Расчёт методической толкательной печи

Q_в=B·i_в·V_в

Q_в=602,05·5,46·B =3287,19·B кВт.

 

Тепло экзотермических реакций

Принимая, что угар металла составляет 1% имеем

Q_экз=5650·P·a,

где a – угар металла,

P – производительность печи.

Q_экз=5650·23,89·0,01 =1349,79 кВт.

 

 

4.2 Расход тепла

 

Тепло, затраченное  на нагрев металла

 

Q_пол=P·(i_м^кон-i_м^нач)

 

где i_м^кон=838 кДж/кг – энтальпия среднеуглеродистой стали при t_м^кон=1225 ^оC

i_м^нач=9,72 кДж/кг – энтальпия среднеуглеродистой стали при t_м^нач=20 ^оC.

Q_пол=23,89·(838–9,72)=19787,61 кВт.

Тепло, уносимое уходящими дымовыми газами

 

Q_ух=B·V_п.с·i_п.с.

 

Энтальпию продуктов сгорания при температуре t_ух=1050 ^оC находим с использованием приложения II [2].

 

Энтальпия дыма и его составляющих при t_ух=1050 ^оC

Газ	Энтальпия, кДж/(м3)
CO2	249,74
H2O	304,67
N2	1055,46
O2	12,48
Суммарная энтальпия, iп.с	1622,35

 

Q_ух=6,39·1622,35· B =10366,82·B кВт.

Потери  тепла теплопроводностью через  кладку

Потерями тепла через под  в данной работе пренебрегаем. Рассчитываем только потери тепла через свод и  стены печи.

Потери  тепла через свод

Площадь свода принимаем равной площади  пода F_св=94,32 м²; толщина свода δ_к=0,3 м, материал – каолин. Принимаем, что температура внутренней поверхности свода равна средней по длине печи температуре газов, которая равна:

_Г=(1050+1300+1350+1280)/4= 1245 ^оC.

Если  считать температуру окружающей среды равной t_ок=30 ^оC, то температуру поверхности однослойного свода можно принять равной t_нар=340 ^оC.

При средней  по толщине температуре свода t_к=0,5·(1245+340)= 792,5 ^оC коэффициент теплопроводности каолина согласно приложения XI [1] равен: λ_к=1,75+0,00086·t_к=1,75+0,00086·799,21=2,43 Вт/(м·K).

Тогда потери тепла определим по формуле

 

 

где α определяется по формуле:

α=1,3·(10+0,06·t_нар)

α=1,3·(10+0,06·340)=39,52 Вт/(м²·К).

 кВт.

Потери  тепла через стены печи

Стены печи состоят из слоя шамота толщиной δ_ш=0,345 м и слоя диатомита толщиной δ_д=0,115 м.

Наружная  поверхность стен определяется по формуле:

 

F=2·L·2·h

 

методическая зона: F_м=2·4,85·2·1,6=31,04 м²;

I сварочная зона: F_свI=2·16,7·2·2,8=187,04 м²;

II сварочная зона: F_свII=2·15,63·2·2,8=175,06 м²;

томильная зона: F_т=2·2,13·2·1,65= 14,06 м².

Площадь торцов печи определяется по формуле:

F_торц=[B+2·(δ_ш+δ_д)]·(2·h_м+h_т)

F_торц= [2,4+2·(0,345+0,115)]·(2·1,6+1,65)=16,1 м².

Полная  площадь стен равна:

F_ст=31,04+187,04+175,06+14,06+16,1=423,3 м².

Для вычисления коэффициентов теплопроводности, зависящих  от температуры, необходимо найти среднее  значение температуры слоев. Средние  температуры слоев шамота и диатомита  равны:

 

 

где t' –  температура на границе раздела  слоев, ^оC;

t_кл^нар – температура наружной поверхности стен, которую можно принять равной 160 ^оC.

Коэффициент теплопроводности шамота равен λ_ш=0,835+0,00058·t_ш, а диатомита λ_д=0,145+0,000314·t_д, Вт/(м·К).

В стационарном режиме:

 

 

Подставляя  значения коэффициентов теплопроводности, имеем:

или:

0,000085( )²+0,1857 -180,584

Решение этого квадратичного уравнения  даёт значение:

=728,8^оС

Тогда:

=(1245+728,8)/2=986,9 ^оC;

=(160+728,8)/2=444,4 ^оC.

Окончательно  получаем: λ_ш=0,835+0,00058·986,9 =1,407 Вт/(м·K) и λ_д=0,145+0,000314·444,4=0,28 Вт/(м·K).

Количество  тепла, теряемое теплопроводностью  через стены печи, равно:

 

 

где α определяется по формуле:

α=10+0,06·t_кл^нар

Отсюда  α=10+0,06·160=19,6 Вт/(м²·К);

кВт.

Общее количество тепла, теряемого  теплопроводностью через кладку:

 

Q_тепл=Q_св+Q_ст=770,36+727,51=1497,87 кВт.

 

Потери  тепла с охлаждающей водой

Потери  тепла с охлаждающей водой  по практическим данным принимаем равными 10% от тепла, вносимого топливом и воздухом.

 

Q_охл=0,1·В·(Q_хим+Q_в)

Q_охл=0,1·В·(20900+3287,19)=2418,7·B кВт.

 

Неучтенные  потери

Неучтенные  потери определяем по формуле:

 

Q_неучт=0,15·(Q_тепл+Q_охл·B)

Q_неучт=0,15·(1497,87+2418,7·B) кВт.=224,68+362,8·В кВт.

