4 Методичні вказівки до виконання pоботи

Студенту пропонується виконати:

1. Розрахунок горіння палива.

2. Розрахунок нагрівання металу в печах періодичної і безперервної дії за інженерною методикою.

3. Розрахунок охолодження металу на повітрі.

4.1 Розрахунок горіння палива

Загальні положення

Розрахунок горіння палива є основою теплового розрахунку при проектуванні печі.

Розрахунком горіння визначаються кількість, склад і густина палива, повітря (кисненосія) і продуктів горіння; температура горіння, коефіцієнт використання тепла палива.

Розрахунок витрати палива, кисненосія і продуктів горіння заснований на рівняннях хімічних реакцій окислювання пальних компонентів:

С+0,5О₂=СО₂;

Н₂+0,5О₂=Н₂О;

СН₄+2О₂=СО₂+2Н₂О;

С₂Н₄+3О₂=2СО₂+2Н₂О.

Горіння палива в металургійних печах відбувається, як правило, в атмосфері газоподібного окислювача (кисненосія), що представляє собою суміш кисню, азоту і водяної пари (змістом інших компонентів, таких як, СО, СО₂ звичайно зневажають). Кількість кисненосія і продуктів горіння залежить за інших рівних умов від співвідношення обсягів азоту і кисню

K_В=N₂/O₂,

де N₂,O₂ − відповідно зміст азоту і кисню в кисненосії, виражене в об'ємних відсотках.

12

Якщо в сухому кисненосії зміст O₂>21%, він являє собою повітря, збагачене киснем. Збагачення повітря киснем сприяє підвищенню температури горіння і коефіцієнта використання тепла палива (КВП).

Розрахунок температури горіння ведеться на основі теплового балансу процесу горіння, розрахунок КВП – на основі теплового балансу печі.

Вихідні дані для розрахунку приведені в Додатку А, склад сухих газів − у Додатку Б. Нижче приводяться методика, схема і приклад розрахунку горіння газоподібного палива.

Схема і приклад розрахунку горіння газоподібного палива

Вихідні дані:

Вид палива – суміш коксового і доменного газів з теплотою згoряння

= 6280 кдж/м³.

кисненосій: повітря, збагачене киснем O₂ = 25%.

Коефіцієнт витрати повітря  = 1,2.

Температура:

газу t_Г = 550С;

кисненосія t_В = 650С;

димових газів t_Д = 1250С.

Склад сухих газів приведений у таблиці 4.1.

Таблиця 4.1- Склад сухих газів, %

Компоненти	Доменний газ	Коксовий газ
СО2 СО СН4 С2Н4 Н2 N2	12,4 27,5 0,5 - 2,4 57,2	4,2 6,4 27,5 1,8 52,3 7,8
	100,0	100,0
W,г/м3	30	48

Потрібно визначити:

1. Склад суміші вологих газів.

2. Кількість кисненосія.

3. Кількість продуктів горіння.

4. Скласти матеріальний баланс горіння.

5. Калориметричну температуру горіння.

6. Коефіцієнт використання тепла палива.

13

Послідовність розрахунку

4.1.1 Визначення складу вологих газів (робочого складу)

, (4.1)

де К − коефіцієнт перерахування на вологий газ

; ;

Н₂O=0,1242КW.

Склад вологих газів, обчислений по формулі (4.1), приведений у таблиці 4.2.

Таблиця 4.2 − Склад вологих газів, %

Компоненти	Домений газ	Коксовий газ
СО2 СО СН4 С2Н4 Н2 N2 Н2O	12,40,9641=11,95 27,50,9641=26,51 0,50,9641= 0,48 - 2,40,9641= 2,31 57,20,9641=55,15 0,1242300,9641=3,6	4,20,9437= 3,96 6,40,9437= 6,04 27,50,9437=25,95 1,80,9437= 1,70 52,30,9437=49,36 7,80,9437= 7,36 0,1242480,9437=5,63
	100	100

4.1.2 Теплота згоряння газів:

, МДж/м³.

=0,01(12,726,51+35,70,48+10,82,31)=3,79;

=0,01(12,76,04+35,725,95+591,7+10,849,36)=16,38.

