ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 2 страница

Таблица 4.2 – Состав влажных газов, %

Компоненты Доменный газ Коксовый 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
S 100,00 100,00

Внимание! Сумма объемных долей компонентов каждого газа должна равняться 100,00%, не больше и не меньше, т.е. допускается округление значений компонентов.

 

4.1.2 Теплота сгорания газов рассчитывается по составу влажных газов:

 

=0,01(12,7×СО+35,7×СН4+59×С2Н4+10,8×Н2), МДж/м3. (4.2)

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

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

 

4.1.3 Рабочий состав газовой смеси

 

Доля газов в смеси определяется из теплового баланса:

 

,

 

где Х – доля доменного газа (по теплу) в смеси:

 

.

 

Тогда доля коксового газа: (1 − X) = 1-0,802 = 0,198.

Состав смешанного газа, %:

 

=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.

Σ = 100,00%.

 

4.1.4 Теплота сгорания смеси влажных газов определяется по формуле (4.2)

 

=0,01(12,7×СО+35,7×СН4+59×С2Н4+10,8×Н2) =

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

 

Отклонение от заданной калорийности не должно превышать 1,0%.

 

, что допустимо.

 

4.1.5 Плотность смешанного газа по нормальным физическим условиям:

 

,кг/м3 (4.3)

 

где Mi − молекулярная масса, кг/кмоль;

ri – объемная доля компонента в смеси, %;

22,4 − объем, занимаемый 1 кмоль газа при нормальных физических условиях, м3/кмоль.

 

=(2×%Н2+28×%СО+16×%СН4+28×%С2Н4+44×%СО2+28×%N2+18×%Н2ОБ+32×%О2)/

/(22,4·100)=

=(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.

 

4.1.6 Состав и плотность воздуха

 

Сухой воздух содержит (по заданию) 25% и 75% . Во всех вариантах принимаем температуру холодного воздуха =20°С, при этом влажность dВ=18,9 г/м3 . Коэффициент перерасчета на влажный состав

.

 

Состав влажного воздуха, %:

 

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

Σ=100,00%.

 

Плотность влажного воздуха по формуле (4.3)

 

.

 

4.1.7 Количество воздуха для сжигания 1 м3 газа:

 

– теоретически необходимое (при a=1)

 

=

где .

 

− действительное LД=a×L0 =1,2×1,191=1,429 м3 воздуха/м3 топлива.

 

4.1.8 Количество продуктов горения, которые образуются при сжигании 1 м3 газа

 

.

=0,01(10,37+22,46+5,52+2(0,34)=0,391;

VД =0,391+0,306+0,058+1,504=2,259 м3 дыма/м3 топлива.

 

4.1.9 Состав и плотность продуктов горения, %

 

Состав продуктов горения

 

S100,00%.

 

Плотность продуктов сгорания по формуле (4.3)

 

.

 

4.1.10 Материальный баланс горения

 

Материальный баланс горения составляется с целью проверки правильности и точности расчета: mГ+mВ=mД±Dm.

Приход: масса газа и воздуха.

Масса газа (для 1 м3 газа): =1×1,142=1,142 кг.

Масса воздуха: =1,429×1,283=1,834 кг.

Итого приход: mГ +mВ=1,142+1,834=2,976 кг.

Расход – масса продуктов горения =2,259×1,318=2,976 кг.

Невязка баланса =2,976−(1,142+1,834)=0.

Относительная невязка , что допустимо. Итак, расчет горения топлива выполнен верно.

 

4.1.11 Калориметрическая температура

 

Калориметрическая температура рассчитывается из предположения, что все тепло, которое поступает в зону горения, тратится только на нагревание продуктов горения:

 

,

откуда

,

 

где и − тепло, внесенное топливом и воздухом, кДж/м3 топлива;

− теплоемкость продуктов горения средняя для интервала температур от 0 до , кДж/(м3×К).

,

 

iГ − энтальпия газа, кДж/м3. Определяется по рабочему составу газовой смеси при tГ [Приложение К] методом линейной интерполяции

 

кДж/м3, (4.4)

 

Х – объемная доля компонента влажного состава смеси газов, % (п. 4.1.3).

При =550°С по формуле (4.4)

 

=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 газа.

=1×808,61=808,61 кДж/м3 газа.

.

При tВ=650°С [Приложение К]

 

=

=0,01(927,2×24,43+875,3×73,28+1059,3×2,29) =892,16 кДж/м3 воздуха.