 

Определение расхода топлива

Уравнение теплового баланса:

 

Q_хим+Q_в+Q_экз=Q_пол+Q_ух+Q_тепл+Q_охл+Q_неучт

20900·В+3287,19·В+1349,79=19787,61+10366,82·В+1497,87+2418,7·В++224,68+362,8·В

11038,87·B=20160,37

 

Решая это  уравнение, находим B: B=1,826 м³/с.

Результаты расчетов сведем в таблицу.

 

 

 

 

 

 

 

 

Тепловой  баланс методической печи

Статья прихода	кВт (%)	Статья расхода	кВт (%)
Тепло от горения топлива	38169,82(83,85)	Тепло на нагрев металла	19787,61(43,47)
Физическое тепло воздуха	6003,419(13,19)	Тепло, уносимое уходящими газами	18933(41,59)
Тепло экзотермических реакций	1349,79(2,97)	Потери тепла теплопроводностью  через кладку	1497,87(3,29)
		Потери тепла с охлаждающей  водой	4417,29(9,7)
		Неучтенные потери	887,26(1,95)
Итого	45523,03(100)	Итого	45523,03(100)

 

Удельный  расход тепла на нагрев 1 кг металла:

кДж/кг. 
5. Расчет рекуператора для подогрева воздуха

 

Исходные  данные для расчета: на входе в  рекуператор t_в^н=0 ^оC, на выходе t_в^к=450 ^оC. Температура дыма на входе в рекуператор t_д^н=1050 ^оC.

Расход  газа на отопление печи B=1,826 м³/с. Расход воздуха на горение топлива V_в=1,826·5,46=9,97 м³/с. Количество дымовых газов на входе в рекуператор V_д=6,39·1,826=11,67 м³/с.

 

Процентный  состав дымовых газов

	CO2	H2O	N2	O2
%	10,6	16,8	71,8	0,8

 

Выбираем керамический блочный  рекуператор. Материал блоков – шамот, марка кирпича Б-4 и Б-6 (табл. 32). Величину утечки воздуха в дымовые каналы принимаем равной 10%.

Тогда в  рекуператор необходимо подать следующее  количество воздуха:

 

V_в^н=V_в/0,9

V_в^н=9,97/(1–0,1)=11,08 м³/с.

 

Количество  потерянного в рекуператоре воздуха:

 

ΔV_в= V_в^н -V_в

ΔV_в=11,08–9,97=1,11 м³/с.

 

Среднее количество воздуха:

 

=(V_в^н +V_в)/2

=(11,08+9,97)/2=10,525 м³/с.

 

Количество  дымовых газов, покидающих рекуператор (с учетом утечки воздуха) равно:

 

V_д^к=V_д+ΔV_в

V_д^к=11,67+1,11=12,77 м³/с.

 

Среднее количество дымовых газов:

 

=(V_д+ V_д^к)/2

=(11,67+12,77)/2=12,22 м³/с.

 

Составим  уравнение теплового баланса  рекуператора, учитывая потери тепла  в окружающую среду, равные 10% и утечку воздуха в дымовые каналы, используя формулу:

 

Q=0,9·

·(c_д^н·t_д^н-c_д^к·t_д^к)= ·(c_в^к·t_в^к-c_в^н·t_в^н)+ΔV_в·(c_в^д·t_д^к-c_в^н·t_в^н)

 

где c_в^н, c_в^к – удельные теплоемкости воздуха при t_в^н и t_в^к соответственно;

c_в^д – удельная теплоемкость воздуха при температуре t_д^к.

Для решения  этого уравнения необходимо определить удельную теплоемкость дымовых газов  на входе и на выходе из рекуператора.

Находим удельные теплоемкости дымовых газов  при заданных температурах.

Зададим температуру дымовых газов на выходе из рекуператора: t_д^к=650 ^оC.

 

 

 

 

Теплоемкость  дыма и его составляющих при t_д^к=650 ^оC

Газ	Теплоемкость, кДж/(м3·K)
CO2	0,218
H2O	0,27
N2	0,963
O2	0,011
Суммарная теплоемкость, cдк	1,462

 

Теплоемкость  дыма и его составляющих при t_д^н=1050 ^оC

Газ	Теплоемкость, кДж/(м3·K)
CO2	0,236
H2O	0,289
N2	1,004
O2	0,009
Суммарная теплоемкость, cдн	1,538

 

Теперь решая уравнение относительно t_д^к получим:

0,9·12,22·(1,538·1050–1,462·t_д^к)=10,525·1,3371·450+1,11·1,3583·t_д^к

t_д^к=649,13^оС.

В принятой конструкции рекуператора схема  движения теплоносителей – перекрестный ток. Среднюю разность температур находим  по формуле:

 

Δt=Δt_прот·ε_Δt,

 

Определив среднелогарифмическую разность температур для противоточной схемы движения теплоносителей по формуле:

 

.

 

Найдя поправочные  коэффициенты

, ,

 

по номограмме на рис. 47 находим εΔt=0,86.

Тогда 624,27·0,86=536,87 ^оC.

Для определения  суммарного коэффициента теплопередачи  согласно табл. 28 примем среднюю скорость движения дымовых газов ω_д0=1,2 м/с, а среднюю скорость движения воздуха ω_в0=1,5 м/с.

Учитывая, что эквивалентный диаметр воздушных  каналов равен (табл. 32) d_в=0,055 м=55 мм, по графику 50 находим значение коэффициента теплоотдачи конвекцией на воздушной стороне:

α_в^конв’=14 Вт/(м²·К).