Конструктивний розрахунок короткобарабанної печі
Внутрішній діаметр печі можнавизначитиза формулою:
, (8)
де Vдг– секундний об’єм димових газів, що утворюються в печі заїї середньоїтемператури, м3/с;
t– допустима швидкість руху газів упечі заїї середньоїтемператури(для більшості печей знаходиться в межах 0,5...2,0 м/с), м/с.
Довжину печі визначаємо за формулою:
L= VP/ SP, (9)
де VP = VAl + VФ– об’єм, що зайнятий розплавом при завантаженні алюмінієвого сплаву та флюсів, м3;
SP– площа ефективного перерізу печі (площа перерізу розплаву), м2.
Коеффіцієнт заповнення перерізу печі матеріалом знаходимо за формулою:
= SP/ Sзаг, (10)
де Sзаг = ·R2вн– загальна площа перерізу печі, м2.
Методику конструктивного розрахунку короткобарабанної печі подано в прикладі 2.8.
Приклади розрахунків
Приклад 1.Визначити витрату повітря, кількість та склад продуктів згоряння палива, нижчу теплоту згоряння палива при спалюванні в короткобарабанній печі природного газу (склад, %: 94,0 СН4; 3,0 С2Н6; 0,8 С3Н8; 0,2 С4Н10; 0,1 С5Н12; 0,9 СО2; 1,0 N2). Розрахунок провести при =1,0 та =1,1. Прийняти, що газ сухий (0 % Н2О),при розрахунках речовини реагують у стехіометричних відношеннях.
Розв’язання
Розрахунок проводимо на 100 м3 сухого газу.
Складові природного газу СО2 та N2переходять у димові гази.
Для перебігу реакції (1)
94 х у z
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О
16 64 44 36
потрібно х=376,00 м3 О2 і утворюється у=258,50 м3 СО2, z=211,50 м3 Н2О.
Аналогічно розраховуємо витрату кисню для спалювання решти компонентів газу і результати записуємо в табл. 1.
У результаті розрахунку дістанемо:
– при =1,0 потрібно 376,00 + 11,20 + 2,91 + 0,72 + 0,36 = 391,19 м3 О2, або теоретична витрата повітря на 100 м3 природного газу дорівнює 391,19 : 0,21 = 1862,81 м3;
Таблиця 1 – Розрахунок витрати повітря та кількості димових газів
| Компоненти, що беруть участь у горінні | Продукти згоряння, димові гази, м3 | ||||||||||
| Паливо | Повітря, м3 | ||||||||||
| Компо-нент | Кількість | Номер реакції горіння | О2 | N2 | Усього | СО2 | Н2О | N2 | О2 | Усього | |
| % | м3 | ||||||||||
| СН4 | 94,0 | 94,0 | (1) | 376,00 | 1414,48 | 1790,48 | 258,50 | 211,50 | 1414,48 | – | 1884,48 |
| С2Н6 | 3,0 | 3,0 | (2) | 11,20 | 42,13 | 53,33 | 8,80 | 5,40 | 42,13 | – | 56,33 |
| С3Н8 | 0,8 | 0,8 | (3) | 2,91 | 10,95 | 13,86 | 2,40 | 1,31 | 10,95 | – | 14,66 |
| С4Н10 | 0,2 | 0,2 | (4) | 0,72 | 2,71 | 3,43 | 0,61 | 0,31 | 2,71 | – | 3,63 |
| С5Н12 | 0,1 | 0,1 | (5) | 0,36 | 1,35 | 1,71 | 0,31 | 0,15 | 1,35 | – | 1,81 |
| СО2 | 0,9 | 0,9 | – | – | – | – | 0,90 | – | – | – | 0,90 |
| N2 | 1,0 | 1,0 | – | – | – | – | – | – | 1,00 | – | 1,00 |
| Усього, =1,0 | 391,19 | 1471,62 | 1862,81 | 271,52 | 218,67 | 1472,62 | – | 1962,81 | |||
| Усього, =1,1 | 430,31 | 1618,78 | 2049,09 | 271,52 | 218,67 | 1619,78 | 39,12 | 2149,09 |
– при =1,1 практична витрата повітря на 100 м3 палива становить 
=2049,09 м3, об’єм димових газів – 2149,09 м3.