 

Тогда =1,429×892,16=1274,9 кДж/м3 газа.

 

Энтальпия продуктов сгорания при калориметрической температуре

 

кДж/м3продуктов горения.

 

Ориентировочную калориметрическую температуру определим по энтальпии iк продуктов сгорания по I−t диаграмме [Приложение Л]. =2100°С.

Вычислим энтальпию продуктов сгорания при ориентированной температуре =2100°С:

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

 

Так как полученное значение (3618,4<3702,3), то во втором приближении принимаем =2150°С:

 

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

Так как полученное значение (3712,9>3702,3), то искомая калориметрическая температура горения топлива определяется по формуле:

 

= 2144°С.

 

4.1.12 Коэффициент использования тепла топлива

 

КИТ является теплотехнической оценкой топлива и представляет собой долю тепла, которая осталась в печи:

, (4.5)

 

где – физическое тепло продуктов горения, кДж/м3;

– тепло химического недожога продуктов горения. Принимаем =0.

При tД=1250°С энтальпия продуктов сгорания [Приложение К]:

 

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

 

Физическое тепло продуктов горения определяется по формуле:

=2,259×2025,55=4575,72 кДж/м3 газа.

Подставляя полученные значения в формулу (4.5), получим:

,

т.е. 60,3 % химического тепла топлива остается в печи, остальное уходит с продуктами горения.

Результаты расчета необходимо свести в таблицу 4.3, что приводится в конце расчета.

Таблица 4.3 - Результаты расчета горения топлива

№ гн/п Наименование величин Обозначение, размерность Значение
  Исходные данные:    
1. Теплота сгорания топлива ,МДж/м3 6,28
2. Коэффициент расхода воздуха a 1,2
3. Содержание кислорода в воздухе О2
4. Температура газа tг, °С
5. Температура воздуха tв, °С
6. Температура продуктов сгорания tд, °С
  Результаты расчета:    
7. Расход воздуха L0, Lд, м33 1,191; 1,429
8. Выход продуктов сгорания Vд, м33 2,259
9. Состав продуктов сгорания: СО2, % 17,28
    Н2О, % 13,55
    О2, % 2,58
    N2, % 66,59
10. Невязка баланса Dm/m, %
11. Калориметрическая температура tк, °С
12. Коэффициент использования тепла топлива h 0,603

 

4.2 Расчет динамики нагрева металла в печах периодического действия

 

4.2.1 Выбор конечного температурного состояния металла

 

Температура поверхности в конце нагрева tПК выбирается в зависимости от марки стали по [Приложение М]. Исходные данные приведены в приложении В (столбцы 1, 2, 3, 5, 6, 7, 12).

Режим нагрева металла в нагревательном колодце комбинированный, состоящий обычно из двух периодов: М = const или q = const и tПЕЧ = const.

Слиток представляет собой усеченную призму. Поперечные размеры слитка принимают по среднему сечению. Если отношение длин широкой и узкой граней b:а< 1,3, допустима замена призмы цилиндром эквивалентного диаметра.

Ниже приведена последовательность расчета нагрева эквивалентного цилиндра при комбинированном режиме:

I период - нагрев при постоянном тепловом потоке (q = const),

II период – нагрев с постоянной температурой (tПЕЧ = const).

Расчетный радиус слитка

, м

 

где а и b – поперечные размеры слитка в среднем по высоте сечении, м (Приложение В, столбец 3). Перевести мм в м.

Перепад температур в конце нагрева, °С:

 

DtК=(120…150)×R,

 

гдe 120...150°С/м толщины прогреваемого слоя – допустимый градиент температур.

Величину DtК следует округлить до 0 или 5°С в меньшую сторону. Например, 38»35, 34»30.

Для упрощения расчетов рекомендуется построить на миллиметровой бумаге формата А4 графики теплофизических свойств заданной марки стали по формулам: l=f(t), i=f(t), r=f(t), а также зависимость от критерия Био коэффициентов усреднения тепловых потоков (К2) и температуры (К3) по сечению тела для цилиндра и плиты [Приложение Н],

где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м К); [Приложение П];

i - энтальпия, кДж/кг, [Приложение Р];

r − плотность стали, кг/м3, [Приложение С].