4.1.3 Робочий склад газової суміші

Частка газів у суміші визначається з теплового балансу:

,

де Х − частка доменного газу (по теплу) у суміші:

14

.

Тоді частка коксового газу: (1 − X) = 1 – 0,802 = 0,198.

Склад змішаного газу, %:

=26,510,802+6,040,198=22,46;

CH₄ = 0,480,802 + 25,950,198 = 5,52;

C₂H₄ = 1,70,198 = 0,34;

H₂ =2,310,802 + 49,360,198 = 11,62;

N₂ = 55,150,802 + 7,360,198 = 45,69;

H₂O = 3,60,802 + 5,630,198 = 4;

CO₂ = 11,950,802 + 3,960,198 = 10,37.

 = 100%.

4.1.4 Теплота згоряння суміші газів

=

=0,01(12,722,46+35,75,52+590,34+10,811,62)=6,28 МДж/м³.

Відхилення від заданої калорійності:

, що припустимо.

4.1.5 Густина змішаного газу:

,кг/м³ (4.2)

де M_i − молекулярна маса, кг;

r_i − зміст компонента в суміші, %.

=(211,62+2822,46+165,52+280,34+4410,37+2845,69+184)/2240=1,142 кг/м³.

15

4.1.6 Склад і густина кисненосія

Сухий кисненосій містить 25% і 75%.Приймаємо температуру холодного кисненосія =20С, при цьому вологість =18,9 г/м³

.

Склад вологого кисненосія, %:

=250,9771=24,43; =750,9771=73,28; Н₂О=0,124218,90,9771=2,29.

=100 %.

Густина вологого кисненосія по формулі (4.2)

.

4.1.7 Кількість кисненосія (на 1 м³ газу)

− теоретично необхідна

.

− дійсна L_Д=L₀ =1,21,191=1,429 м³/м³.

4.1.8 Кількість продуктів горіння (на 1 м³ газу)

.

=0,01(10,37+22,46+5,52+20,34)=0,391;

16

=0,391+0,306+0,058+1,504=2,259 м³/м³.

4.1.9 Склад і густина продуктів горіння, %

Склад продуктів горіння

;

;

;

.

100,00%

Густина продуктів згоряння по формулі (4.2)

.

17

4.1.10 Матеріальний баланс горіння

Матеріальний баланс горіння складається з метою перевірки правильності і точності розрахунку: m_Г+m_В=m_Дm.

Прихід − маса газу і кисненосія.

Маса газу (для 1 м³ газу): =11,142=1,142 кг.

Маса кисненосія: =1,4291,283=1,834 кг.

Разом прихід: m_Г+m_В=1,142+1,834=2,976 кг.

Витрата – маса продуктів горіння =2,2591,318=2,976 кг.

Нев'язання балансу =2,976−(1,142+1,834)=0.

Відносне нев'язання , що припустимо. Отже, розрахунок горіння палива виконаний вірно.

4.1.11 Калориметрична температура

Калориметрична температура розраховується з припущення, що все тепло, що надходить у зону горіння, витрачається тільки на нагрівання продуктів горіння: ,

відкіля

,

де і− тепло, внесене паливом і повітрям, кдж/м³ палива;

−теплоємність продуктів горіння середня для інтервалу температур від 0 до , кдж/(м³К).

,

i_Г − ентальпія газу, кдж/м³. Визначається по робочому складі газової суміші при 1, с. 25 методом лінійної інтерполяції

кДж/м³, (4.3)

Х − зміст компонента, %.

18

При =550С по формулі (4.3)

=0,01(733,745,69+74322,46+719,711,62+1110,210,37+882,64+1213,15,52+

+1624,10,34)=808,61 кдж/м³ газу.

=1808,61=808,61 кдж/м³ газу.

.

При =650С 1, с. 25

=

=0,01(927,224,43+875,373,28+1059,32,29)=892,16 кдж/м³ кисненосія.

Тоді =1,429892,16=1274,9 кдж/м³ газу.

