ДКР по Металлургии (2)

Міністерство освіти та науки, молоді та спорту України

Запорізька державна інженерна академія

Кафедра автоматизованого управління технологічними процесами

Контрольна робота

З курсу: «Віробничі процеси та обладнання об’єктів автомотизації»

Виконала: ст.гр. АТП – 09 Галуза М. В.

Прийняв: доц.каф.АУТП Ткаченко Є.А.

Запоріжжя 2011

В таблиці 1 наведено теплоту згоряння складових палива і склад палива.

Табл. 1

Газ	Формула	Нижня t горіння, МДж/м3	Склад газу, %
Водень	Н2	10,8	—
Монооксид вуглецю	СО	12,7	—
Метан	СН4	35,7	42,7
Етан	С2Н6	63,5	20,0
Пропан	С3Н8	91,9	19,5
Бутан	С4Н10	118,6	9,5
Пентан	С5Н12	146,1	2,9
Бензол	С6Н6	146,2	—
Сірководень	H2S	23,4	—
Азот	N2	—	5,2
Двуокис вуглецю	СО2	—	0,2
Вода	Н2О	—	—

t_н = 1000°С, t_в = 500°С, f_в=17,6 г/м³, α = 1,14

1 Розрахунок горіння палива

1.1 Визначаємо теоретичну витрату повітря для горіння палива даного складу:

де СО, H₂S, Н₂ – вміст складових газу, %

m, n – стехіометричні коефіцієнти вуглеводнів

f_в – коефіцієнт вологості повітря, г/м³.

1.2 Визначаємо дійсну витрату повітря:

де α – коефіцієнт витрати повітря.

1.3 Визначаємо кількість та склад продуктів горіння:

де - загальний об’єм продуктів горіння

- об’єм складових процесу горіння.

1.3.1 Визначаємо об’єм СО₂ за формулою:

1.3.2 Визначаємо об’єм Н₂О за формулою:

1.3.3 Визначаємо об’єм N₂ за формулою:

1.3.4 Визначаємо об’єм О₂ за формулою:

1.3.5 Визначаємо об’єм SО₂ за формулою:

1.4 Визначаємо процентний склад продуктів горіння

1.5 Визначаємо теплоту згорання палива

1.5.1 Визначаємо ентальпію (тепловміст) суміші продуктів згорання:

, де

- фізичне тепло, яке вноситься підігрітим паливом, МДж/м³

- фізичне тепло, яке вноситься підігрітим повітрям, МДж/м³.

=0

, де

- тепловміст повітря при t_в=500°С

=0,6724 МДж/м³.

Отримане значення порівнюємо з даними таблиці 2 і обираємо найближчу величину t_п.г., але не меншу за розраховану. табл. 2

tп.г., °С	1300	1400	1500	1600	1700	1800	1900	2000	2100	2200
іп.г.,МДж/м3	2,063	2,247	2,430	2,630	2,832	3,040	3,272	3,520	3,782	4,065

Обираємо температуру t₁=1800°С

1.6 Визначення калориметричної температури від згорання газу даного складу.

Спочатку визначаємо ентропію системи за визначеної температури t₁.

Необхідно зважати на те, що: і₁ <і_п.г. <і₂

t₂=1900°С

Калориметрична температура:

1.7 Визначаємо дійсну температуру в печі

t_д= t_кη, де

η – пірометричний коефіцієнт роботи печі

η=0,63

t_д = 1800*0,63=1134 °С

2 Розрахунок часу нагрівання заготівки.

Приймаємо:

t_п = 1100°С t_н = 1000°С t₀ = 20°С

2.1 Визначаємо тепловий потік на початку інтервалу нагрівання

, де

1,1 – коефіцієнт, що враховує передачу тепла конвекцією

С_n – приведений коефіцієнт випромінювання системи газ – кладка – метал

Розраховується як:

С_n=ε С₀, де

ε – коефіцієнт чорноти тіла, ε = 0,56

С₀ – коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла

2.3 Розраховуємо коефіцієнт тепловіддачі на початку нагрівання

2.4 Розраховуємо коефіцієнт тепловіддачі наприкінці нагрівання

2.5 Розраховуємо середнє значення коефіцієнту тепловіддачі

2.6 Визначаємо теплофізичні властивості сталі

Сталь 50 (С = 0,5%, Mn = 0,3%, Si = 0,2%).

