Расчет теплового баланса шахтной печи
Обновлено: 14.05.2024
где Кр — коэффициент расположения деталей в печи, принимаем 1,4
Определим число деталей одновременно находящихся в рабочем пространстве печи:
N — штучная производительность печи (шт/час)
q — вес заготовки (кг);
G — производительность печи — 450 кг/час
N = 450/35,1 = 12,8 (шт/час)
n = 1,87 • 12,8 = 23,9 (шт)
Принимаем 24 шт.
Определяем размеры рабочего пространства.
Приспособление изготавливается из Ст.3, диаметром 30 мм. В печах садочного типа (шахтных) нагреваемый металл неподвижен, поэтому основным требованием при расчете печей периодического действия является постоянство температуры во всем объеме рабочего пространства и одинаковые условия передачи теплоты к обрабатываемым изделиям.
Масса единовременной загрузки (садки) равна:
P = n • q = 24 • 35,1 = 842,4 (кг)
Используем двухъярусное приспособление. Детали подвешиваем на хомутах через голову штока.
Внутренние размеры нагревательной камеры печи необходимо приблизить к габаритным размерам загрузки, поскольку наличие неиспользуемого пространства в камере приводит к увеличению тепловых потерь.
Общая высота садки вместе с приспособлением (по эскизу) будет составлять 1300 + 1150 = 2450 мм. Высота садки, находящейся в рабочем пространстве составит 1150 мм (по длине штока). Необходимо, чтобы садка могла разместиться в камере печи рационально с точки зрения оптимальных условий теплопередачи. Загрузка и выгрузка деталей из печи должна быть удобной. Рабочие размеры поперечного сечения печей с вертикальной загрузкой определяются размерами сечения загрузочного окна с необходимыми зазорами. Эти зазоры зависят от загрузки и могут колебаться от 150 до 250 мм на сторону при вертикальной загрузке изделий с помощью крана. Диаметр загрузочного окна будет составлять:
dокна = dприсп + 2Rдетали + 500 мм = 500 + 67 + 500 = 1067 мм
Так как садка имеет высоту 1600 мм, разбиваем всю высоту камеры печи на две тепловые зоны, равные между собой по 1088 мм.
Глубина пода — 470 мм;
Глубина загрузочного окна — 460 мм;
Высота полукрышек — 400 мм;
Высота рабочего пространства — 2176 мм;
Высота печи — 3506 мм;
Внутренний диаметр — 1400 мм;
Наружный диаметр — 2600 мм.
4.3 Составление теплового баланса
Определение полезной теплоты, пошедшей на нагрев садки:
G — производительность печи (кг/час);
c — средняя массовая удельная теплоемкость (кДж/кг • К);
tмк, tмн — конечная и начальная температура нагреваемого металла (°C)
1000/3600 — переводной коэффициент из кДж/час в Вт
Qполезн = 450 • 0,616 • (900 — 20) • 1000/3600 = 67,76 (кВт)
2) Определение теплоты, пошедшей на нагрев приспособлений:
Штанга — 1300 мм;
24 крючка — 12000 мм;
2 кольца — 3140 мм;
2 крестовины — 1000 мм
Всего затрачено 17 440 мм.
Вес одного погонного метра прутка равен:
m = V • ρ = 706 500 • 7,8 = 5,5 кг
V = l • S = 1000 • 706,5 = 706 500 мм 3
S = πR 2 = 3,14 • 15 2 = 706,5 мм 2
Вес приспособления равен: М = 5,5 • 17,44 = 95,9 ≈ 96 кг
Qтары = М • с (tмк — tмн) = 96 • 0,655 (900 — 20) = 15,37 (кВт)
3) Определение тепловых потерь через стенку печи
Для кладки печи выбираем два вида кирпичей:
а) кирпич шамотный 230 х 115 х 65
б) кирпич диатомитовый
Стенка состоит из полутора шамотных кирпичей и одного диатомитового, значит стенка трехслойная.
Определяем количество тепла, передаваемого в час через 1 м 2 стенки:
шамот шамот диатомит
F — толщина стенки (м);
K — коэффициент теплопередачи.
