2Основна частина
В якості прикладу була вибрана секційна піч, яка розташована в технологічній лінії виготовлення труб ТПЦ №4 ВАТ Інтерпайп НТЗ.
Метою розрахунку є дослідження роботи секційної печі.
Вихідні дані для розрахунку:
а) призначення печі - відпал труб;
б)Розміри труб, що нагріваються:
1) зовнішній діаметрdн,м- 0,219;
2) товщина стінкиs,м-0,01;
3) внутрішній діаметрdвн, м-0,199.
в) Продуктивність печі , т/год–12;
г) теплофізичні властивості металу:
1) густина сталі, ρм, кг/м3- 7800;
2)теплопровідність
сталі λм, Вт/(м
К)
–30;
3)
теплоємність сталі Cм,
Дж/(кг
К)– 700.
д) паливо - природний газ;
е)
початкова температура металуtн,
- 20;
ж) температурний режим по зонах печі:
І
зона – температура печі tпеч1,
-1120;
ІІ
зона - температура печіtпеч2,
- 1140 ;
ІІІ
зона - температура печіtпеч3,
- 950;
ІVзона - температура печіtпеч4,
-910.
з) кількість секцій, Z– 20.
2.1 Розрахунок горіння палива
Вихідні данні:
Коефіцієнт витрати повітряn = 1,05
Склад природного газу представлено в таблиці 2.1
Таблиця 2.1-Склад природного газу, %
|
CH4 |
C2H6 |
C3H8 |
C4H10 |
CO2 |
O2 |
N2 |
∑ |
|
89,9 |
3,1 |
0,9 |
0,4 |
0,3 |
0,2 |
5,2 |
100 |
Теплота згоряння палива Qн
357
89,9+635
3,1+911
0,9+1186
0,4=35357,1
кДЖ/м3.
Теоретична витрата повітря L0
де 0,21 – частка кисню в повітрі.
Дійсна витрата повітря Ln
=1,05
9,407=9,877
м3/м3
Кількість і склад продуктів горіння
-загальна
кількість диму, що утворюється при
згорянні 1м3природного газу
(2.1)
-
=
=0,01
(0,3+89,9+2
3,1+3
0,9+4
0,4)=1,007.
-
.
-
-
=
1,007+1,947+7,855+0,099= 10,908.
Дані про склад продуктів згоряння наведено в таблиці 2.2
Таблиця 2.2 - Склад продуктів згоряння природного газу, %
|
СО2 |
Н2О |
N2 |
O2 |
|
|
9,23 |
17,85 |
72,01 |
0,91 |
100 |
2.2 Розрахунок теплообміну у робочому просторі печі
Вихідні дані для розрахунку теплообміну:
- довжина секції lcекц= 1,62 м ;
- довжина тамбура lтамб= 0,49 м;
- діаметр секції dсекц= 0,928 м;
- діаметр тамбура dтамб= 0,49, м;
- ступінь чорноти кладки Eм=Eкл= 0,8.
Розміри секцій
Площа металу, в секції
Площа металу, в тамбурі
Об’єм секції
Середня ефективна довжина променя в робочому просторі печі
Площа тамбура
Зведений коефіцієнт випромінювання для секції
Зведений коефіцієнт випромінювання для тамбура
2.3 Розрахунок нагріву металу
Секційна піч складається з 4 зон і 20 секцій ( на зону по 5 секцій).
Поверхня тіла, що нагрівається
Об'єм тіла, що нагрівається
Маса тіла, що нагрівається
Розрахунковий (еквівалентний) розмір нагрітого тіла
де k1=2 - коефіцієнт форми тіла ( циліндр).
Розрахнок нагрівання металу в 1 секції
Температура газу
Задаємося tг = 1369,471 0С.
Коефіцієнт послаблення променів
де
-
сумарний парціальний тиск;
-
парціальний тиск водяного пара.
Ступінь
чорноти газу
Зведений коефіцієнт випромінювання
Час нагріву, в секції
Визначаємо число Фур'є
Початкова щільність теплового потоку
Початкова температура печі
Задаємося
середньою щільністю теплового потоку
в інтервалі
'=
161416,8 Вт/м2.
Cума членів ряду для поверхні циліндра в інтервалі
де
µ1=3,832 - перший
корінь рівняння
(µ1)=0;
µ2= 7,016 - другий корінь рівнянняJ0(µ2)=0.
Cума членів ряду для центру в інтервалі
де
Jo(
)=
-0,403 – функція Бесселя нульового порядку
від µ1;
Jo(
)=
0,3 – функція Бесселя нульового порядку
від µ2.
Температура поверхні металу в кінці 1 секції
Щільність теплового потоку в кінці 1 секції
Середня щільність теплового потоку в 1 секції
qcp=
161607,5+
Температура металу в центрі, в кінці 1 секції
Температура металу кінцева, в кінці 1 секції
Перепад температур
tк=
tпк
- tцк
=(122,722
- 71,571)=51,151
Розрахунок нагріву металу в тамбурі.