2.6.1 Розраховуємо середнє значення коефіцієнту теплопровідності сталі:

λ₁ – коефіцієнт теплопровідності сталі на початку нагрівання на поверхні заготівки, Вт/м²С,

λ₂ – коефіцієнт теплопровідності сталі на початку нагрівання в центрі заготівки, Вт/м²С,

λ₃ – коефіцієнт теплопровідності сталі в кінці нагрівання на поверхні заготівки, Вт/м²С.

Для цього визначаємо:

λ₀ =λ₁ =1,163(60 - 8,7С – 14,4Mn - 29Si) = 1,163(60 - 8,7*0,5 – 14,4*0,3 – 29*0,2) = 52,99 Вт/м²С.

λ₂₀₀ = 0,95λ₀ = 50,43 Вт/м²С

λ₄₀₀ = 0,85λ₀ = 45,04 Вт/м²С

λ₆₀₀ = 0,75λ₀ = 39,74 Вт/м²С

λ₈₀₀ = 0,68λ₀ = 36,03 Вт/м²С

λ₁₀₀₀ = 0,68λ₀ = 36,03 Вт/м²С

λ₁₂₀₀ = 0,73λ₀ = 38,68 Вт/м²С.

Будуємо графік λ = f(t)

2.6.2 Визначаємо щільність сталі:

ρ = 7880 – 40С - 16Mn - 73Si = 7880 – 40*0,5 – 16*0,3 – 73*0,2= 7840,6 г/м³

2.7 Визначаю значення критерію Біо:

h=0.36м. Нагрівання однобічне, отже

S=0.36м,так як при однобічном нагріві S=1S.

Bi =(α_общ *S)/λ_сер = (219.78*0,96)/47.3 =1.67

Виходячи із значення критерію Біо – тіло термічно масивне.

Визначаю значення температурного критерію поверхні:

Ф_п = ((t_печі – t_к)/(t_печі – t₀)) = (1100-1000)/(1100-20) = 0,092

Визначаю значення критерію Фур’є за допомогою кривих Бурдіна (Додаток 2):

F₀ = 1,9

За отриманим значеням F₀ визначаю температурний критерій центру заготівки:

Ф_ц = 0,5

Визначаю попередню температуру центру заготівки:

t_ц = t_п - Ф_ц*(t_п-t₀) = 1100-0,5*(1100-20) = 560 °С

Уточнюю значення λ_сер:

λ_сер =(λ₁+ λ₂+ λ₃+ λ₄)/4, де

λ₄ – значення коеф-ту теплопровідності центру заготівки в кінці нагріву.

λ₄ = 36Вт/м²∙°С (з побудованого графіка)

λ_сер = (52.29+52.29+35.56+40.25)/4= 45,097 Вт/м²∙°С

Перераховую значення критерію Біо:

Bi =(α_общ *S)/λ_сер = (219,34*0.36)/45,097 = 1,75

Уточнюю значення критерію Фур’є:

F₀ = 1,8

Уточнюю значення температурного критерію центру заготівки Ф_ц:

Ф_ц = 0,24

Визначаю кінцеву температуру центру заготівки:

t_ц = t_п – Ф_ц*(t_п-t₀) = 1100-0,24*(1100-20)=840.8 °С

Визначаю перепад температур за перетином заготівки:

Δt_к = t_к – t_ц = 1000-840.8 =159.2 °С

Визначаю середню температуру заготівки за перетином:

t_ср = t_к – 0.5*Δt_к = 1000-1/3*159.2 =946,93 °С

За допомогою додатку 1 визначаю ентальпію сталі на початку та в кінці нагрівання:

i₀ = 9.46 кДж/кг, i_ср = 652.46 кДж/кг

Визначаю розрахункову теплоємність:

С_р = ((і_тср-і₀)/(t_ср-t₀) = ((652.46-9.46)/(946,93-20) = 0,694 кДж/кг∙°С

Визначаю середнє значення коеф-ту температуропровідності:

α_ср = λ_сер/(С_р-ρ_ст) = 8.29*10^-6 , м²/с

Визначаю час нагрівання заготівки:

τ = (F₀*S²)/α_ср = (1,8*0,36²)/8,29*10^-6 = 28139.9с = 7,81 ч.

τ_{витримки} = 3 ч.

τ_общ = τ_н+τ_в = 7,81+3=10,81 ч.

3 РІВНЯННЯ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСУ ПЕЧІ.

Тепловий баланс печі – це важлива характеристика теплової роботи печі, яка є виразом закону збереження енергії.

Стосовно до промислової печі це рівняння дозволяє знайти необхідний видаток палива та провести технологічний аналіз роботи печі.

Рівняння ТПБ складається з 2-х частин:

1. Прибуток тепла

2. Витрати тепла

Воно складається на одну годину роботи (для печей безперервної дії), або на період роботи (для печей періодичної дії – камерних печей).\

Урівнюючі прибуткові та витратні статті, отримають рівняння теплового балансу, із якого і визначають витрату палива В_т.

Рівняння теплового балансу:

Q_x.т + Q_ф.в.+Q_екз = Q_н+Q_ух.+Q_под.+Q_кл+Q_ізл.+Q_акк.+Q_н.п.

де:

Q_x.т – хімічне тепло, яке вноситься паливом, МДж

Q_ф.в – фізічне тепло, яке вноситься підігрітим повітрям, МДж

Q_екз – фізічне тепло, яке вноситься екзотермічними реакціями, МДж

Q_м – тепло, яке витрачається на нагрівання металу садки, МДж

Q_ух – тепло, яке виноситься газами, що уходять, МДж

Q_под – тепло, яке витрачається на нагрівання підставок, МДж

Q_кл – тепло, яке віддає кладка печі в атмосферу, МДж

Q_ізл – тепло, яке витрачається випромінюванням з печі, МДж

Q_акк – тепло, яке акумулює кладка, МДж

Q_н.п – тепло неврахованих витрат, МДж

3.1Розрахунок прибуткових статей:

Q_x.т = Q_н^р * В_т * τ_общ , де:

В_т – витрата палива, м³/год

Q_н^р – теплота згорання палива, МДж/м³

τ_общ – загальний час нагрівання, год

Q_x.т = 47.41*10,81*В_т =512,5В_т , МДж

Q_ф.в = Q_ф^в * В_т * τ_общ = 12.594*10,81*В_т = 136.14 В_т ,МДж

Q_екз = Q_Fe*G_m*0.01a, де:

Q_Fe – тепловий ефект реакції окислювання заліза (Q_Fe = 5,650 МДж/кг)

G_m – маса садки, кг (G_m – 15500 кг)

а – відсоток угару заліза (а = 1,5%)

Q_екз = 5,650*15500*0.01*1,5 = 1313.63 МДж

3.2Витратні статті балансу:

Витрати тепла на нагрівання металу садки:

Q_м = G_m*(і_к-і₀)=15500*(652,46-9,46) =9966,5 МДж (ік та іо – з додатку 1)

Витрати тепла, яке виноситься газами, що уходять:

Q_ух = V_д*і_д*В_т*τ_общ , де V_д – загальна кількість продуктів згорання, м³/м³

і_д – ентальпія продуктів горіння при температурі печі t_п, МДж/м^{3 ­­}_­­­

tп,°С	800	900	1000	1100	1200	1300	1400	1500
ід, МДж/м3	1,21	1,35	1,5	1,685	1,87	2,063	2,23	2,43

Q_ух = 20,57*1,685*10,81*В_т = 374,64 В_т , МДж

3.3Витрати тепла крізь кладку печі:

Q_кл = 3,6*F_н*α*(t_н-t_в)*τ_общ*10^-3 , де F_н – зовнішня поверхня кладки печі, м²

α – коеф-т тепловіддачі від зовнішньої поверхні до навколишнього середовища, Вт/м²∙°С

Приймаю t_н (температура зовнішньої поверхні печі) = 60°С, а температуру навколишнього середовища t_в = 20°С.