Ентальпія продуктів згоряння при калориметричній температурі

кДж/м³продуктів горіння.

Орієнтовну калориметричну температуру визначимо по ентальпії i_к продуктів згоряння по діаграмі1, рис.60. =2100С.

Обчислимо ентальпію продуктів згоряння при орієнтованій температурі =2100С:

=0,01(3305,92,58+3130,166,59+5116,317,28+4167,513,55)=3618,4 кдж/м³.

Тому що отримане значення (3618,42<3702,5), то в другому наближенні приймаємо=2150С:

=0,01(3393,82,58+3209,266,59+5252,417,28+4286,013,55)=3712,9 кдж/м³.

19

Тому що отримане значення (3712,93>3702,5), то шукана калориметрична температура горіння палива визначається по формулі:

=

= 2144С.

4.1.12 Коефіцієнт використання тепла палива

КВП є теплотехнічною оцінкою палива і являє собою частку тепла, що залишилося в печі:

, (4.4)

де – фізичне тепло продуктів горіння, кдж/м³;

–тепло хімічного недопалу продуктів горіння. Приймаємо =0.

При t_Д=1250С ентальпія продуктів згоряння 1, с. 25:

=0,01(1884,32,58+1774,566,59+2847,717,28+2238,113,55)=2025,55 кдж/м³.

Фізичне тепло продуктів горіння визначається по формулі:

=2,2592025,55=4575,72 кдж/м³ газу.

Підставляючи отримані значення у формулу (4.4), одержимо:

,

тобто 60,3 % хімічного тепла палива залишається в печі, інше іде з продуктами горіння.

Результати розрахунку необхідно звести в таблицю 4.3, що міститься наприкінці розрахунку.

20

Таблиця 4.3 – Результати розрахунку горіння палива

№ п/п	Найменування величин	Позначення, розмірність	Значення
	Вихідні дані:
1.	Теплота згоряння палива	,МДж/м3	6,28
2.	Коефіцієнт витрати повітря		1,2
3.	Вміст кисню в кисненосії	О2	25
4.	Температура газа	tг, С	550
5.	Температура кисненосія	tв, С	650
6.	Температура продуктів згоряння	tд, С	1250
	Результати розрахунка:
1.	Кількість кисненосія	L0, Lд, м3/м3	1,191; 1,429
2.	Витрата продуктів згоряння	Vд, м3/м3	2,259
3.	Склад продуктів згоряння:	СО2, %	17,28
		Н2О, %	13,55
		О2, %	2,58
		N2, %	66,59
4.	Невязання балансу	m/m, %	0
5.	Калориметрична температура	tк, С	2144
6.	Коефіцієнт використання тепла палива		0,603

4.2 Розрахунок динаміки нагрівання металу в печах періодичної дії

4.2.1 Вибір кінцевого температурного стану металу

Температура поверхні наприкінці нагрівання t_ПК вибирається в залежності від марки сталі по 1, с. 351. Вихідні дані приведені в додатку В.

Режим нагрівання металу в нагрівальному колодязі комбінований, що складається звичайно з двох періодів: М = const чи q = const і t_ПЕЧ = const.

Зливок являє собою усічену призму. Поперечні розміри зливка приймають по середньому перетині. Якщо відношення довжин широкої і вузької граней b:а< 1,3, припустима заміна призми циліндром еквівалентного діаметра.

Нижче приведена послідовність розрахунку нагрівання еквівалентного циліндра при комбінованому режимі:

I період – нагрів при постійному тепловому потоці (q = const),

II період – нагрів з постійною температурою (t_ПЕЧ = const).

Розрахунковий радіус зливка

21

, м

де а і b − поперечні розміри зливка в середньому по висоті перетині, м (додаток В, стовпчик 3).

Перепад температур наприкінці нагрівання, С:

t_К=(120…150)R,

гдe 120…150С/м товщини шару, що прогрівається − припустимий градієнт температур.

Величину t_К варто округлити до 0 чи 5С в меншу сторону. Наприклад, 3835, 3430.

