Тепловой расчет и конструирование печи. Курсовая работа (т). Физика.

⚡ 👉🏻👉🏻👉🏻 ИНФОРМАЦИЯ ДОСТУПНА ЗДЕСЬ ЖМИТЕ 👈🏻👈🏻👈🏻

Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.


Помощь в написании работы, которую точно примут!

Похожие работы на - Тепловой расчет и конструирование печи

Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе


Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе


Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе


Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе


Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе


Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе


Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе

Нужна качественная работа без плагиата?

Не нашел материал для своей работы?


Поможем написать качественную работу Без плагиата!

Санкт-Петербургский государственный
политехнический университет


Факультет технологии и исследования
материалов


Кафедра «Пластическая обработка
металлов»






















Тепловой расчёт и конструирование
печи









1. Тип и назначение печи: камерная
садочная.


2. Материал нагреваемых заготовок: Сталь
20


3. Габариты заготовок: цилиндр D = 760 мм, L=1520 мм


5. Режим нагрева металла: нагрев под
ковку


6. Топливо: смесь природного и коксового
газов


7. Теплотворность топлива: Q =22000 кДж/м 3


9. Температура подогрева воздуха: t =230˚С


10. Выполнить
аэродинамический расчёт воздушного тракта









В данном курсовом проекте производится тепловой расчет и конструирование
печи. Нагрев металла является одной из важнейших стадий производственного
процесса, влияющей на производительность, качество и себестоимость продукции.


В машиностроении для нагрева металлических заготовок под прессование,
штамповку и термическую обработку используют печи различных конструкций,
которые могут быть объединены общим признаком. В большинстве случаев - это
камерные печи садочного типа. В таких печах нагрев заготовок производят
отдельными садками, с последующим их охлаждением. Широкое применение этих печей
объясняется их универсальностью, позволяющей обрабатывать по разным режимам
разнообразные по форме и размерам заготовки.


Для того чтобы грамотно выбрать и использовать печь, необходимо
ознакомиться с основами её тепловой работы, т.е. совокупности всех процессов,
протекающих в печи и определяющих основной процесс - нагрев металла. Сущность
тепловой работы нагревательных и термических печей садочного типа определяется
сочетанием процессов тепловыделения, теплообмена и теплоусвоения, которые
протекают в рабочем пространстве печи. Поэтому задачи расчета таких печей
сводят к выявлению условий протекания указанных процессов, которые обеспечат
заданный режим нагрева и заданную производительность печи.







Согласно заданию печь должна отапливаться смесью природного и коксового
газов (теплота сгорания: 22000 кДж/м 3 , влажность 40г/м 3 ).
Состав природного (П) и коксового (К) газов приведен в таблице 1.




Пересчитаем состав сухого газа на рабочий по формулам:




где (Н 2 О) Т - содержание влаги в топливе по
справочным данным, %;


Н 2 О - заданное содержание влаги в топливе, %; W - содержание водяных паров в
топливе, г/м 3 .




Природный газ СО 2 Р = 0,3·0,9526 = 0,29% и т.д.


Коксовый газ СО 2 Р = 2,8·0,9526 = 2,67% и т.д.




Рабочие составы (%) природного и коксового газов приведены в таблице 2.









Теплоту сгорания каждого газа вычисляем по формуле:




Q н р = 0,127·CO P +0,108·H 2 P
+0,234·H 2 S P +0,357·CH 4 P +0,596·C 2 H 4 P


Q н пг р =
0,127·0,57+0,108·1,91+0,234·0,19+0,357·88,59+0,596·0,38 =


,18МДж/м 3 н кг р = 0,127·5,14+0,108·48,39+0,357·25,24
= 14,89 МДж/м 3




x = (Q см - Q н кг Р )/(Q н пг Р - Q н
кг Р ) = (25,0-14,89)/(32,18-14,89) =0,585




Доля коксового газа: (1- 0,585) = 0,415.


Рабочий состав смешанного газа определяется по формуле:




( СО 2 ) см = х· ( СО 2 ) пг
+ (1-х) · ( СО 2 ) кг …


СО 2 Р см = 0,585·0,29 + 0,415·2,67 =
1,28%…




Рабочий состав (%) смешанного газа приведен в таблице 3.




Теоретически необходимое количество воздуха (м 3 ) определяем по
формуле:


L 0 = 0,0476· (0,5CO P +0,5H 2 P
+2CH 4 P +3C 2 H 4 P +1,5H 2 S P
- O 2 P )


где d В - влагосодержание сухого воздуха, г/м 3 ,
равное 10г/м 3 .




L 0 = 0,0476·
(0,5·2,47+0,5·21,20+2·62,29+3·0,90+1,5·0,11-0,68) ·


Действительное количество воздуха при a = 1,1 вычисляется по формуле:




L Д = a·L 0 = 1,1·6,68 = 7,35 м 3 .




Количество продуктов сгорания (м 3 ) рассчитываем по формулам:




V CO2 = 0,01· (CO 2 P +CO P +CH 4 P +2C 2 H 4 P ) CO2
= 0,01· (1,28+2,47+62,29+2·0,90) = 0,68 м 3


V N2 = 0,01*(6,18+79*7,35) = 5,87 м 3


V H2O = 0,01· (2CH 4 P +2C 2 H 4 P
+H 2 P + H 2 O P +H 2 S P
+ 0.124L д ·d В ) H2O = 0,01·
(2·62,29+2·0,90+21,20+4,89+0,11+0,124·7,35·10) =1,62 м 3


V O2 = 0,21· (a-1) ·L 0 = 0,21·
(1,1-1) ·6,68 = 0,14 м 3


V SO2 = 0,01·H 2 S P = 0,01·0,11
= 0,0011 м 3




Общее количество продуктов сгорания равно:




V Д = V CO 2 +V N 2 +V H 2 O +V O 2 +V SO 2 = 0,68+5,87+1,62+0,14+0,0011 = 8,31 м 3




Рассчитаем состав продуктов сгорания смешанного газа по формулам:







CO 2 = 0,68·100/8,31 = 8,18% 2 O =
1,62·100/8,31 = 19,50% 2 = 0,0011·100/8,31 = 0,013% 2 = 5,87·100/8,31 = 70,64%


Плотность продуктов сгорания вычисляем по формуле:




r Д
= (0,44·CO 2 +0,18·H 2 O+0,28·N 2 +0,32·O 2 +0,64·SO 2 )/22,4
=


(0,44·8,18+0,18·19,50+0,28·70,64+0,32·1,68+0,64·0,013)/22,4 =
1,23 кг/м 3




2. Расчет параметров внешнего теплообмена




Согласно заданию садка печи состоит из двух слитков диаметром d = 760 мм и длиной l = 1520 мм


Расположим слитки в ряд по ширине пода (рис. 2.1)




Рис. 2.1 Эскиз рабочего пространства печи и схема расположения слитков на
ее поду


На поверхность нагреваемого в печи материала теплота передаётся за счёт
излучения и конвекции:






где q конв и q изл - тепловые потоки, переданные соответственно конвекцией и
излучением. Следует иметь ввиду, что доля теплоты, передаваемой конвекцией в
печах с рабочей температурой более 700°С, не превышает 15…20% и падает с увеличением температуры.
Существующие методики расчёта конвективного теплообмена дают относительную
погрешность около 20…30%, поэтому в дальнейшем будем считать, что конвективный
тепловой поток составляет 10% от лучистого теплового потока: qконв=0.1 qизл. Тогда общий поток теплоты, передаваемый на поверхность
металла: qм=1.1 qизл. Теловой поток


излучением на поверхность нагреваемого материала может быть вычислен по
формуле:






где q изл - тепловой поток излучением; Т ср ,
Т пов - температуры среды и поверхности нагреваемого материала, К; С пр
- приведённый коэффициент излучения, В/м²К 4 .


При расчёте теплового потока на поверхность садки в качестве источника
излучения может быть выбрана печь, газ или кладка. В реальных условиях режим
нагрева контролируется по показаниям печной термопары. Температура, фиксируемая
горячим спаем такой термопары, даёт промежуточное значение между температурой
газа (наиболее высокой температурой печи), кладки и металла. Принято считать,
что на поверхность печной термопары и металла передаются равные тепловые
потоки, поэтому в дальнейшем при его определении принимаем в качестве источника
излучения печь. Тогда с учётом конвекции тепловой поток на металл:






где С пм - приведённый коэффициент излучения в системе печь -
металл, В/м²К 4 ; Т пч - температура печи, К.


Исходя из того что тепловой поток излучением на металл одинаков
независимо от того, что мы выбираем в качестве источника излучения, то qм, можно определить температуру газов
и кладки из выражений:






L =
0,5·2+1,52·2+0,1= 4,14 м; ширина В = 0,75·2+0,76=2,26 м.




В камерных печах рабочее пространство перекрывают арочным сводом с
центральным углом j =
60 0 . При таком центральном угле свода R=B, а высота
боковой стены




h = R·cos(j/2) = 2,26·cos30 0
= 1,96 м.




h СР = (h+H)/2 =
(1,86+2,12)/2 = 2,11 м.




Определим геометрические параметры излучения. Поверхность кладки




F КЛ = F ТОРЦ СТЕН +F БОК.СТЕН +F СВОДА +F ПОДА = 2Вh СР + 2Lh+


pRjL/180+LB = 2·2,26·2,11 + 2·4,14·1,96 +
3,14·2,26·60·4,14/180 +


Излучающую поверхность металла определим по формуле




F М
= n*(2πr*(l+r)), где n - число слитков; r и l - радиус и длина слитка;


F М
= 2· (2·3,14·0,38·
(1,52+0,38)) = 9,07 м 2 .




V ПЧ = BLh CP = 2,26·4,14·2,11= 19,74 м 3 .





V М = n·π·r 2 ·l = 2·3,14·0,38 2 ·1,52
= 1,38 м 3 .




Эффективную длину луча определим согласно формуле:




S ЭФ = 3,5 (V ПЧ - V М )/(F М +F КЛ ) = 3,5· (19,74-1,38)/(9,07+44,92) =
1,19 м.




j КМ = j ММ = F М /(F М +F КЛ ) = 9,07/(9,07+44,92) = 0,17


Приведенный коэффициент С ПМ при степени черноты окисленной
стали, равной e М = 0,8 согласно формуле равен:




С ПМ = 5,67·e М ·j МК /(1-j ММ · (1-e М ))


С ПМ = 5,67·0,8·0,83/(1-0,17· (1-0,8)) = 3,90 Вт/м 2 К 4


Так как в продуктах сгорания содержится 8,18% СО 2 и 19,50% Н 2 О,
парциальное давление углекислого газа




р СО2 = 0,0818·0,0981 = 0,008 МПа, а паров воды


Определим степень черноты газов при трех значениях температур:




t Г1 = t ПК = 1220˚С, t Г2 = 1320˚С,
t Г3 = 1420˚С.




Коэффициент ослабления можно найти по формуле:




Степень
черноты газов находим по формуле:




e Г = 1-exp(-10*0,84*0,0274*1,19) = 0,24







e Г = 1-exp(-10*0,79*0,0274*1,19) = 0,23




e Г = 1-exp(-10*0,69*0,0274*1,19) = 0,20




Приведенный коэффициент излучения в системе газ - металл - по формуле:




С ГМ = 5,67*e М *e Г / (e Г + j КМ (1 - e Г ))




С ГМ = 5,67*0,8*0,24/(0,24+0,17*(1-0,24)) = 2,95 Вт/м 2 К 4




С ГМ = 5,67*0,8*0,23/(0,23+0,17*(1-0,23)) = 2,89 Вт/м 2 К 4




С ГМ = 5,67*0,8*0,20/(0,20+0,17*(1-0,20)) = 2,7 Вт/м 2 К 4




Приведенный коэффициент излучения в системе кладка - металл - по формуле:




В
таблице 4 приведены результаты расчета для трех различных температур.




Начальные условия: начальная температура металла 20 0 С;
конечная температура поверхности слитков 1200 0 С, конечный перепад
температур по сечению слитков 50 0 С.




где s В -предел прочности материала слитка,
МН/м 2 ; b -
коэффициент линейного расширения материала слитка, 1/град; Е - модуль упругости
материала слитка, Мн/м 2 .


s В = 395,2
МН/м 2 ; b=
11,92*10 -6 1/град;


Dt ДОП = (1,4*395,2*10 6 )/(11,92*10 -6 *21,2*10 10)
= 219 0 С.


l ср = (l 20 + l 500 )/2 = (51,5+39,3)/2=45,4 Вт/м*град


q ДОП = 2*l*Dt ДОП /R = 2*45,4*219/0,38 =52329,5 Вт/м 2




Рассчитываем допустимую температуру печи:




Так
как температура много ниже той, до которой надо нагреть, разобьем нагрев на 4
интервала и выровняем температуру сначала при 800°С, а после и при максимальной
температуре 1220°С.


Температура
печи в первом периоде нагрева несколько ниже допустимой по термическим
напряжениям t пч =
800°С.


Разобьем
первый период нагрева на два интервала по температуре поверхности:


Первый
интервал: от t 1н = 20°С
до t 1к =
600°С.


Второй
интервал: от t 2н = 600°С
до t 2к =
750°С.


q м = 1,1·С пм ·[(Т пч /100) 4
- (Т пов /100) 4 ]


определяем
тепловые потоки на поверхности металла в начале и конце интервала:




q 1н = 1,1·3,9· [((800 + 273)/100) 4 - ((20 +
273)/100) 4 ] = 56550 Вт/м 2 ;


q 1к = 1,1·3,9· [((800 + 273)/100) 4 - ((600 +
273)/100) 4 ] = 31948 Вт/м 2 .




Коэффициенты
теплоотдачи в начале и конце интервала:




α 1н = q 1н /(t пч - t п1н ) = 56550/(800-20) = 72,5 Вт/м 2 ·град;


α 1к = q 1к /(t пч - t п1к ) = 31948/(800-600) = 159,7 Вт/м 2 ·град.




Среднее
значение коэффициента теплоотдачи в первом интервале:




α ср1 = (α 1н + α 1к )/2 =
(72,5 + 159,7)/2 = 116,1 Вт/м 2 ·град;




Среднее
значение коэффициента теплопроводности стали в первом интервале нагрева:




λ ср1 = (λ п1н + λ ц1н + λ п1к )/3 = (λ 20 + λ 20 + λ 600 )/3 =
(51,5+ 51,5+ 35,6)/3 =


Величину
λ ср1
определяем по известным значениям температур по сечению слитка:


t п1н = 20°С - начальная температура поверхности слитка;


t ц1н = 20°С - начальная температура центра слитка;


t п1к = 600°С - температура поверхности слитка в конце
первого интервала.


Температура
центра слитка t ц1к в конце
первого интервала нам пока не известна.


Число
Био в первом интервале нагрева:


Bi 1 = α ср1 R / λ ср1 =116,1
·0,38/46,2 = 0,96.




Определим
температурный критерий поверхности в конце первого интервала:




θ п1к = (t пч - t п1к )/( t пч - t ср1н ) =
(800-600)/(800-20) = 0,27 ,




где
t ср1н = t п1н = t ц1н = 20°С
- средняя температура по сечению слитка в начале первого интервала нагрева.


Для
марки стали «Сталь 20» находим F 01 = 0,70
и θ ц1к =
0,41.


θ = (Т пч - Т)/(Т пч - Т н ) = (t пч - t)/(t пч - t н )




найдем
температуру центра слитка в конце первого интервала нагрева:




t ц1к = t пч - θ ц1к ·( t пч - t ср1н ) =
800 - 0,41*(800 - 20) = 480°С




Уточним
значение λ ср1 с
учетом известного нам теперь значения температуры центра слитка в конце первого
интервала нагрева:




λ ’ ср1 = (λ 20 + λ 20 + λ 600 + λ 480 )/4 =
(51,5+51,5+35,6+40,38)/4 =


Разница
между уточненным λ ’ ср1 и его первоначальным значением λ ср1 составляет




поэтому
пересчитывать не будем. Если бы эта разница превысила 10%, следовало бы
выполнить дополнительные расчеты при новом значении числа Bi 1 , рассчитанном с λ ’ ср1 .


Перепад
температур по сечению слитка в конце первого интервала нагрева:




Δt 1к = t п1к - t ц1к = 600 - 480 = 120°С.




Средняя
температура по сечению слитка в конце первого интервала:




t ср1к = t ц1к + Δt 1к /2 = 480 +120/2 = 540°С.




Расчетная
теплоемкость стали в первом интервале нагрева




С р1
= (i t ср1к - i t ср1н )/( t ср1к -t ср1н ) = (i 540 - i 20 )/(540-20)
= (308,5-10)/520 =


где
i - теплосодержание стали при соответствующей
температуре.


Среднее
значение коэффициента температуропроводности в первом интервале нагрева




a ср1 = λ ср1 /(С р1 ·ρ) =
46,2/(574·7860) = 102,4·10 -7 м 2 /с = 0,0369 м 2 /ч,




где
ρ
- плотность стали, кг/м 3 .
Поскольку плотность стали мало зависит от температуры, будем считать ρ = 7860 кг/ м 3 = const для всего
времени нагрева слитков.


τ 1 = F 01 ·R 2 /а ср1
= 0,7·(0,38) 2 /0,0369 = 2,74 ч.




t г1н = 100· 4 √[q 1н /С гм + (Т п1н /100) 4 ] -
273 = 100· 4 √[56550/2,7+


Температура
газа в конце первого интервала нагрева:




t г1к = 100· 4 √[31948/2,89 +
((600+273)/100) 4 ] - 273 = 867°С.




Температура
кладки в начале нагрева:




t кл1н = 100· 4 √q 1н /С км + (Т п1н/100 ) 4 -
273 = 100· 4 √56550/5,07 +


Температура
кладки в конце первого интервала:




t кл1к = 100· 4 √31948/5,07 + ((600+273)/100) 4
- 273 = 776°С.




Порядок
проведения расчета режима нагрева металла для второго, третьего и четвертого
интервалов такой же, как и для первого:




q 2к = 1,1·3,9·[((800 + 273)/100) 4 - ((750 +
273)/100) 4 ] = 9881 Вт/м 2 ;


α 2к = q 2к /(t пч - t п2к ) = 9881/(800 - 750) = 197,62 Вт/м 2 ·град;


α ср2 = (α 2н + α 2к )/2 =
(159,7 + 197,62)/2 = 178,66 Вт/м 2 ·град;


λ ср2 = (λ п2н + λ ц2н + λ п2к )/3 = (λ 600 + λ 480 + λ 750 )/3 =
(35,6 + 40,38+ 28,5)/3


Bi 2 = α ср2 · R / λ ср2 =
178,66 ·0,38/34,8 = 1,95;


θ п2к = (t пч - t п2к )/( t пч - t ср1к ) =
(800 - 750)/(800 - 540) = 0,19;


Для
марки стали «Сталь 20» находим F 02 = 0,47
и θ ц2к =
0,41.




t ц2к = t пч - θ ц2к ·( t пч - t ср1к ) =
800 - 0,41(800 - 540) = 693°С;


λ ’ ср2 = (λ 600 + λ 480 + λ 750 + λ 693 )/4 =
(35,6 + 40,38 + 28,5+32,18)/4 = 34,2


Разница
между уточненным λ ’ ср2 и его первоначальным значением λ ср2 составляет
(34,8- 34,2)·100/34,8 = 1,7 %, поэтому пересчитывать не будем.




Δt 2к = t п2к - t ц2к = 750 - 693= 57°С;


С р 2 = (i 722 - i 540 )/(722 - 540) =
(467,3 - 308,5)/182 = 0,873 кДж/кг·град; ср2 = λ ср2 /(С р2 ·ρ) =
34,8/(873·7860) = 50,7·10 -7 м 2 /с = 0,018 м 2 /ч;


τ 2 = F 02 ·R 2 /а ср2
= 0,47·(0,38) 2 /0,018 = 3,77 ч;


t г2к = 100· 4 √[9881/2,89 + ((750+273)/100) 4 ]
- 273 = 822°С;


t кл2к = 100· 4 √[9881/5,07+ ((750+273)/100) 4 ]
- 273 = 793°С.
Температура
печи во втором периоде нагрева t пч =
1270°С.


Разобьем
второй период нагрева на два интервала по температуре поверхности:


Третий
интервал: от t 3н = 750°С
до t 3к =
1000°С.


Четвертый
интервал: от t 4н =
1000°С до t 4к =
1220°С.


Порядок
проведения расчета режима нагрева металла для третьего и четвертого интервалов
такой же, как и для первого:







q 3н = 1,1·3,9[((1270 + 273)/100) 4
- ((750 + 273)/100) 4 ] = 196191 Вт/м 2 ;


q 3к = 1,1·3,9[((1270 + 273)/100) 4
- ((1000 + 273)/100) 4 ] = 130515 Вт/м 2 ;


α 3н = q 3н /(t пч - t п3н ) = 196191/(1270 - 750) = 377 Вт/м 2 ·град;


α 3к = q 3к /(t пч - t п3к ) = 130515/(1270 - 1000) = 483 Вт/м 2 ·град


α ср3
= (α 3н
+ α 3к )/2 = (377 + 483)/2 = 430 Вт/м 2 ·град


λ ср3
= (λ п3н + λ ц3н
+ λ п3к )/3
= (λ 750
+ λ 693
+ λ 1000 )/3 = (28,2+32,18+ 27,7)/3 =


Bi 3
= α ср3 R / λ ср3 =430·0,38/29,36 = 5,57;


θ п3к = (t пч - t п3к )/( t пч - t ср2к ) = (1270 - 1000)/(1270 - 722) = 0,49




Для марки стали «Сталь 20» находим F 03 = 0,09 и θ ц3к = 1,05.




t ц3к = t пч - θ ц3к ·( t пч - t ср2к ) = 1270 - 1,05(1270 - 722) = 695°С;


λ ’ ср3
= (λ 750
+ λ 693
+ λ 1000
+ λ 697 )/4 = (28,2+32,18+ 27,7+32,02)/4 =
30,03


Разница между уточненным λ ’ ср3 и его первоначальным значением λ ср2 составляет (30,03 - 29,36)·100/30,03
= 2,23%, поэтому пересчитывать не будем.




Δt 3к = t п3к - t ц3к = 1000 - 695 = 305°С


t ср3к = t ц3к + Δt 3к /2 = 695 +305/2 = 848°С.


С р3 = (i t ср3к - i t ср3н )/( t ср3к -t ср3н ) = (i 850 - i 722 )/(848 - 722) = (597,88 -


a ср3
= λ ср3 /(С р3 ·ρ)
= 29,36/(1020·7860) = 36,6·10 -7 м 2 /с = 0,013 м 2 /ч;


τ 3 = F 03 ·R 2 /а ср3 = 0,09·(0,38) 2 /0,013= 0,99 ч;


t г3н = 100· 4 √[q 3н /С гм + (Т п3н/100 ) 4 ]
- 273 = 100· 4 √[196191/2,89 +


t г3к = 100· 4 √[130515/2,89
+ ((1000+273)/100) 4 ] - 273 = 1362°С.




t кл3н = 100· 4 √[q 3н /С км + (Т п3н/100 ) 4 ]
- 273 = 100· 4 √[196191/5,08+((750+273)/100) 4 ] - 273
= 1219°С


t кл3к = 100· 4 √[130515/5,07
+ ((1000+273)/100) 4 ] - 273 = 1237°С.




q 4к = 1,1·3,9·[((1270 + 273)/100) 4
- ((1220 + 273)/100) 4 ] = 30020 Вт/м 2 ;


α 4к = q 4к /(t пч - t п4к ) = 30020/(1270 - 1220) = 600,4 Вт/м 2 ·град;


α ср4
= (α 4н
+ α 4к )/2 = (483 + 600,4)/2 = 541,7 Вт/м 2 ·град;


λ ср4
= (λ п4н
+ λ ц4н
+ λ п4к )/3
= (λ 1000
+ λ 695 + λ 1220 )/3 = (27,7 + 31,9 + 29,8)/3 =


Bi 4
= α ср4 · R / λ ср4 = 541,7·0,38/29,8 = 6,91;


θ п4к = (t пч - t п4к )/( t пч - t ср3к ) = (1270 - 1220)/(1270 - 848) = 0,12;




По графикам находим F 04 = 0,25 , а θ ц4к = 0,53.




t ц4к = t пч - θ ц4к ·( t пч - t ср3к ) = 1270 - 0,53(1270 - 848) = 1046°С;


λ ’ ср4
= (λ 1000
+ λ 695
+ λ 1220
+ λ 1046 )/4 = (27,7 + 31,9 + 29,8 + 28,0)/4 =
29,35


Разница между уточненным λ ’ ср4 и его первоначальным значением λ ср4 составляет (29,8 - 29,35)·100/29,8=
1,5%, поэтому пересчитывать не будем.




Δt 4к = t п4к - t ц4к = 1220 - 1046 = 174°С;


С р 4 = (i 1133 - i 848 )/(1133 - 848) =
(781,45 - 597,88)/285 = 0,64 кДж/кг·град; ср4
= λ ср4 /(С р2 ·ρ)
= 29,8/(873·7850) = 44·10 -7 м 2 /с
= 0,016 м 2 /ч;


τ 4 = F 04 ·R 2 /а ср4 = 0,25·(0,38) 2 /0,016 = 2,26 ч;


t г4к = 100· 4 √[30020/2,89
+ ((1220 + 273)/100) 4 ] - 273 = 1293°С;


t кл4к = 100· 4 √[30020/5,07
+ ((1220 + 273)/100) 4 ] - 273 = 1263°С




Нагрев происходит при условии t п = 1270°С =
const (т.е. при граничных условиях первого
рода) для выравнивания температур по сечению слитка от Δt н = 174°С в конце второго периода нагрева до завершения
заданного значения Δt к = 50°С.


Время выравнивания температур по сечению цилиндра радиуса R найдем из формулы




τ в = (-R 2 /5,76·а)·(ln(Δt к /(1,11· Δt н ))).




Среднее значение коэффициента теплопроводности в третьем периоде нагрева:




λ срв
= (λ 1220
+ λ 1046 +
λ 1220
+ λ 1170 )/4 = (29,8 + 28,0 + 29,8 + 29,5)/4 =
29,3


Средняя температура по сечению слитка в конце нагрева (в конце периода
выдержки):




t срв
= 1170 + Δt к /2 = 1170 + 50/2 = 1195°С.




Расчетная теплоемкость в третьем периоде нагрева:




С рв = (i 1195 - i 1133 )/(1195 - 1133) = (823,34 -
781,45)/62 = 0,68


Среднее значение коэффициента температуропроводности в период
выравнивания температур:




а в = 29,3 /(680·7850) = 55·10 -7 м 2 /с =
0,020 м 2 /ч.




Определяем продолжительность периода выравнивания температур:




τ в = -(0,38) 2 /(5,76·0,02) · ln(50/(1,11·174)) = 1,69 ч.




Тепловой поток на поверхности металла в конце периода выдержки:




q к
= 2·λ к ·Δt к /R =
2·29,8·50/0,38 = 7842,1 Вт/м 2 .




Температура газов в печи в конце выдержки:




t гв = 100· 4 √[7842,1/2,95
+ ((1220+273)/100) 4 ] - 273 = 1240°С.




t пчв = 100· 4 √[7842,1/3,90
+ ((1220+273)/100) 4 ] - 273 = 1235°С.




Температура кладки в конце выдержки:




t клв = 100· 4 √7842,1/5,07
+ ((1220+273)/100) 4 - 273 = 1232°С.




τ = τ н + τ в = 9,76 + 1,69 = 11,45 ч.




Общая масса садки печи(количество садок 2):


Е = 2V м ·ρ = 2LπR 2 ρ
= 2·1,52·3,14·0,38 2 ·7850 = 10820,3 кг.




G = E/τ = 10820,3 /11,45 = 945 кг/ч.




P = G/F под = 945 /(4,14·2,26) =101 кг/м 2 ·ч.




Результаты расчета нагрева металла под ковку сведены в табл. 3.2




Результаты расчета режима нагрева слитков диаметром 760 мм и длиной 1520
мм из Стали 20 под ковку


4. Расчет теплового баланса камерной печи




Приходные статьи теплового баланса рассчитываем в предположении, что топливо
не подогревается, а воздух нагревается в рекуператоре до 215 0 С.
Поскольку топливо предварительно не подогревается его физическую теплоту можно
не учитывать.


Теплота, выделяющаяся при сжигании топлива в соответствии с формулой
равна:




где Q H P - низшая теплота сгорания топлива,
кДж/м 3 , B - расход
топлива, м 3 /ч, тепловой камерный печь
металл


t -продолжительность работы печи, ч.




Q T = 22000·B·11,45 = 251900·B кДж.




Физическая теплота, вносимая подогретым воздухом при t B = 230 0 C, определяется по формуле:




где L g - действительное количество воздуха,
C B - теплоемкость воздуха при его
температуре, равной t B .
Принимаем из [1] теплоемкость равную 1,032 кДж/м 3 град.




Q ФВ = 6,59·1,032·230·11,45·В = 17910·В
кДж




Теплота, выделяющаяся при окислении железа. По графику нагрева металла
определяем, что металл при t П >700 0 С находился в печи
9,76 ч. Средняя температура поверхности за это время равна:




t ПСР = [t 3 · ( t П1 + t П2 )/2 + t 4 ·
(t П2 + t П3 )/2 + t в ·
t П3 ]/( t 3 +t 4 +t в ) =


[0,99·(750+1000)/2 + 2,26· (1000+1220)/2 + 1,69·1220]/(0,99+2,26+1,69)


Количество железа, окислившегося на одном квадратном метре садки,
определим по формуле:




y =
0,0027·t ОК 0,5 ·exp(0,0058·t ПСР ),




где t ОК -
продолжительность пребывания садки в печи при температуре поверхности выше 750 0 С,
ч; t ПСР - средняя температура поверхности
садки, 0 С.




y =
0,0027·4,94 0,5 ·exp(0,0058·1100,5)
= 3,55 кг




Теплота, выделившаяся при окислении железа, определяется по формуле:




Q ЭКЗ = 5652·y·F M =
5652·3,55·9,07 = 181986 кДж,




где y - количество окислившегося железа с I м 2 садки, кг/м 2 ;
F м - поверхность металла, м 2 .


Расходные статьи теплового баланса.


Теплота, расходуемая на нагрев металла, определяется по формуле:




Q M = E·(i K - i H ) = 10820,3· (828 - 10) = 8851005,4
кДж,




где i к и i н - теплосодержание металла в конце и
в начале нагрева, кДж/кг; Е - масса садки, кг.


Теплота, расходуемая через кладку вследствие теплопроводности. Выберем
двухслойную футеровку печи: первый (внутренний), огнеупорный слой выполнен из
шамота толщиной S 1 = 230 мм, а второй (наружный)
теплозащитный слой - из легковесного шамота толщиной S 2 = 230 мм.


Средняя температура внутренней поверхности кладки за цикл нагрева по
графику нагрева металла равна:




t’ кл
= (t кло + t кл1 + t кл2 + t кл3 + t кл4 + t кл5 )/6 =


= (756+776+793+1237+1263+1232)/6= 1009,5°С




Примем в первом приближении, что средняя температура по сечению
внутреннего слоя равна:




= (t' КЛ
+ t B )/2 = (1009,5+20)/2 = 514,75 0 C.




Средняя температура по сечению наружного слоя равна:




= ( +t B )/2 = (514,75+20)/2 = 267,4 0 C.




При таких значениях средних температур коэффициент теплопроводности
шамота




l 1 =
0,7+0,00064·514,75 = 1,029 Вт/м·град,




коэффициент теплопроводности изоляционного слоя




l 2 =
0,312+0,000477·267,4 = 0,44 Вт/м·град.




Тепловой поток через кладку определим по формуле:




q кл = (t’ кл - t в )/(S 1 /λ 1 + S 2 /λ 2
+ 1/α),




где S 1 и S 2 - толщина огнеупорного и
изоляционного слоя кладки, м; λ 1 и λ 2 - коэффициент теплопроводности огнеупорного и
изоляционного слоя кладки, Вт/м·°С; α - коэффициент теплоотдачи от наружной
поверхности кладки к окружающему печь воздуху, Вт/м 2 .°С; t в - температура воздуха, °С; t’ кл - средняя за период нагрева температура
внутренней поверхности кладки, °С.


Будем считать, что коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности кладки
к воздуху α = 20 Вт/м 2 ·град:




q кл = (1009,5 - 20)/(0,23/1,029 +
0,23/0,44 + 1/20) = 1242,7 Вт/м 2 .




Проверим правильность принятых средних температур слоев кладки согласно
формуле:




= t' КЛ - 0,5·q·S 1 /l 1 = 1009,5 - 0,5·1242,7·0,23/1,029 = 870,6 0 C


= t' КЛ - 0,5·q· (2·S 1 /l 1 +S 2 /l 2 ) =1009,5 - 0,5·1242,7


(2·0,23/1,029+0,23/0,44) = 406,9 0 C




Поскольку проверка показывает большое расхождение с принятыми
температурами, произведем перерасчет:




l 1 =
0,7+0,00064·870,6 = 1,26 Вт/м·град


l 2 =
0,312+0,000477·406,9 = 0,51 Вт/м·град


q =
(1009,5 - 20)/(0,23/1,26+0,23/0,51+1/20) = 1448 Вт/м 2


= 1009,5 - 0,5·1448·0,23/1,26 = 877,3 0 C


= 1009,5 - 0,5·1448· (2·0,23/1,26+0,23/0,51) =
418,7 0 C




Дальнейшее уточнение не требуется, так как принятые и рассчитанные
значения средних температур отличаются друг от друга менее чем на 10%.


Распределение температур по сечению кладки показано на рис. 4.1.









Рис. 4.1 Распределение температур по сечению кладки печи




Общие потери теплоты теплопроводностью за весь цикл нагрева вычисляем по
формуле




Q тепл = q кл ·F кл ·τ·10 -3 = 1009,5 ·44,92 ·11,45·3600·10 -3
= 1869193 кДж.




Теплоту, аккумулированную кладкой, согласно формуле:




Q ак = 0,75·F кл ·(t клк - t клн )·(√(λ·с·ρ·τ 1пер )) 10 -3 ,




где λ - коэффициент теплопроводности внутреннего слоя кладки,
Вт/м*град;


с - теплоёмкость внутреннего слоя кладки, Дж/кг*град;


ρ - плотность внутреннего слоя кладки,
кг/м 3 ;


τ 1пер - продолжительность первого периода
нагрева, с.


Рассчитываем для первого периода нагрева, когда температура внутренней
поверхности кладки нарастает. Допускаем, что теплота аккумулируется только
внутренним слоем кладки. Теплоемкость шамота при средней его температуре 866°С




С = 0,808 + 0,000315·877,3= 1,08 кДж/кг·град


Q ак = 0,75·44,92 ·(1232 - 756)·(√(1,26·1080·1800·9,76·3600))·10 -3
=


Q изл = 5,67·Ф·τ·[(Т г /100) 4 - (Т в /100) 4 ]·F окна ·10 -3 ,




принимая следующие размеры окна: ширина b = 2,5 м, средняя высота d = 1,87 м, толщина кладки l = 0,46 м. При таких размерах окна коэффициент f из выражения:




f =
0,9 + 0,7d/b = 0,9 + 0,7·1,87/2,5 = 1,42.




Коэффициент диафрагмирования определяем по формуле:




где l - толщина окна, м; d - диаметр отверстия, или минимальная
сторона прямоугольника,м; f -
коэффициент, зависящий от геометрии окна.




Время загрузки печи и время ее выгрузки принимаем равным 0,5 ч. Теплота,
теряемая излучением при посаде (t го = 931°С, т.е. t г при 0 ч.):




Q изл1 = 5,67·0,77·1800·[((931 + 273)/100) 4
- ((273 + 20) /


Теплота, теряемая излучением при выдаче (t гз = 1240°С)




Q изл2 = 5,67·0,77·1800·[((1240 + 273)/100) 4
- ((273 +


)/100) 4 ]·1,87·2,5·10 -3 = 1922527 кДж.




Потери теплоты с уходящими газами определим по формуле:




Средняя температура уходящих газов за цикл нагрева согласно




t ух = (t го + t г1 + t г2 + t г3 + t г4 + t г5 )/6 = (931+867+776+1362+1243+1240) =


При этой температуре теплоемкость продуктов сгорания в соответствии с




С ух = (С Н2О Н 2 О + С СО2 СО 2
+ С N 2 N 2 + С О2 O 2 )·0,01 ,




где Н 2 О, СО 2 , N 2 , О 2 , - состав продуктов сгорания, %




С ух = (1,69·19,5+ 2,19·8,18+ 1,38·70,64+ 1,44·1,68)·0,01 =
1,508


тогда Q ух = V д ·τ·С ух ·t ух ·В = 8,31 ·11,45·1,508·1069,8·В =
153500,7·В


Потери теплоты на нагрев технологических приспособлений. Пусть 2 слитка
уложены на 4 подставки из стали 20 массой 1000 кг каждая. Допускаем, что
начальная температура подставок равна температуре внутренней поверхности
кладки. Следовательно, начальная температура подставок t ПН = 861 0 С. Конечная температура подставок и
поверхности садки одинакова, т.е. t МК = t ПК = 1220 0 С.


Теплота, затраченная на нагрев подставок равна:




Q П = G П · (i ПК - i ПН ) = 4000· (837,69 - 604,91) = 931120 кДж




Неучтенные потери теплоты вычислим по формуле:

Потери
теплоты при посаде и выдаче слитков определим в соответствии с: Курсовая работа (т). Физика.
Реферат: Burger Wars Essay Research Paper Burger WarsForty
Сила Духа Заключение В Сочинении
Дипломная работа по теме Гражданско-правовые сделки, их виды и формы
Реферат по теме ТЕМА: Экономическая роль товарной и фондовой бирж в рыночной системе
Курсовая работа по теме Архітерктурно-планувальне рішення інтер'єру
Курсовая работа: Оценка финансового состояния коммерческого банка 2
Курсовая работа по теме Легкие и специальные бетоны
Курсовая работа по теме Организация работы кафе кондитерское на 50 мест
Курсовая работа: Проверка расчетов предприятия с бюджетом по НДС
Реферат: Б.Муссолини Политическая биография
Сайт На Сколько Процентов Списано Сочинение
Реферат по теме Рюрик Великий
Реферат: Viking Pilgrimage To The Holy Land Essay
Курсовая работа: Анализ неплатежеспособности предприятия и пользователи экономической информацией
Доклад: Веймарская республика
Сколько Слов Содержит Эссе
Дидактические Материалы Контрольные Работы Мерзляк
Контрольная работа по теме Экономическое развитие России в XX веке
Реферат: Styles In Professional Wrestling Essay Research Paper
Курсовая работа: Однородные члены предложения в наружной рекламе
Дипломная работа: Анализ конкурентоспособности предприятия
Похожие работы на - Правовое регулирование деятельности религиозных объединений в Российской Федерации
Реферат: Starvation Problems Caused By Population Explosion Essay