
λ i |
|||
печи и окружающего ее воздуха, [0С]; F – наружная поверхность кладки, |
||||||
[м2]; α Г и α |
– коэффициенты теплоотдачи, [Вт/(м2∙°С)]; λi – теплопро- |
|||||
водность i-го слоя, [Вт/(м∙°С)]; si – толщина слоя, [м].; 1/α Г - тепловое сопротивление теплоотдачи от газов к внутренней поверхности кладки, принимаем равным 1/348 = 0,003 .
Потери сводом: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Qсвод |
= |
|
|
|
|
|
(tП |
|
- |
tв ) × FС |
|
|
|
=((1300-20)*3,24)/(0.003+0,63+1/35)=6240,6 |
Вт |
|||||
|
|
(1/α |
|
Г |
+ |
R |
|
+ 1/α |
) |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
свод |
|
|
|
|
|
|
|
||
Потери подом: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Qпод |
= |
|
|
|
|
(tП |
- |
tв ) × FП |
|
=((1300-20)*3,24)/(0.003+0,65+1/15)=5742,81 |
Вт |
|||||||||
(1/ |
α Г |
|
+ |
|
Rпод + |
1/α ) |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
Потери торцевыми стенами: |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
QТС = |
|
|
|
(tП |
|
- |
tв ) × FТС |
|
=((1300-20)*2,53)/(0.003+0,63+1/25)=4801,48 Вт |
|||||||||||
(1/α |
|
Г |
|
+ |
R |
стен |
+ 1/α ) |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Потери передней и задней стенами: |
|
|||||||||||||||||||
QЗПС |
= |
|
|
|
|
(tП |
- |
tв ) × FПС |
|
|
|
=((1300-20)*2,98)/(0.003+0,63+1/25)=5640,3 Вт |
||||||||
(1/ |
α |
Г |
+ |
R |
|
+ 1/α |
|
) |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
стен |
|
|
|
|
|
|
|||
Суммарные потери кладкой:
QКЛ = Qсвод + Qпод + 2× QТС + 2× QЗПС =6240,6+5742,81+2*4801,48+2*5640,3 =32866,97 Вт
6) Потери тепла через открытое окно:
|
|
é |
æ |
|
T |
ö |
4 |
æ |
|
T |
ö |
4 |
ù |
|
|
QОТВ |
= С0 ê |
ç |
|
|
÷ |
|
- ç |
|
|
|
÷ |
|
ú × Fотв |
× τ отк × kд , |
|
100 |
|
100 |
|
||||||||||||
|
|
ê |
è |
ø |
|
è |
ø |
|
ú |
|
|||||
|
|
ë |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
û |
= tнагр × 0,3 =0,33*0,3=0,1 |
где τ отк - время открытия окна, τ отк |
|||||||||||||||
Fотв |
=0,65*0,3=0,19 - площадь отверстия; |
||||||||||||||
С0 |
- коэффициент излучения абсолютно черного тела С0 = 5,7 Вт/(м∙°С); |
||||||||||||||
kд |
- коэффициент диафрагмирования |
|
|||||||||||||
kд = (1+ ϕ 1− 2 ) / 2 =(1+0,15)/2=0,58 |
|
||||||||||||||
где ϕ1− 2 - угловой коэффициент с поверхности F1 на F2, |
|||||||||||||||
ϕ 1− 2 |
= L /(L + S) =0,26/(0,26+0,34)=0,15 |
||||||||||||||
где L – эквивалентный размер полости окна, |
|||||||||||||||
L = |
|
4× |
a × b × s |
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|||
2× (a × b + b × s + s × a) |
|
|
|
|
|||||||||||
83
=(4*0,3*0,65*0,34)/(2*(0,3*0,65+0,65*0,34+0,34*0,3))=0,26 м где a, b, s – высота, ширина и толщина окна соответственно
é |
æ |
|
T |
ö 4 |
æ |
|
T |
ö |
4 ù |
|
|
QОТВ = С0 ê |
ç |
|
П |
÷ |
- ç |
|
в |
÷ |
ú |
× Fотв × τ отк × kд =5,7*[((1300+273)/100)4- |
|
100 |
100 |
||||||||||
ê |
è |
ø |
è |
ø |
ú |
|
|||||
ë |
|
|
|
|
|
|
|
|
û |
|
|
((20+273)/100)4]*0,19*0,1*0,58=3916,56 Вт
7) Прочие потери:
Неучтенные потери принимаем равными 5% от потерь тепла кладкой в окружающее пространство
Qнеучт = (QКЛ + QОТВ ) × 0,05 =(32866,97+3916,56)*0,05=1839,18 Вт
Тогда, потери тепла через кладку, открытое окно и прочие потери: Q4 = QКЛ + QОТВ + Qнеучт =32866,97+3916,56+1839,18=38622,7 Вт
7.3 Уравнение теплового баланса:
QX + Qэкз + QB = Q1 + Q2 + Q3 + Q4
35764,9*B+20,3+518,59*B=149,82+23738,81*B+715,3*B+38,62 Решаем уравнение и находим B – расход топлива:
B=(149,82+38,62-20,3)/(35764,9+518,59-23738,81- 715,3)=168,14/11829,38=0,0142136 кг/с =51,17 кг/ч
Вычисляем значения отдельных статей баланса ( QX , QB , Q2 , Q3 ), связанных с расходом топлива В.
QX =35764,9*0,0142136070064038=508,35 кВт QB =518,59*0,0142136070064038=7,37 кВт Q2 =23738,81*0,0142136070064038=337,41 кВт
Q3 =715,3*0,0142136070064038=10,17 кВт Полученные результаты записываем в таблицу:
84
Статьи прихода |
Числовое |
|
теплоты |
значение |
|
|
кВт |
% |
Химическая теплота |
508,35 |
94,84 |
топлива |
|
|
Физическая теплота |
7,37 |
1,38 |
воздуха |
|
|
Теплота экзотермиче- |
20,3 |
3,79 |
ской реакции |
|
|
Всего: 536,02 100
Статьи расхода теплоты |
Числовое |
|
|
значение |
|
|
кВт |
% |
На нагрев стали |
149,82 |
27,95 |
С дымовыми газами |
337,41 |
62,95 |
С химическим |
10,17 |
1,9 |
недожогом |
|
|
Потери через кладку, |
38,62 |
7,21 |
открытое окно и прочие |
|
|
потери |
|
|
|
|
|
Всего: |
536,02 |
100 |
|
|
|
85
6. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ПЕЧИ
6.1 Термический КПД:
η терм = Qмет × 100% =149,82/536,02*100%=27,95 %
Qприх
6.2 Эффективный КПД – показывает эффективность использования топлива:
η эф = |
Qмет |
×100% =149,82/508,35*100%=29,47 % |
|
||
|
Qтопл |
|
6.3 Удельный расход топлива (на нагрев 1кг (т) металла):
b = |
B |
= 51,17/0,65=79,12 |
м3 |
|
|
G |
кг |
||||
|
|
||||
6.4 Удельный расход условного топлива: |
|||||
bусд = |
|
В × Q р |
|
|
|
м3 |
||
|
|
н |
= (51,17*35764,9)/(0,65*29300)=96,58 |
|
||||
|
G × 29300 |
кг |
||||||
|
|
|
|
|
|
|||
6.5. Напряженность площади пода: |
|
|||||||
b = |
|
G |
=646,73/1,22=571,49 |
м3 |
|
|||
Fпода |
|
|
||||||
кг |
|
|
||||||
ВЫВОДЫ
В соответствии с заданием кафедры мною спроектирована камерная нагревательная печь с параметрами соответствующими требованиями, предъявляемыми к печам кузнечного производства. Предусмотрен рекуператор для подогрева первичного воздуха.
86