Температура печі
tпеч
= 867,9880 
– задаємося.
Час нагріву, в 1 тамбурі
Визначаємо число Фур'є
Початкова щільність теплового потоку
Задаємося середньою щільністю теплового потоку в інтервалі
'=
69563,17 Вт/м2.
Cума членів ряду для поверхні в інтервалі
Cума членів ряду для центру циліндра в інтервалі
Температура поверхні металу в кінці 1 тамбура
Щільність теплового потоку в кінці 1тамбура
Середня щільність теплового потоку в 1 тамбурі
qcp=
69548,07+
Температура металу в центрі, в кінці 1 тамбура
Температура металу кінцева, в кінці 1 тамбура
Перепад температур
tк=
tпк
- tцк
= 119,763-
92,432 =27,331
Далі розрахунок в секціях і тамбурах ведеться аналогічно.
Результатирозрахунку нагріву метала приведені у таблиці2.3.
|
Таблиця 2.3-Результати розрахунку нагріву метала | |||||||||
|
tг,0С |
tпеч,0С |
qcp', Вт/м2 |
tп,0С |
tм,0С |
tц,0С |
Δt, 0С |
q, Вт/м2 |
qcp, Вт/м2 |
Qпрп, кВт |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
|
1115,63 |
|
20 |
20 |
20 |
0 |
161607,5 |
|
|
|
1369,4 |
1116,41 |
161416,8 |
122,72 |
97,10 |
71,57 |
51,15 |
161226,2 |
161416,8 |
20,84 |
|
1369,4 |
867,99 |
Початок тамбура 1 |
69548,07 |
|
| ||||
|
|
867,99 |
695663,1 |
119,76 |
107,20 |
92,43 |
27,33 |
69578,28 |
|
1,94 |
|
1369,4 |
1116,37 |
Початок секції 2 |
161242,3 |
|
| ||||
|
1369,4 |
1117,74 |
160909,3 |
208,53 |
182,96 |
157,43 |
51,10 |
160576,2 |
160909,3 |
20,88 |
|
|
890,44 |
Початок тамбура 2 |
74050,81 |
|
| ||||
|
|
890,44 |
74066,01 |
206,89 |
193,68 |
178,39 |
28,50 |
74081,19 |
74066,00 |
2,02 |
|
1369,4 |
1117,71 |
Початок секції 3 |
160592,4 |
|
| ||||
|
1369,4 |
1120,01 |
160029 |
294,51 |
269,08 |
243,69 |
50,82 |
159465,6 |
160029,0 |
20,95 |
|
|
913,63 |
Початок тамбура 3 |
78238,90 |
|
| ||||
|
|
913,63 |
78243,8 |
294,19 |
280,4 |
264,65 |
29,54 |
78248,62 |
78243,76 |
2,11 |
|
Продовження таблиці - 2.3 | ||||||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 | |||
|
1369,4 |
1119,99 |
Початок секції 4 |
159470,8 |
|
| |||||||
|
1369,4 |
1123,55 |
15859,5 |
380,38 |
355,18 |
330,01 |
50,37 |
157720,2 |
158595,5 |
21,06 | |||
|
|
937,76 |
Початок тамбуру 4 |
81890,52 |
|
| |||||||
|
|
937,76 |
81869 |
381,30 |
367,02 |
350,90 |
30,40 |
81847,54 |
81869,03 |
2,20 | |||
|
1369,4 |
1123,60 |
Початок секції 5 |
157697,2 |
|
| |||||||
|
1369,4 |
1128,71 |
156425,2 |
465,68 |
440,82 |
415,99 |
49,69 |
155153,1 |
156425,2 |
21,22 | |||
|
|
962,95 |
Початок тамбуру 5 |
84765,88 |
|
| |||||||
|
|
962,95 |
84697,1 |
467,72 |
453,07 |
436,70 |
31,02 |
84628,24 |
84697,06 |
2,30 | |||
|
1350,7 |
1113,47 |
Початок секції 6 |
147813,6 |
|
| |||||||
|
1350,7 |
1120,18 |
146176,7 |
545,27 |
522,04 |
498,83 |
46,44 |
144539,7 |
146176,6 |
20,96 | |||
|
|
676,45 |
Початок тамбуру 6 |
82810,76 |
|
| |||||||
|
|
976,45 |
82676,96 |
548,19 |
533,99 |
518,28 |
29,91 |
82543,17 |
82676,96 |
2,35 | |||
|
1350,7 |
1120,47 |
Початок секції 7 |
144396,9 |
|
| |||||||
|
1350,7 |
1129,08 |
142262,2 |
623,8 |
601,19 |
578,60 |
45,20 |
140127,5 |
142262,2 |
21,23 | |||
|
|
1002,76 |
Початок тамбура 7 |
83365,62 |
|
| |||||||
|
