Средняя температура поверхности на втором участке

.

При средней температуре поверхности металла определяем коэффициент теплопроводности металла λ₃=32,96 Вт/м·К и коэффициент температуропроводности металла а₂=0,0195 м²/ч.

Расчетная толщина

Число Фурье

Коэффициент теплоотдачи излучением:

в начале участка

в конце участка

средний

Число Био

Функции для вычисления температуры поверхности металла определяем при F_o2=1,05 и Bi₂=2,2 по номограммам -

Конечная температура поверхности металла:

что практически совпадает с предварительно заданной температурой.

Функции для вычисления температуры середины металла определяем при F₀₃=1,05 и Bi₃=2,2 -

Конечная температура середины металла:

.

IV расчетный участок.

Расчетная схема нагрева металла – односторонний нагрев при постоянной температуре окружающей среды и параболическом начальном распределении температур.

Задаемся конечной температурой поверхности металла на первом участке

t_м.пов4= t_м.ср.4=1180°С и продолжительностью нагрева τ₄ = 1,104ч.

При средней температуре поверхности металла определяем коэффициент теплопроводности металла λ₄=33,8 Вт/м·К и коэффициент температуропроводности металла а₄=0,02 м²/ч.

Расчетная толщина металла при одностороннем нагреве

Число Фурье

Коэффициент теплоотдачи излучением:

Число Био

Функции для вычисления температуры поверхности металла определяем при F_o4=0,2 и Bi₄=3,96 по номограммам -

Конечная температура поверхности металла:

, что практически совпадает с предварительно заданной.

Функции для вычисления температуры середины металла определяем при F₀₄=0,2 и Bi₄=3,96-

Конечная температура середины металла:

.

Следует также проверить температуру нижней поверхности металла, которая после одностороннего нагрева может оказаться ниже температуры середины металла.

Функции для вычисления температуры нижней поверхности металла определяем при F₀₄=0,2 и Bi₄=3,96 -

Конечная температура нижней поверхности металла:

Следовательно, самая низкая температура в середине металла и максимальный конечный перепад температур в металле:

6. Тепловой баланс

I. Приход тепла

1. Химическое тепло топлива:

(6.1)

2. Физическое тепло воздуха:

(6.2)

где С_в=1,329 при t_в=400⁰С,

3.Тепло экзотермической реакции окисления железа:

(6.3)

Р = 46,3 т/ч

II. Расход тепла

4. Тепло, затраченное на нагрев металла:

(6.4)

где средняя теплоемкость металла приt_м.ср4=1171 ⁰С

средняя теплоемкость металла приt_н=20 ⁰С

5. Тепло, уносимое уходящими продуктами сгорания

(6.5)

6. Потери тепла теплопроводностью через кладку

_{На первом расчетном участке}

Потери через верхнюю часть боковых стен. Кладка верхней части боковых стен: шамот кл.А δ=230мм, шамот кл.Б δ=230мм и плиты МКРП δ=50мм. Задаемся температурой наружной поверхности кладки - t_нар1=100 ⁰С. Температура в месте соприкосновения слоев шамота кл.А и шамота кл.Б t_ш-ш=720⁰С, в месте соприкосновения слоев шамота кл.Б и плит МКРП t_ш-пл=450 ⁰С.

Средняя температура шамота кл.А:

t_ш1=0,5(1020+720)=870 ⁰С, (6.6)

Коэффициент теплопроводности:

λ_ш1=0,88+0,00023·870=1,08 Вт/мК, (6.7)

Средняя температура шамота кл.Б:

t_ш2=0,5(720+450)=585 ⁰С, (6.8)

Коэффициент теплопроводности:

λ_ш2=0,84+0,00058·585=1,18 Вт/мК, (6.9)

Средняя температура между слоями шамота кл.Б и плитами МКРП:

t_ш2-пл=0,5(450+100)=275⁰С,

Коэффициент теплопроводности:

λ_ш2-пл=0,14 Вт/мК,

Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности кладки в окружающую среду:

α_нар1=7+0,05·t_нар1=7+0,05·100=12 Вт/м²К. (6.10)

Удельный тепловой поток через кладку верхней части боковой стенки:

(6.11)

Проверяем температуру на границе слоев шамота кл.А и шамота кл.Б:

, (6.12)

Проверяем температуру на границе слоев шамота кл.Б и плит МКРП:

, (6.13)

Проверяем температуру наружной поверхности кладки:

.

Потери через нижнюю часть боковых стен.

Кладка нижней части боковых стен: шамот кл.А δ=260мм, шамот кл.Б δ=260мм и плиты МКРП δ=50мм.

Принимаю температуру на границе слоев t₁=750 ⁰С, на границе слоев 2 ^ого и 3^ого t₂=520 ⁰C, а также t_нар=85 ⁰С.

Средняя температура шамота кл.А:

t_ш1=0,5(1020+750)=885 ⁰С,

Коэффициент теплопроводности:

λ_ш1=0,88+0,00023·885=1,09 Вт/мК,

Средняя температура шамота кл.Б:

t_ш2=0,5(750+520)=635 ⁰С,

Коэффициент теплопроводности:

λ_ш2=0,84+0,00058·635=1,21 Вт/мК,

Средняя температура между слоями шамота кл.Б и плитами МКРП:

t_ш2-пл=0,5(520+85)=302,5⁰С,

Коэффициент теплопроводности:

λ_ш2-пл=0,15 Вт/мК,

Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности кладки в окружающую среду:

α_нар1=7+0,05·t_нар1=7+0,05·85=11,25 Вт/м²К.

Удельный тепловой поток через кладку верхней части боковой стенки:

Проверяем температуру на границе слоев шамота кл.А и шамота кл.Б:

,

Проверяем температуру на границе слоев шамота кл.Б и плит МКРП:

,

Проверяем температуру наружной поверхности кладки:

.

Потери чрез свод. Кладка свода: шамот класса А(кирпич) δ=510мм. Задаёмся наружной температурой поверхности t_нар=97 ⁰С. коэффициент теплопроводности λ=0,7+0,00064t,

Средняя температура шамота:

t_ш3=0,5(1020+97)=558,5 ⁰С,

Коэффициент теплопроводности:

λ_δ3=0,7+0,00064·558,5=1,057 Вт/мк, (6.15)

Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности кладки в окружающую среду:

α_нар3=7+0,05·t_нар=7+0,05·97=11,85 Вт/м²К.

Удельный тепловой поток через кладку свода:

(6.16)

Проверяем температуру наружной поверхности кладки:

. (6.17)

Потери тепла через под:

Кладка пода: хромомагнезит - , шамот кл.Б - шамот-легковес- , Задаемся температурами в месте соприкосновения слоев хромомагнезита и шамота-, шамота и шамота-легковеса -, наружной поверхности кладки -.

По табл. П24 приложения коэффициент теплопроводности шамота кл.Б, шамота-легковеса, хромомагнезита

Средняя температура хромомагнезита:

Коэффициент теплопроводности хромомагнезита:

Средняя температура шамота:

Коэффициент теплопроводности шамота:

Средняя температура шамота-легковеса:

Коэффициент теплопроводности шамота-легковеса:

Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности кладки в окружающую среду:

.

Удельный тепловой поток через кладку пода:

Проверяем температуру на границе слоев шамота и хромомагнезита:

Проверяем температуру на границе слоев шамота и шамота-легковеса:

Проверяем температуру наружной поверхности кладки:

Площадь поверхности боковых стен с учетом его наклона:

F_ст=2·1,76·6,41=22,56м². (6.18)

Площадь поверхности свода:

F_св1=1,2·В·L₁=1,2·6,728·6,41=51,75 м². (6.19)

Площадь поверхности пода:

Общие потери тепла через верхнюю часть боковых стен:

(6.20)

Общие потери тепла через нижнюю часть боковых стен:

(6.21)

Общие потери тепла через свод:

(6.22)

Общие потери через под:

Общие потери тепла теплопроводностью через кладку в первом расчетном участке:

(6.23)

Аналогичным образом рассчитываем тепловые потери через кладку на других расчетных участках.

Второй расчетный участок.

1. Боковые верхние стены -

2. Боковые нижние стены -

3. Свод -

4. Под -

Общие потери тепла теплопроводностью через кладку на втором расчетном участке:

Третий расчетный участок.

1. Боковые верхние стены -

2. Боковые нижние стены -

3. Свод -

4. Под -

Общие потери тепла теплопроводностью через кладку на третьем расчетном участке:

Четвертый расчетный участок.

1. Боковые стены -

2. Свод -

3. Под -

Общие потери тепла теплопроводностью через кладку на четвертом расчетном участке:

Общие потери тепла в печи теплопроводностью через кладку:

7. Потери тепла на охлаждаемые подовые трубы.

Первый расчетный участок

- 4 продольных подовых труб диаметром 121х20, l=4176мм.

Поверхность подовых труб:

F_тр=n_тр·πd_трl_тр (6.24)

F_тр=4·3,14·0,121·4,176=6,35 м².

Удельный тепловой поток подовых труб в методической зоне - изолированный - 15 кВт/м²,

Потери тепла на изолированные подовые трубы:

(6.25)

Второй расчетный участок

- 6 продольных подовых труб диаметром 121х20, l=9634мм,

- 7 поперечных труб диаметром 180х32, l=7,888м,

- 8 стояков из труб диаметром 440мм и общей длиной 16,992м.

Поверхность продольных подовых труб: 6·3,14·0,121·9,634=23,06м².

Удельный тепловой поток для продольных труб согласно таблице 6.1: изолированные - 15кВт/м², неизолированные - 200кВт/м².

Потери на изолированные продольные трубы: Q_охл= 3,6·15·23,06=1245МДж/ч.

Поверхность поперечных подовых труб: 7·3,14∙0,18·7,888=31,2 м².

Удельный тепловой поток для поперечных подовых труб, изолированных - 20 кВт/м², неизолированных - 250 кВт/м².

Потери тепла на изолированные поперечные подовые трубы:

3,6·20·31,2=2246,4 МДж/ч.

Поверхность стояков: 3,14·0,44·16,992=23,48 м²

Удельный тепловой поток для стояков: изолированный - 15 кВт/м², неизолированный - 200 кВт/м².

Потери тепла на изолированные стояки: 3,6·15·23,48=1268 МДж/ч

Общие потери тепла на втором расчетном участке на охлажденные подовые трубы: Q_тр2=1245+2246,4+1268=4759 МДж/ч.

Третий расчетный участок

• 6 продольных подовых труб даметром 121мм и длиной 9308мм,

• 7 поперечных труб даметром 180мм и длиной 7,888м,

• 8 стояков из труб диаметром 440мм и общей длиной 10,472м.

Поверхность продольных подовых труб: 6·3,14·0,121·9,308=21,22м².

Удельный тепловой поток для продольных труб: изолированные - 20кВт/м², неизолированные - 250кВт/м².

Потери на изолированные продольные трубы:

Q_охл= 3,6·20·21,22=1527,8МДж/ч.

Поверхность поперечных подовых труб: 7·3,14∙0,18·7,888=31,2 м².

Удельный тепловой поток для поперечных подовых труб, изолированных - 20 кВт/м², неизолированных - 250 кВт/м².

Потери тепла на изолированные поперечные подовые трубы:

3,6·20·31,2=2246,4 МДж/ч.

Поверхность стояков: 3,14·0,44·10,472=14,47 м²

Удельный тепловой поток для стояков: изолированный - 15 кВт/м², неизолированный - 200 кВт/м².

Потери тепла на изолированные стояки: 3,6·15·14,47=781 МДж/ч

Общие потери тепла на третьем расчетном участке на охлажденные изолированные подовые трубы: Q_тр3=1527,8+2246,4+781=4555,2 МДж/ч.

Общие потери тепла в печи на охлажденные изолированные подовые трубы:

Q_тр= Q_тр1+ Q_тр2+ Q_тр3=343+4759+4555,2=9657 МДж/ч

8. Потери тепла излучением через окна печи

Потери тепла излучением через окна печи рассчитываем по формуле:

.

Где , из формулы Ф – коэффициент диафрагмирования определяем по рис 1.5 в зависимости от соотношений размеров окон.

Принимаем, что все боковые рабочие окна печи закрыты. А окно загрузки и выгрузки постоянно открыто.

Первый расчетный участок

На первом участке со средней температурой продуктов сгорания t_г.ср1=820 ⁰С имеется окно загрузки.

Окно загрузки имеет размеры 0,605х6,495м, площадь F_заг=5,1м², толщина футеровки у окна загрузки 0,58м, окно постоянно открыто - ψ_заг=1. Окно загрузки рассматриваем как полосу (а/b=0). Тогда, коэффициент дифрагмирования при а/l=0,605/0,58=1,04 равен Ф_заг=0,65.

Потери тепла излучением через окна на первом участке:

Четвертый расчетный участок

Окно выдачи F_выд=0,625х6,728м², коэффициент дифрагмирования равен Ф_выд=0,67, при а/l=0,625/0,58=1,08. F_ок4=5,1 м². Доля времени открытия окна ψ_выд=0,2.

Потери тепла излучением через окна:

Общие потери тепла излучением через окна печи:

Q_изл= Q_изл1 + Q_изл4=961+656=1617 МДж/ч.

Неучтенные потери:

Q_неуч=0,1(Q_м+ Q_кл+ Q_охл+ Q_изл) (6.28)

Q_неуч =0,1(1617+4378,5+9657+43511)=5916 МДж/ч.

Уравнение теплового баланса печи без изоляции:

Q_х+ Q_в+ Q_экз= Q_м+ Q_д+ Q_кл+ Q_тр+ Q_изл+ Q_неуч, (6.29)

9,5В+1,31В+2616,88=43511+4,082В+4378,5+9657+1617+5916

6,73В=62463, т.е. В=9281 м³/ч.

Химическое тепло топлива:

Q_х=9,5·В=9,5·9281=88169,5 МДж/ч.

Физическое тепло топлива:

Q_в=1,31·В=1,31·9281=12158 МДж/ч.

Тепло, уносимое уходящими продуктами сгорания:

Q_д=4,082·В=4,082·9281=37885 МДж/ч.

Тепловой баланс печи без изоляции.

Тепловая мощность печи

М=Q_х/3600=88169,5/3600=24,5 МВт. (6.30)

Тепловой баланс

Приход тепла			Расход тепла
Статьи	МВт	%	Статьи	МВт	%
Хим. тепло	24,49	85,6	Тепло на нагрев ме	12,09	42,3
Физ. тепло воздуха	3,38	11,8	Тепло с ух.газами	10,5	36,7
Экзотермическое тепло	0,73	2,6	Потери через кладку	1,2	4,2
			Потери излучением	0,5	1,7
			Потери тепла в печи на охлаждаемые изолированные подовые трубы	2,7	9,5
			Неучтенные потери	1,6	5,6
Итого	28,6	100	Итого	28,6	100

Распределение тепловых мощностей по зонам отопления принимаем:

- первая верхняя сварочная зона - 18%,

- вторая верхняя сварочная зона - 18%,

- первая нижняя сварочная зона - 25%,

- вторая нижняя сварочная зона - 25%,

- томильная зона - 14%.

Тогда тепловые мощности зон отопления составят:

- первая верхняя сварочная зона - 0,18·24,5=4,41 МВт,

- вторая верхняя сварочная зона - 0,18·24,5=4,41 МВт,

- первая нижняя сварочная зона - 0,25·24,5=6,125 МВт,

- вторая нижняя сварочная зона - 0,25·24,5=6,125 МВт,

- томильная зона - 0,14·24,5=3,43 МВт.

Максимальный расход топлива на зоны отопления:

- первая верхняя сварочная зона - 0,18·9281=1670,6 м³/ч,

- вторая верхняя сварочная зона - 0,18·9281=1670,6 м³/ч,

- первая нижняя сварочная зона - 0,25·9281=2320 м³/ч,

- вторая нижняя сварочная зона - 0,25·9281=2320 м³/ч,

- томильная зона - 0,14·9281=1299 м³/ч.

Номинальное потребление тепла печью:

Удельный расход тепла:

7. Расчет топливосжигающих устройств

Принимаем торцевое отношение с установкой горелок типа «труба в трубе». Принимаем давление газа перед горелками 5 кПа и давление воздуха 3 кПа. Размещаем по 6 горелок в каждой зоне отопления.

Расход газа на каждую горелку в верхних сварочных зонах составит V_об=1670,6/6=278 м³/ч, в нижних - V_об=2320/6=387 м³/ч, в томильной зоне - V_об=1299/6=216,5 м³/ч.

Необходимый расход воздуха на горелку:

(7.1)

- в верхних сварочных зонах - V_ов=1,05·2,35·278=686 м³/ч,

- в нижних сварочных зонах - V_ов=1,05·2,35·387=955 м³/ч,

- в томильной зоне - V_ов=1,05·2,35·216,5=534 м³/ч,

Поправка на температуру при подогреве воздуха до t_в=400⁰С

, (7.2)

Расчетный расход воздуха на горелку:

(7.3)

- в верхних сварочных зонах - V_в=686·1,57=1077 м³/ч,

- в нижних сварочных зонах - V_в=955·1,57=1499 м³/ч,

- в томильной зоне - V_в=534·1,57=838 м³/ч,

По этим расходам воздуха при его давлении перед горелкой р=3кПа, выбираем горелку для верхних сварочных зон ДВБ-225, и для нижних - ДВБ-225, для томильной ДВБ-200.

Поправка на плотность газа: , где- плотность газа.

Расчетный расход газа на горелку:

(7.4)

- в верхних сварочных зонах - V_г=278·0,88=245 м³/ч,

- в нижних сварочных зонах - V_г=387·0,88=341 м³/ч,

- в томильной зоне - V_г=85,1·0,88=190,5 м³/ч.

По этим расходам и давлении 5 кПа принимаем сопло для горелок ДВБ-200 диаметром 35мм для верхних сварочных зон и томильной зоны, а для нижних ДВБ-225/40.