Визначаємо нижчу теплоту згоряння природного газу:
,
де qi - тепловий ефект реакції горіння і-го елемента палива, кДж/м3;
сі - вміст і-го елемента у складі палива, частка;
n - кількість елементів у складі палива.
= 35800×0,94 + 64940×0,03 + 86943×0,008 + 118694×0,002 +
+ 146500×0,001 = 36679,632 кДж/м3.
На підставі розрахунку горіння палива складаємо матеріальний баланс горіння палива (табл. 2).
Приклад 2.Скласти тепловий баланс печі та визначити витрату природного газу (див. приклад 1) для виплавлення алюмінієвого сплаву АК5М7 у короткобарабанній печі продуктивністю 3,75 т/год. Склад шихти відповідає середньому хімічному складу сплаву АК5М7, %: 0,434 Mg; 5,665 Si; 7,399 Cu; 0,062 Mn; 0,403 Zn; 1,152 Fe; 84,885 Al. Температура шихти, що завантажу-
Таблиця 2 - Матеріальний баланс горіння палива
| Надходження | Витрачання | ||||
| Речовина | Кількість | Речовина | Кількість | ||
| % | м3 | % | м3 | ||
| Природний газ, у | 4,65 | 100,00 | Димові гази, в | 100,00 | 2149,09 |
| тому числі: | тому числі: | ||||
| СН4 | 4,37 | 94,00 | СО2 | 12,63 | 271,52 |
| С2Н6 | 0,14 | 3,00 | Н2О | 10,18 | 218,67 |
| С3Н8 | 0,04 | 0,80 | N2 | 75,37 | 1619,78 |
| С4Н10 | 0,01 | 0,20 | О2 надл | 1,82 | 39,12 |
| С5Н12 | 0,005 | 0,10 | |||
| СО2 | 0,04 | 0,90 | |||
| N2 | 0,045 | 1,00 | |||
| Повітря, у тому | 95,35 | 2049,09 | |||
| числі: | |||||
| О2 | 20,02 | 430,31 | |||
| N2 | 75,33 | 1618,78 | |||
| Усього | 100,00 | 2149,09 | Усього | 100,00 | 2149,09 |
жується, становить 20 °С; температура шлаків, що зливаються, дорівнює 800 °С; температура підігрівання повітря становить 300 °С; температура газів на виході з печі дорівнює 1000 °С.
Розв’язання
Надходження теплоти
1. Теплота від згоряння палива становить
,
де - нижча теплота згоряння природного газу, кДж/м3;
В - витрата палива, м3/год.
кДж/год.
2. Фізична теплота, що вноситься підігрітим повітрям, дорівнює
,
де 
- практична витрата повітря на одиницю палива при = 1,1 (табл. 2), м3/м3;
Cn - середня теплоємність повітря при tn (табл. А.1), кДж/(м3×°С);
tn - температура підігрівання повітря, °С.
кДж/год.
3. Теплота екзотермічних реакцій при окисненні шихти, що нагрівається, становить
,
де 
- тепловий ефект реакції окиснення шихти заданого складу, що нагрівається, кДж/кг;
Сі - вміст і-го елемента у складі шихти, %;
qi - тепловий ефект реакції окислення і-го елемента шихти (табл. А.2), кДж/кг:
q = 10-2×(0,434×25470 + 5,665×30670 + 7,399×2468 + 0,062×7084 +
+ 0,403×5523 + 1,152×7306 + 84,885×30523) = 28050,866 кДж/кг;
G - годинна продуктивність печі, кг/год;
a - кількість металу, що окислився (частка від маси шихти), 0,0246.
кДж/год.
4. Загальне надходження теплоти становить
,
кДж/год.
Витрачання теплоти
1. Витрата теплоти на нагрівання та розплавлення металу становить
,
де С1 -середня теплоємність алюмінію при нагріванні від tндо tпл(табл.А.3), кДж/(кг×°С):
кДж/(кг×°С);
С2 -середня теплоємність алюмінію при нагріванні від tплдо tр(табл.А.3), кДж/(кг×°С):
кДж/(кг×°С);
і-прихована теплота плавлення алюмінію, і = 389,7 кДж/кг;
tпл-температура плавлення металу, tпл= 660 °С;
tн-температура шихти, що завантажується, tн= 20 °С;
tр-робоча температура у печі, tр= 850 °С.
Qн= 3750×[1,0725×(660-20) + 389,7 + 1,2155×(850-660)]= 4901000 кДж/год.
2. Теплота, що виноситься шлаками, становить
,
де Gшл-годинний вихід шлаків, 1250 кг/год;
Сшл-середня теплоємність шлаків при tшл, кДж/(кг×°С):
кДж/(кг×°С);
tшл-температура зливання шлаку, °С.
кДж/год.
3. Втрати теплоти з димовими газами, що виходять з робочого простору печі, становлять
,
де 
-об’єм димових газів на одиницю спалюваного палива при =1,1 (табл.2), м3/ м3;
-середня теплоємність димових газів при tдг, кДж/(м3×°С);
Сі-середня теплоємність і-го продукту згоряння при tдг(табл.А.1), кДж/(м3×°С);
Vi-об’ємна частка і-го продукту згоряння в димових газах (табл. 2);
Сдг= 0,1263×2,2266 + 0,1018×1,7133 + 0,7537×1,3938 +
+ 0,0182×1,4801= 1,5331 кДж/(м3×°С);
tдг-температура димових газів на виході з печі, °С.
кДж/год.
4. Витрати теплоти в результаті хімічної неповноти згоряння палива дорівнюють
,
де k1-кількість палива, що не догоряє, приймаємо k1=0,02.
кДж/год.
5. Втрати теплоти з механічним недогоряннямстановлять
,
де k2-кількість втраченого палива, приймаємо k2=0,03.
кДж/год.
6. Втрати теплоти у навколишнє середовище становлять
,
де k3-питомі втрати теплоти, приймаємо k3=167,5 кДж/кг.
кДж/год.
7. Невраховані втрати теплоти дорівнюють
,
кДж/год.
8. Загальні витрати теплоти:
,
кДж/год.
Визначаємо витрату палива В із рівності статей надходження та витрати
теплоти:
.
,
В = 2041 м3/год.
Питома витрата палива ВТ = 2014 / 3,75 = 544 м3/т.
Після підстановки значень витрати палива дістанемо:
кДж/год,
кДж/год,
кДж/год,
кДж/год,
кДж/год,
кДж/год.
Результати розрахунків зводимо в табл. 3.
Таблиця 3 – Тепловий баланс короткобарабанної печі
| Надходження теплоти | Витрачання теплоти | ||||||
| Стаття | Кількість | Стаття | Кількість | ||||
| % | МДж/год | % | МДж/год | ||||
| 1. | Теплота від | 1. | Теплота на нагрі- | ||||
| згоряння палива | 79,651 | вання і розплав- | |||||
| 2. | Фізична теплота, | лення металу | 5,214 | ||||
| що внесена піді- | 2. | Теплота, що ви- | |||||
| грітим повітрям | 17,596 | носиться шлаками | 0,921 | ||||
| 3. | Теплота | 3. | Втрати теплоти | ||||
| екзотермічних | з димовими | ||||||
| реакцій | 2,753 | газами | 71,547 | ||||
| 4. | Втрати теплоти | ||||||
| від хімічної | |||||||
| неповноти зго- | |||||||
| ряння палива | 11,294 | ||||||
| 5. | Втрати теплоти | ||||||
| з механічним | |||||||
| недогорянням | 2,390 | ||||||
| 6. | Втрати теплоти | ||||||
| в навколишнє | |||||||
| середовище | 0,668 | ||||||
| 7. | Невраховані | ||||||
| втрати теплоти | 7,965 | ||||||
| 8. | Нев’язка | 0,001 | |||||
| Усього | 100,00 | Усього | 100,00 |
Приклад 3.Визначити розміри короткобарабанної печі для виплавлення30 т алюмінієвого сплаву, яка опалюється природним газом (див. приклади 1, 2).
Розв’язання
Знаходимо внутрішній діаметр печі за формулою (8), прийнявши за практичними даними t = 1,15 м/с:
м.
Для визначення довжини печі та коефіцієнта заповнення робочого простору виходимо з таких умов:
–піч у поперечному перерізі має форму циліндра без ребер і конічних частин;
–піч заповнюється розплавом до рівня завантажувального вікна.
Схемудо розрахунку печі наведенона рис. 1.
|
Рисунок 1– Схема до розрахунку короткобарабанної печі
Площу перерізу розплаву SPвизначаємо за формулою:
, (11)
де 
– площа сектора АОВ (рис. 1), м2;
– площа трикутника АОВ (рис. 1), м2;
– кут при вершині сектора АОВ, град.;
h – радіус завантажувального вікна (для короткобарабанних печей h складає 15...20 % від внутрішнього діаметра печі), приймаємо h=0,685 м.
З розгляду прямокутного трикутника ОаВ (рис. 1) знаходимо величину кута за теоремою косинусів
та довжину ванни металу в перерізі (хорду АВ):
м.
Тоді дістанемо
,
тобто = 137 °.
Підставляючи значення довжини хорди АВ та кута в формулу (11), дістанемо:
м2.
Коефіцієнт заповнення печі дорівнює
= 2,88/10,63 = 0,27,
тобто піч заповнюється на 1/3 об’єму.
Об’єм, зайнятий розплавом при завантаженні 30 т алюмінієвого сплаву (щільність 2,37 т/м3) та 10 т флюсів (щільність 1,54 т/м3), дорівнює
VP = 30/2,37 + 10/1,54 = 19,15 м2.
Тоді довжина короткобарабанної печі за формулою (9) дорівнює
L = 19,15/2,88 = 6,65 м.
Відповідь: Діаметр і довжина короткобарабанної печі продуктивністю 3,75 т/год дорівнюють 3,68 та 6,65 м відповідно.
4 Завдання для самостійної роботи
Завдання 1. Визначити витрату повітря, кількість і склад продуктів згоряння палива, нижчу теплоту згоряння палива при спалюванні в короткобарабанній печі природного газу. Склад природного газу, величина коефіцієнта надлишку повітря надано в табл. 4. Прийняти, що газ сухий, при розрахунках речовини реагують у стехіометричних відношеннях.
Завдання 2. Скласти тепловий баланс печі й визначити витрату природного газу (див. завдання 1) для виплавлення алюмінієвого сплаву заданої марки (табл. 5) у короткобарабанній печі продуктивністю 3,75 т/год. Склад шихти для плавлення відповідає середньому хімічному складу сплаву заданої марки. Угар шихти під час плавлення становить 2,7 %. Температура шихти, що завантажується, становить 18 °С; температура шлаків, що зливаються, дорівнює 780 °С; температура підігрівання повітря становить 250 °С; температура газів на виході з печі дорівнює 900 °С.
Завдання 3. Визначити основні розміри короткобарабанної печі продуктивністю Р т/год алюмінієвого сплаву (табл. 5). Піч опалюється природним газом, хімічний склад якого наведено в табл. 4.
Таблиця 4 – Вихідні дані для розрахунку завдання 1
|
Таблиця 5 – Вихідні дані для розрахунку завдань2 та 3
|
ДОВІДКОВІ МАТЕРІАЛИ
| |||
|
|
стандартами України, Росії, Німеччини, Франції, США, Японії
|
Продовження таблиці А.4
|
|