Продовження таблиці - 2.3 | |||||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 | ||
|
|
1002,76 |
83147,5 |
627,41 |
613,21 |
597,60 |
29,81 |
82929,36 |
83147,49 |
2,46 | ||
|
1350,7 |
1129,55 |
Початок секції 8 |
139894,6 |
|
| ||||||
|
1350,7 |
1140,01 |
137243,4 |
699,87 |
678,06 |
656,27 |
43,61 |
134592,2 |
137243,4 |
21,57 | ||
|
|
1029,98 |
Початок тамбуру 8 |
82714,48 |
|
| ||||||
|
|
1029,98 |
82397,53 |
703,98 |
689,98 |
674,65 |
29,33 |
82080,53 |
82397,51 |
2,57 | ||
|
1350,7 |
1140,67 |
Початок секції 9 |
134253,7 |
|
| ||||||
|
1350,7 |
1152,86 |
131086,5 |
772,77 |
751,93 |
731,12 |
41,65 |
127919,1 |
131086,4 |
21,97 | ||
|
|
1057,83 |
Початок тамбуру 9 |
80812,93 |
|
| ||||||
|
|
1057,83 |
80390,60 |
777,18 |
763,56 |
748,72 |
28,46 |
79968,16 |
80390,54 |
2,68 | ||
|
1350,7 |
1153,71 |
Початок секції 10 |
127468,1 |
|
| ||||||
|
1350,7 |
1167,34 |
123822,0 |
841,78 |
822,10 |
802,43 |
39,35 |
120175,9 |
123822,0 |
22,43 | ||
|
|
1085,95 |
Початок тамбуру 10 |
77701,05 |
|
| ||||||
|
|
1085,95 |
77176,72 |
846,30 |
833,26 |
819,09 |
27,20 |
76652,3 |
77176,67 |
2,8 | ||
|
1350,7 |
938,53 |
Початок секції 11 |
25473,81 |
|
| ||||||
|
1350,7 |
939,52 |
25315,09 |
848,83 |
844,79 |
840,71 |
8,13 |
25156,23 |
25315,02 |
15,72 | ||
|
|
916,85 |
Початок тамбура 11 |
17507,39 |
|
| ||||||
|
|
916,85 |
17349,89 |
850,17 |
847,28 |
844,19 |
5,99 |
17192,24 |
17349,81 |
2,12 | ||
|
Продовження таблиці - 2.3 | |||||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 | ||
|
1350,7 |
940,04 |
Початок секції 12 |
24987,99 |
|
| ||||||
|
1350,7 |
944,91 |
24193,25 |
862,58 |
858,74 |
854,89 |
7,69 |
23398,52 |
24193,26 |
15,86 | ||
|
|
924,33 |
Початок тамбуру 12 |
16333,8 |
|
| ||||||
|
|
924,33 |
16187,29 |
863,78 |
861,08 |
858,18 |
5,60 |
16040,65 |
16187,22 |
2,15 | ||
|
1350,7 |
945,39 |
Початок секції 13 |
23242,02 |
|
| ||||||
|
1350,7 |
950,01 |
22478,90 |
875,29 |
871,72 |
868,15 |
7,14 |
21715,77 |
22478,9 |
16,00 | ||
|
|
931,33 |
Початок тамбуру 13 |
15200,47 |
|
| ||||||
|
|
931,33 |
15059,00 |
876,41 |
873,89 |
871,20 |
5,21 |
14917,53 |
15059,00 |
2,18 | ||
|
1350,7 |
950,46 |
Початок секції 14 |
21564,72 |
|
| ||||||
|
1350,7 |
954,83 |
20835,11 |
887,07 |
883,75 |
880,45 |
6,62 |
20105,47 |
20835,1 |
16,14 | ||
|
|
937,89 |
Початок тамбуру 14 |
14107,79 |
|
| ||||||
|
|
937,89 |
13972,1 |
888,11 |
885,78 |
883,28 |
4,84 |
13836,36 |
13972,08 |
2,20 | ||
|
1350,7 |
955,26 |
Початок секції 15 |
19960,57 |
|
| ||||||
|
1350,7 |
959,36 |
19266,4 |
897,96 |
894,90 |
891,84 |
6,12 |
18572,25 |
19266,41 |
16,26 | ||
|
|
944,01 |
Початок тамбура 15 |
13060,64 |
|
| ||||||
|
|
944,01 |
12931,24 |
898,93 |
896,77 |
894,45 |
4,47 |
12801,70 |
12931,17 |
2,23 | ||
|
918 |
908,78 |
Початок секції 16 |
2797,658 |
|
| ||||||
|
Продовження таблиці 2.3 | |||||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 | ||
|
918 |
908,57 |
2828,564 |
898,5 |
898,04 |
897,58 |
0,91 |
2859,448 |
2828,553 |
14,88 | ||
|
|
906,06 |
Початок тамбуру 16 |
2043,870 |
|
| ||||||
|
|
906,06 |
2021,069 |
898,67 |
898,33 |
897,98 |
0,69 |
1998,151 |
2021,010 |
2,08 | ||
|
918 |
908,66 |
Початок секції 17 |
2835,041 |
|
| ||||||
|
918 |
909,32 |
2735,100 |
900,06 |
899,63 |
899,19 |
0,87 |
2635,019 |
2735,066 |
14,90 | ||
|
|
907,01 |
Початок тамбуру 17 |
1970,483 |
|
| ||||||
|
|
907,01 |
1906,099 |
900,22 |
899,90 |
899,57 |
0,65 |
1841,655 |
1906,069 |
2,09 | ||
|
918 |
909,40 |
Початок секції 18 |
2612,483 |
|
| ||||||
|
918 |
910,01 |
2520,577 |
901,50 |
901,1 |
900,70 |
0,80 |
2428,680 |
2520,581 |
14,92 | ||
|
|
907,88 |
Початок тамбуру 18 |
1816,571 |
|
| ||||||
|
|
907,88 |
1757,141 |
904,64 |
901,35 |
901,04 |
0,60 |
1697,642 |
1757,106 |
2,09 | ||
|
918 |
910,08 |
Початок секції 19 |
2407,750 |
|
| ||||||
|
918 |
910,64 |
2322,765 |
902,82 |
902,45 |
902,08 |
0,74 |
2237,789 |
2322,770 |
14,94 | ||
|
|
908,69 |
Початок тамбура 19 |
1674,163 |
|
| ||||||
|
|
908,69 |
1619,330 |
902,95 |
902,69 |
902,40 |
0,56 |
1564,433 |
1619,298 |
2,09 | ||
|
Продовження таблиці 2.3 | ||||||||||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 | |||||||
|
918 |
910,71 |
Початок секції 20 |
2218,434 |
|
| |||||||||||
|
918 |
911,23 |
2139,988 |
904,04 |
903,70 |
903,36 |
0,68 |
2061,351 |
2139,892 |
14,95 | |||||||
|
|
909,43 |
Початок тамбуру 20 |
1542,479 |
|
| |||||||||||
|
|
909,43 |
1491,908 |
904,16 |
903,91 |
903,65 |
0,51 |
1441,28 |
1491,88 |
2,10 | |||||||
|
|
Всього |
412,47 | ||||||||||||||
2.4 Алгоритм розрахунку теплового балансу і визначення витрати палива по зонах печі
Визначаємо втрати теплоти робочим простором в зоні секційної печі
(2.4)
Визначаємо втрати теплоти робочим простором в зоні секційної печі через секції
(2.5)
Визначаємо втрати теплоти робочим простором в зоні секційної печі через тамбур
.
(2.6)
де 1.5 - коефіцієнт запасу на невраховані втрати
Визначаємо щільність теплового потоку через кладку печі
.
(2.7)
Визначаємо теплоту, яка виноситься з димовими газами з робочого простору печі
(2.8)
Визначаємо фізичне тепло повітря
(2.9)
- коефіцієнт рекуперації
Приймаємо,
що температура диму, що залишає робочий
простір секції печі, дорівнює середній
температурі печі 
.
Так, як повітря, що йде на горіння, підігрівається, то приходом тепла є хімічне тепло горіння палива
(2.10)
Визначаємо коефіцієнт використання тепла палива
Визначаємо витрата газу
Визначаємо фізичне тепло повітря
(2.13)
Результати розрахунків приведені таблиці -2.3
Таблиця 2.3-Визначення витрати палива по зонам печі
|
Зона печі |
I |
II |
III |
IV |
|
|
1120 |
1140 |
950 |
910 |
|
|
115,5394 |
121,0228 |
90,86604 |
85,03731 |
|
|
1010,505 |
887,0902 |
148,193 |
16,677 |
|
|
18325,44 |
15652,68 |
15543,9 |
14889,42 |
|
|
281,9244 |
281,9244 |
281,9244 |
281,9244 |
|
|
3620,121 |
3620,121 |
3620,121 |
3620,121 |
|
КИТ |
0,584 |
0,574 |
0,6627 |
0,6812 |
|
В, м3/с |
0,0545 |
0,0496 |
0,0102 |
0,0042 |
|
В м3/год |
196,291 |
178,562 |
36,726 |
15,201 |
В основній частині на основі створеної математичної моделі був виконаний повірочний розрахунок секційної печі.В результаті було визначено витрату палива по зонам печі і температуру металу в процесі нагріву.