α_{склепіння} = 14,1 Вт/м²∙°С

α_стін = 11,9 Вт/м²∙°С

α_череня = 9,7 Вт/м²∙°С

У моїй печі я буду використовувати кладку в дві цеглини (h_сл = 0,460м)

L_п (довжина печі) = 15,7м, В_п (ширина печі) = 2,14м, Н_п (висота печі) = 1,20м.

F_стін = (1,20*2,14+15,7*1,20)*2=42,8 м²

F_пода = 15,7*2,14 =33,6 м²

F_череня = 1,2*33,6= 40,3 м²

Q_стін = 3,6*42,8*11,9*40*10,81*10^-3 =792,8 Мдж

Q_череня = 3,6*40,3*14,1*40*10,81*10^-3 = 884,5 МДж

Q_зводу = 3,6*33,6*9,7*40*10,81*10^-3 = 507,3 МДж

F_{загальне} = F_стін + F_зводу+ F_череня =116,7м²

Q_{загальне} = Q_стін + Q_зводу + Q_череня =2184,6МДж

3.4Витрати тепла випромінюванням:

Q_ізл = 3,6*С₀*[(T_п/100)⁴-(Т_окр/100)⁴]*F_вікна*ψ*τ_відкр*10^-3, де

С₀ – коеф-т випромінювання абсолютно чорного тіла (С₀ = 5,67 [Вт/м²∙°С]⁴)

F_вікна – площа вікна загрузки, м² (F_вікна = 1,78 м²)

ψ – коеф-т діафрагмування (ψ = 0,7%)

τ_відкр – час посаду, год (τ_відкр = 0,28 год)

Q_ізл = 3,6*5,67*[(1373/100)⁴-(293/100)⁴]*1,78*0,7*0,2*10^-3=252,5 МДж

3.5Витрати тепла, акумулюваного вогнетримкою кладкою:

Q_{акк ­}= V_огн * ρ_огн * (і_к-і_н)* 10^-3 , де V_огн – об’єм вогнетримкого шару, м³

V_огн = h_cл* F_{загальне} = 0,460*116,7 =53,68м³

ρ_огн – щільність вогнетриву. Оскільки використовую шамот, ρ_шамоту = 1860 кг/м³.

і_к – ентальпія шару вогнетрива на кінці и на початку нагрівання при заданій температурі цього шару в кінці і на початку нагрівання.

t_огн ^кон = (t_нар+t_к)/2, де

t_нар – зовнішня температура печі.

t_огн ^кон = (60+1000)/2 = 530 °С

t_огн ^нач = t_огн ^кон - 50 °С =480 °С

і_н = (0,808+0,628*( t_огн ^нач/1000))* t_огн ^нач=

(0,808+0,628*480/1000)*480=532,5кДж/кг

і_к = (0,808+0,628*( t_огн ^кон/1000))* t_огн ^кон = (0,808+0,628*530/1000)*530=604,64 кДж/кг

Q_акк = 53,68*1860*(604,64-532,5)10^-3 =7202,8 МДж

3.6 Витрати тепла неврахованих витрат:

Визначається як 15-20% від усіх видаткових статей за винятком Q_ух та Q_н.

Q_н.п. = 0,20*( Q_под + Q_изл + Q_кл + Q_акк ) = 0,20*(0+252,5+2122+7202,8)=1915,46 МДж

Складаю рівняння теплового балансу:

512,5В_т+136,14В_т+1313,63=9966,5 +374,64В_т +0+284,6+7202,8+1915,46;

В_т = 65,9 м³/год

Q_x.т =512,5*В_т = 33772,2 МДж

Q_ф.в =136,14*В_т =8871,2 МДж

Q_ух = 374,64*В_т = 24667,5МДж

Складаю таблицю теплового балансу печі:

Прибуток			Витрати
Стаття	МДж	%	Стаття	МДж	%
Qx.т	36772,2	76,66	Qм	9966,5	45,7
Qф.в	8871,2	20,36	Qух	24667,5	1,7
Qекз	1313.63	2,98	Qпод	0	0
			Qкл	2120	9, 7
			Qізл	252,5	1,15
			Qакк	7202,8	32,98
			Qн.п	1915,46	8,77
∑	47057,03	100	∑	46124,76	100

Розраховую нев’язку теплового балансу:

((47057,03-46124,76)/47057,03)*100% = 1,77%.

Получена нев’язка складає менше 2-х відсотків, отже всі розрахунки зроблено вірно.

Розраховую термічний ККД печі:

η = Q_м / (Q_x.т + Q_екз)*100% = 9966,5/(36772,2+1313,63)*100% =26,16%.

Розраховую продуктивність термічної печі:

Р = G_н/ τ_общ = 15,500/10,81 = 1,67 т/год

Дані розрахунки зведу до таблиці:

Технічна характеристика	Умовне позначення	Чисельне значення
1. Продуктивність печі, т/год	Р	1,67
2. Маса садки, т	Gн	15,500
3. Робоча температура в печі, °С	tп	1100
4. Розміри робочого простору печі:
~довжина, м	Lп	15,7
~ширина, м	Вп	2,14
~висота, м	Нп	1,20
5. Теплота сгорання палива, МДж/м3	Qнр	41,99
6. Час нагрівання садки, год	τобщ	10,81
7. Середньогодинна витрата палива, м3/год	Вт	63,9
8. Об'єм продуктів згорання, м3/м3	Vд	13,9
9. ККД печі, %	η	26,16

Висовок:

В ході виконання контрольної роботи вирішили рівняння теплового балансу,яке має вигляд:

512,5В_т+136,14В_т+1313,63=9966,5 +374,64В_т +0+284,6+7202,8+1915,46За його допомогою знайшли необхідний видаток палива,який дорівнює В_т = 63,9 м³/год,та провели аналіз печі.

Розрахували термічний ККД печі,він складає 26,16%,та продуктивність печі Р=1,67т/год. ККД печі малий,для збільшення необхідно змінити паливо,скорегувати массу садки .Також одним з варіантів збільшення ККД є зміна відсотку угара заліза,який залежить від якості шихти.

Додаток 1

Тепловміст заліза та вуглецевих сталей, кДж/кг

Темпе- ратура, °С	Чисте залізо	Вміст вуглецю, %
		0,09	0,234	0,3	0,54	0,61	0,795	0,92	0,994	1,235	1,41
100	46,5	46,5	46,5	46,9	47.3	47,7	48,1	50,2	48,6	49,4	48,6
200	98,0	95.46	95,9	95,9	95,9	96,3	96,7	100,5	99,2	100,0	98,8
300	153,2	148,2	149,9	150,7	151,6	152,8	154,5	155,7	154,5	154,9	154,5
400	214,4	205.2	206,0	206,4	208,9	209,8	210.2	213,5	211,0	213,1	210,6
500	280.5	265,4	266,7	267,5	268,4	269,2	271,3	275,9	274,1	276.2	274,1
600	356,7	339,1	340,0	340,8	343,3	343,7	344,6	349,6	346,3	347,5	345,4
700	421.6	419.1	419,5	420,8	422.9	423,7	424,6	427,5	421,9	427,9	425,4
800	505,03	531.74	542,63	550,6	547,7	542,2	550,2	550.2	544,3	548,5	544,3
900	584.09	629.3	631,4	628,1	620,1	616,7	610,9	602,9	605,0	602,9	605,8
1000	675,24	704,2	701,7	698,8	689,2	686,7	379,1	653.6	670,7	661,1	673,3
1100	744,24	780,9	772,5	768,3	760,8	757,4	749,5	724,8	741.1	732,3	744,9
1200	815,50	850,4	844,5	841,6	831,5	820,6	821,1	791,3	804,3	795,5	813,1
1300	-	855,5	880,1	877,6	868,8	876,3	856,2	824,8	841,6	833,2	849,5