Для спрощення розрахунків рекомендується побудувати на міліметровому папері формату А4 графіки теплофізичних властивостей заданої марки сталі по формулах: =f(t), i=f(t), =f(t), а також залежність від критерію Біо коефіцієнтів усереднення теплових потоків (К₂) і температури (К₃) по перетині тіла для циліндра і плити 1, с. 316,

де  − коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м К); [1, с. 72];

i – ентальпія, кДж/кг, [1, с. 74];

 − густина сталі, кг/м³, 1, с. 75.

Графіки помістити наприкінці пояснювальної записки у виді додатків А та Б. Назвати додаток А так: «Додаток А − Теплофізичні властивості сталі 20», якщо у вихідних даних задана сталь 20. Назва додатка міститься на окремій сторінці по середині (по висоті) сторінки. Далі розміщаються 3 сторінки з графіками. Кожен графік повинний мати відповідну назву. Наприклад, «Рисунок А.1 − Залежність коефіцієнта теплопровідності стали 20 від температури». Назву додатка Б помістити вгорі сторінки над графіком: «Додаток Б − Залежність коефіцієнтів К₂ і К₃ від Біо і форми тіла». Під графіком помістити назву: «Рисунок Б.1 − Залежність коефіцієнтів К₂ і К₃ від Біо для циліндра і плити». Рекомендується побудувати ці залежності для Ві = 0...10. У тексті пояснювальної записки необхідно робити посилання на відповідний рисунок додатка, наприклад, «(рисунок А.2)».

4.2.2 Визначення густини теплового потоку і температури печі наприкінці нагрівання

Коефіцієнт теплопровідності наприкінці нагрівання:

,

де t_ЦК=t_ПК − t_К.

22

Орієнтоване значення коефіцієнта тепловіддачі, Вт/(м² К):

.

Орієнтоване значення критерію :.

Значенню відповідає для циліндра коефіцієнт усереднення теплових потоків, визначений за графіком.

Орієнтоване значення теплового потоку у кінці нагріву:

, Вт/м².

Температура печі наприкінці нагрівання (чи в II періоді t_печ =const) визначається з формули Стефана-Больцмана:

.

Після розрахунку орієнтованої температури печі варто визначити

,

потім уточнити значення .

4.2.3 Оптимальний тепловий потік і температура печі на початку нагрівання

Оптимальний тепловий потік на початку нагрівання при q_ОПТ = const (ГУ ІІ роду) визначається по формулі:

,

де

.

23

Температура печі на початку нагрівання t_ПЕЧ.Н визначається по відомому початковому тепловому потоці і початковій температурі металу з вираження:

.

4.2.4 Визначення тривалості I періоду

Температура поверхні металу t_П1 визначається з вираження:

.

Середньомасова температура визначається методом послідовних наближень:

, (4.5)

де t₁ − перепад температур по перетині:

. (4.6)

Коефіцієнт теплопровідності в першому наближенні прийняти за графіком при температурі −100С, потім визначити орієнтовані значення і, по формулах (4.6), (4.5), після чого повторювати обчислення,ідоти поки різниця між значеннямидвох сусідніх наближень не стане менше 10. Коефіцієнти усереднення теплових потоків К₂ і температури К₃ по перетині тіла для циліндра рівні 2.

Рекомендації: розрахунок у першому наближенні привести цілком. Результати розрахунків наступних наближень звести в таблицю 2.2.

Таблиця 2.2 − Розрахунок

№ наближення	, Вт/(мК)	,С	, С
1
2
…

24

Температура центра зливка наприкінці I періоду .

Тривалість першого періоду визначається по формулі І.Д. Семікіна (метод теплової діаграми):

, с (годин.)

де  – густина сталі, кг/м³ при (за графіком);

–коефіцієнт матеріального навантаження, для циліндра дорівнює 2;

–збільшення питомої ентальпії сталі в першому періоді, кДж/кг;

, визначаються за графіком i = f(t) відповідно приі.

4.2.5 Розрахунок тривалості II періоду

Розрахунок тривалості II періоду ведеться за умови t_ПЕЧ = const (ГУ III роду). Для підвищення точності розрахунку II період розбивається на два інтервали: