Расчет трёхзонной методической печи с двухсторонним обогревом

 

3.1.1 Расчет коэффициента  теплоотдачи в методической зоне. 

1) Найдём парциальное давление поглощающих компонентов смеси:

2) Ширина рабочего пространства печи (формула 2.1 [1])

где: l – длина заготовки

n – число рядов заготовок в печи

3) Эффективная длина луча:

– высота рабочего пространства печи в методической зоне.

4) Определим степень черноты газов: (По табл. П3 и П4 [1])

         

 –определены при температуре уходящих газов (900°С)

5) Определим интегральный коэффициент излучения (формула 3.9 [1]):

6) Определим угловой коэффициент излучения кладки на металл:

 

7) Определим приведённый коэффициент излучения от продуктов сгорания на металл с учётом тепла, отражённого от кладки печи на металл (формула 3.39 [1])

ε_м = 0,8 – коэффициент теплового излучения материала (табл. П2 [1]);

с₀ = 5,67 Вт/(м²·К) – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела;

8) Удельный тепловой  поток

Т_м – температура поверхности металла, К

Т_г – температура уходящих газов, К

9) Определим коэффициент теплоотдачи в начале методической зоны:

10) Коэффициент теплоотдачи в конце методической зоны:

при температуре в конце методической зоны 1200 °С: (По табл.П3 и П4 [1])

11) Определим приведённый коэффициент излучения от продуктов сгорания на металл с учётом тепла, отражённого от кладки печи на металл (формула 3.39 [1] )

12) Удельный тепловой  поток 

13) Определим коэффициент  теплоотдачи в конце методической  зоны:

14)  Определим средний коэффициент теплоотдачи по крайним значениям в начале и в конце зоны:

 

3.1.2 Нагрев металла в методической зоне.

1) Определим среднюю температуру газов в зоне:

 
2) Средняя температура металла в зоне:

 – температура поверхности  металла (15°С – в начале, 620°С – в конце зоны)

k₁ = 1 – для пластины

t_сер – температура середины металла (20°С – в начале, 540°С – в конце зоны)

3) По этой температуре находим коэффициент теплопроводности материала (по таблице I – 51 [2]).

4) коэффициент температуропроводности:

где:  (по таблице I – 52 [2])

(по таблице I – 55 [2])

5) Вычислим число Био:

где: δ = 160 мм

 

6)

7) Определяем число  Фурье: (по рис.П.1.[1]):

8) По Bi и F_o используя номограмму П2 [1], находим

9) Используя номограммы П3 и П4 [1], определим температурный критерий:

10)

11) Уточним температуру на поверхности и середине материала:

Полученные значения температур незначительно отличаются от принятых (не более 15…20 °С).

12) Определим время нагрева в методической зоне:

3.2. Сварочная зона.

В сварочной зоне при  ускоренном нагреве температура  газов остается постоянной. Так как  температура поверхности металла  изменяется по ходу нагрева, то коэффициент  теплоотдачи излучением будет также  изменяться.

 

3.2.1Определение коэффициента теплоотдачи в сварочной зоне.

 

1) Эффективная длина  луча:

Где : h_св = 2,6  (м)– высота рабочего пространства печи в сварочной зоне

2) Определим степень  черноты газов: (По табл. П3 и  П4 [1])

 –определены при температуре  уходящих газов (1300°С)

3) Определим интегральный коэффициент излучения (формула 3.9 [1]):

где : β = 1,083

4) Определим угловой коэффициент  излучения кладки на металл:

5) Определим приведённый  коэффициент излучения от продуктов  сгорания на еталл с учётом тепла, отражённого от кладки печи на металл (формула 3.39 [1])

ε_м = 0,8 – коэффициент теплового излучения материала (табл. П2 [1]);

с₀ = 5,67 Вт/(м²·К) – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела;

6) Удельный тепловой  поток в начале сварочной зоны :

Т_м – температура поверхности металла, ⁰К

Т_г – температура уходящих газов,⁰ К

7) Определим коэффициент теплоотдачи в начале сварочной зоны:

8) Удельный тепловой  поток в конце сварочной зоны :

 – конечная температура  материала в сварочной зоне.

9) Определим коэффициент  теплоотдачи в конце сварочной  зоны:

10) Определим средний коэффициент теплоотдачи по крайним значениям в начале и в конце зоны:

3.2.2. Нагрев металла в сварочной зоне.

1) Определим среднюю температуру газов в зоне

2) Средняя температура  метала в зоне:

 – температура поверхности металла (635°С – в начале, 1200°С – в конце зоны)

k₁ = 1 – для пластины

t_сер – температура середины металла (559°С – в начале,1150 °С – в конце зоны)

3) По этой температуре находим коэффициент теплопроводности материала (по таблице I – 51 [2]):

4) Коэффициент температуропроводности:

где:

5) Вычислим число Био:

6)

7) По Bi и Θ_пов используя номограмму П2 [1], находим:

8) По Bi и F_o используя номограмму П2 [1], находим:

9) Используя номограммы П3 и П4 [1], определим температурный критерий :

10)

 

11) Уточним температуру на поверхности и середине материала:

Полученные значения температур незначительно отличаются от принятых (не более 15…20 °С).

12) Определим время нагрева в сварочной зоне:

3.3. Томильная зона.

Температура продуктов  сгорания в томильной зоне обычно выше на 30 – 50 ⁰С выше конечной температуры поверхности металла.

 

3.3.1 Нагрев металла в томильной зоне.

Время нагрева металла  в томильной зоне при t_пов = Const можно рассчитать с помощью графика на рис 4.3 [1].

μ = 0,5 – коэффициент, учитывающий несимметричность обогрева в сварочной зоне.

 – перепады температур по сечению металла в начале томильной зоны.

 – перепады температур  по сечению металла в конце томильной зоны. (задан )

1) - по рисунку 4.3 [1].

2) 

3) Коэффициент температуропроводности (при )

где:

 

3)

4. Длина печи и напряжение пода.

 

1. Определим длину зон печи :

где: P – производительность печи

τ_i – продолжительность нагрева в зоне

S – толщина заготовки (320 мм)

l – длина заготовки( 8 м)

ρ – плотность металла при средней температуре

2) Длина активного пода (длина, на которой происходит нагрев металла):

3) Длина полезного пода (длина печи, по которой происходит перемещение металла):

– коэффициент заполнения полезной длины.

4) Длина габаритного пода печи:

– длина неработающего участка.

5) Напряжение активного пода:

Под понимается удельная производительность печи, определяющая количество металла, нагреваемого на единице поверхности в единицу времени.

F_а – площадь активного пода

5.Тепловой баланс печи.

Тепловой баланс печи составляется для определения расхода топлива  на нагрев металла и представляет собой уравнение, связывающее приход и расход тепла.

5.1 Расход тепла

Потери тепла теплопроводностью  через кладку печи

 

 

 

Распределение температуры в кладке печи.

 

 

 

 

 

5.1.1Потери тепла через кладку печи

Таблица 5.1.1

Определяемая величина	Расчётная формула	зоны
		методич.	сварочн	томильн
Коэффициент диафрагмирова-ния		0,534	0,709	0,609
Температура внутренней поверхности кладки		843	1170	1190
Площадь теплоотдающей  поверхности стен в зоне	(мет. и свар.), м2 (том.), м2	48,4	280	9,6
Температура воздуха  в цехе	принимаем	30	30	30
Температура наружной по- верхности стен	принимаем	82	89	83
Коэффициент теплоотдачи конвекцией		13,1	13,8	13,4
Коэффициент теплоотдачи излучением		6,9	7,1	6,9
Общий коэффи- циент теплоот- дачи		20	20,9	20,4
Толщина огне- упорного слоя	по таблице 5.1. [1]	116	348	232
Толщина изоля- ционного слоя	по таблице 5.1. [1]	232	232	348
Температура соприкоснове- ния слоёв		740	810	990
Коэффициент теплопровод –ности огнеу- порного мате- риала  (шамот класс А)		1,050	1,066	1,077
Коэффициент теплопровод –ности изоляци- онного матери- ала (шамот легковесный ШЛБ – 0,9 )		0,385	0,393	0,410
Удельный тепловой поток  через кладку		1069	1183	1043
Уточним темпе- ратуру сопри- косновения слоёв		730	792	975
Уточним темпе- ратуру наруж- ной поверхнос- ти кладки		83,9	87,3	82,2
Тепловые поте- ри через стены зоны		51,7	331,2	10,01
Суммарные тепловые поте- ри через стены		394
Площадь теплоотдачи  поверхности свода		109,3	233	27,5
Температура воздуха  в цехе	принимаем	30	30	30
Температура наружной по- верхности стен	принимаем	100	124	125
Коэффициент теплоотдачи конвекцией		14,64	15,98	15,94
Коэффициент теплоотдачи излучением		7,52	8,41	8,45
Общий коэффи- циент теплоот- дачи		22,16	24,39	24,39
Толщина огне- упорного слоя	по таблице 5.1. [1]	300	300	300
Толщина изоля- ционного слоя	по таблице 5.1. [1]	65	65	65
Температура соприкоснове- ния слоёв		400	510	570
Коэффициент теплопровод –ности огнеу- порного мате- риала  (шамот класс  А)		1,024	1,076	1,080
Коэффициент теплопровод –ности изоляци- онного матери- ала (шамот легковесный ШЛБ – 0,9 )		0,340	0,360	0,361
Удельный тепловой поток  через кладку		1565	2290	2351
Уточним темпе- ратуру сопри- косновения слоёв		393,83	531,86	543,46
Уточним темпе- ратуру наруж- ной поверхнос- ти кладки		99,1	123,7	125,2
Тепловые потери через  свод зоны		75,7	641,2	22,5
Суммарные потери через свод		739,4
Суммарные потери		1138

5.1.2. Потери тепла излучением через открытые окна.

5.1.2.1 Методическая зона

а) Потери через окно загрузки:

1) Площадь окна загрузки:

2) Потери:

 

 

Ф₁ = 0,10 – коэффициент диафрагмирования (по рис 3.7 [1])

 ψ = 1 – доля времени по истечении которого окно открыто

б) Потери через смотровые окна:

1) Количество смотровых  окон:

2) Размер окон: 

3) Площадь смотровых  окон:    

4) Потери:

 Ф₁ = 0,10

ψ = 0,15

5.1.2.2 Сварочная зона

а) Потери через смотровые окна:

1) Количество смотровых  окон:

2) Размер окон: 

3) Площадь смотровых  окон:    

 

4) Потери :

Ф₁ = 0,10

ψ = 0,3

5.1.2.3 Томильная зона.

а) Потери через смотровые окна:

1) Количество смотровых  окон:

2) Размер окон : 

3) Площадь смотровых  окон :    

 

4) Потери :

Ф₁ = 0,10

ψ = 0,3

б) Потери через окно выгрузки:

1) Площадь окна выгрузки:

2) Потери :

 Ф₁ = 0,10

ψ = 1

5.1.2.4 Суммарные потери тепла через открытые окна:

 

5.1.3 Потери тепла с охлаждающей водой

а) Методическая зона

– удельный тепловой поток через  стенку охлаждаемого элемента (по рис 5.3 [1])

F_охл – площадь поверхности глиссажных труб:

n = 6 – число труб

d – диаметр труб

)

б) Сварочная зона

Площадь поверхности  глиссажных труб:

Количество сдвоенных  поперечных труб:

Площадь поверхности сдвоенных  поперечных труб:

Полные потери с охлаждающей  водой:

 

5.1.4 Тепло затраченное  на нагрев металла.

 

– конечная и начальная теплоёмкость металла

5.1.5 Неучтенные потери  тепла.

5.2 Расход топлива

Составим уравнение  теплового баланса:

Где:

  ─ химическое тепло топлива

 ─ физическое тепло топлива

 ─ физическое тепло воздуха

─ тепло экзотермической реакции  окисления железа

 ─ тепло уносимое с дымовыми газами