Графики l=f(t), i=f(t), r=f(t), а также зависимость от критерия Био коэффициентов усреднения тепловых потоков (К2) и температуры (К3) по сечению тела для цилиндра и плиты поместить в конце пояснительной записки в виде приложений А и Б. Назвать приложение А так: «Приложение А − Теплофизические свойства стали 20», если в исходных данных задана сталь 20. Название приложения размещается на отдельной странице по середине (по высоте) страницы. Далее размещаются 3 страницы с графиками. По оси абсцисс откладываются значения температуры. Каждый график должен иметь соответствующее название. Например, «Рисунок А. 1 − Зависимость коэффициента теплопроводности стали 20 от температуры». Название приложения Б поместить вверху страницы над графиком: «Приложение Б» «Зависимость коэффициентов К2 и К3 от Ві и формы тела». Под графиком поместить название: «Рисунок Б. 1 − Зависимость коэффициентов К2 и К3 от Ві для цилиндра и плиты». Рекомендуется построить эти зависимости для Ві = 0...10. В тексте пояснительной записки необходимо делать ссылку на соответствующий рисунок приложения, например, «(рисунок А.2)».

 

4.2.2 Определение плотности теплового потока и температуры печи в конце нагрева

 

Коэффициент теплопроводности в конце нагрева:

 

,

 

где tЦК=tПК − DtК.

Ориентированное значение коэффициента теплоотдачи, Вт/(м2 К):

 

.

где Спеч.м – столбец 7 Приложения В.

Ориентировочное значение критерия Био ( ): .

Значению соответствует коэффициент усреднения тепловых потоков для цилиндра , определенный по графику =f( ). В пояснительной записке это рисунок Б.1.

Ориентировочное значение теплового потока в конце нагрева:

, Вт/м2.

Температура печи в конце нагрева (в конце II периода tпеч=const) определяется из формулы Стефана-Больцмана:

.

°С,

 

После расчета ориентировочной температуры печи следует определить коэффициент теплоотдачи в конце нагрева слитков

 

,

 

Так как получена новая величина aлуч.к , во втором приближении уточнить значения .

 

4.2.3 Оптимальный тепловой поток и температура печи в начале нагрева

Оптимальный тепловой поток в начале нагрева при = const (ГУ ІІ рода) определяется по формуле:

= =(0,4...0,6)×qmax,

где

.

 

где tн – столбец 12 Приложения В.

Температура печи в начале нагрева tПЕЧ.Н определяется по известному начальному тепловому потоку и начальной температуре металла из выражения:

 

.

°С,

 

4.2.4 Определение продолжительности I периода

 

Температура поверхности металла определяется из выражение:

 

.

откуда , °С

 

Среднемассовая температура определяется методом последовательных приближений:

, (4.6)

 

где Dt1 − перепад температур по сечению:

 

. (4.7)

 

Коэффициент теплопроводности в первом приближении принять по графику при температуре −100°С, затем определить ориентировочные значения и , по формулам (4.7), (4.6), после чего повторять вычисления , и до тех пор, пока разность между значениями двух соседних приближений не станет меньше 10°. Коэффициенты усреднения тепловых потоков К2 и температуры К3 по сечению тела для цилиндра равны 2.

Рекомендации: расчет в первом приближении привести целиком. Результаты расчетов следующих приближений свести в таблицу 4.4.

Таблица 4.4 − Расчет

№ приближения , Вт/(м×К) ,°С , °С
     
     
     

 

Температура центра слитка в конце I периода .

Продолжительность первого периода определяется по формуле И.Д. Семикина (метод тепловой диаграммы):

, с (часов.)

 

где r – плотность стали, кг/м3 при (по графику);

– коэффициент материальной нагрузки, для цилиндра равняется 2;

и определяются по графику i = f(t) соответственно при и .

 

4.2.5 Расчет продолжительности II периода

 

Расчет продолжительности II периода ведется при условии tПЕЧ = const (ГУ III рода). Для повышения точности расчета II период разбивается на два интервала:

 

II – а: ; II – бы: ,

 

где – температура поверхности в конце первого интервала:

 

.

 

Расчет первого интервала II периода при tПЕЧ = const.

 

Плотность теплового потока на границе интервалов:

;

средняя плотность теплового потока: . .

Среднемассовая температура вычисляется методом приближений.

Коэффициент теплоотдачи: .

В первом приближении:

 

; (по графику).

, .

 

Во втором и следующем приближениях корректируется коэффициент теплопроводности по и вычисления повторяются до тех пор, пока разность между соседними значениями не станет меньше 10°С.