Шамотный кирпич S1 = 0,23 (м)
Шамотный кирпич S2 = 0,115 (м)
Диатомитовый кирпич S3 = 0,23 (м)
t1 — температура внутренней стенки 950°C
t2 — температура наружной стенки 40°C
Среднее значение коэффициента теплопроводности:
для шамотного кирпича
Количество передаваемого тепла на 1 м 2 равно:
Qст = 1 • 0,8 (950 — 40) = 0,73 (кВт)
Распределение потерь по температуре в кладке от зоны нагрева до кожуха:
Всю стенку принимаем за 1:
t3 = S3 (t1 — t4) = 0,4 (950 — 40) = 364°C
Общая площадь печи состоит из :
Sокна = 3,14 • 0,46 • 1,1 = 1,6 (м 2 );
Sпода = 3,14 • 0,7 2 = 1,54 (м 2 );
Sбок = 3,14 • 1,4 • 2,45 = 10,8 (м 2 );
Sполукр = 3,14 • 0,55 2 = 0,95
Общая площадь Sпечи равна 14,89 (м 2 )
Количество передаваемого тепла на кладку печи:
4) Определение тепловых потерь через короткие замыкания:
5) Определение потерь через отверстие ( полукрышки)
Fакт — активная поверхность (м 2 )
Fакт = Fотв • Ф = 0,98 • 0,75 = 0,735
сприв = 16,72 кДж/м 2 • К 4
Ф — коэффициент диафрагмирования оконного проёма (0,75)
Fотв = πR 2 = 3,14 • 0,56 2 = 0,98 (м 2 )
Qотв. = 4,9 • 0,735 [(1223/100)4 – (343/100)4] = 22,24 (кВт)
Реферат: Тепловой расчет печи
Исходными данными для расчета горения топлива является малосернистый мазут М 40. Характеристика мазута приведены в таблице 1.2.
Таблица 1.1 – Характеристика мазута
Составляющие мазута
Обозначение
Единицы измерения
Определение теплотворной способности топлива , кДж/кг ,
где - содержание углерода в рабочей массе топлива, %;
- содержание водорода в рабочей массе топлива, %;
- содержание серы в рабочей массе топлива, %;
- содержание кислорода в рабочей массе топлива, %;
- содержание влаги в рабочей массе топлива, %.
Теоретически необходимый объем воздуха , м 3 /кг , необходимый для полного сгорания 1 кг топлива, определяется по формуле
Теоретический объем трехатомных газов , м 3 /кг,
Теоретический объем азота , м 3 /кг,
где - содержание азота в рабочей массе топлива, %.
Необходимый теоретический объем водяных паров , м 3 /кг,
Объем продуктов сгорания , м 3 /кг,
Объем избыточного кислорода, , м 3 /кг, поступающего с воздухом на сжигание топлива
1.2 Расчет печи кальцинации
1.2.1 Тепловой баланс печи
1 Теплота сгорания топлива ,
где - удельный расход топлива, кг/кг глинозема;
- низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг топлива.
2 Физическое тепло топлива ,
где - температура топлива, °С ;
- средняя теплоемкость топлива, кДж/кг°С .
Определяем среднюю теплоемкость топлива:
3 Теплосодержание сухого гидрата ,
- средняя теплоемкость гидраргиллита, кДж/кг°С ;
- температура сухой гидроокиси алюминия, °С .
4 Теплосодержание внешней влаги в гидроокиси алюминия ,
где 1,53 - расход сухой гидроокиси алюминия на 1 кг глинозема, кг/кг ;
- содержание внешней влаги в гидроокиси алюминия, %;
- теплоемкость воды, кДж/кг°С ;
- температура внешней влаги, °С . Принимается равной температуре гидроокиси алюминия.
5 Теплосодержание воздуха, поступающего в печь на сжигание топлива ,
- количество воздуха, теоретически необходимое для сжигания топлива, м 3 /кг ;
- удельный расход топлива, кг/кг глинозема;
- содержание в общем объеме первичного и вторичного поступающего в печь воздуха, %;
- средняя теплоемкость первичного воздуха, кДж/ м 3 °С ;
- средняя теплоемкость вторичного воздуха, кДж/ м 3 °С ;
- температура первичного воздуха, °С ;
- температура вторичного воздуха, °С.
6 Теплосодержание пыли из системы пылеулавливания ,
где - количество пыли, поступающей в аппарат из системы пылеулавливания, кг/кг глинозема;
- средняя теплоемкость пыли при данной температур в зависимости от фазового состава, кДж/кг°С ;
температура пыли, °С .
1 Физическое тепло глинозема, выходящего из печи ,
где - средняя теплоемкость глинозема при данной температуре, кДж/кг°С ;
- температура глинозема, °С .
2 Физическое тепло отходящих газов ,
где - температура дымовых газов, °С ;
- средняя теплоемкость трехатомных газов, кДж/м 3 °С ;
- средняя теплоемкость водяных паров, кДж/ м 3 °С ;
- средняя теплоемкость азота, кДж/ м 3 °С ;
- средняя теплоемкость кислорода, кДж/ м 3 °С .
3 Тепло затраченное на реакцию дегидратации и перекристаллизации гидроокиси алюминия ,
где - тепловой эффект реакции образования бемита из гидраргиллита, кДж/кг глинозема;
По закону Гесса тепловой эффект, реакций может быть вычислен как разность между суммой теплот образования продуктов реакций и суммой теплот образования исходных веществ.
Схематично процесс дегидратации и перекристаллизации гидроокиси алюминия может быть представлен следующим образом:
Таблица 1.2 – Стандартные теплоты образования
Формула соединения
Теплота образования из элементов, кДж/кг глинозема
Тепловой эффект образования бемита из гидраргиллита
где - стандартная теплота образования гидраргиллита, кДж/кг ;
- стандартная теплота образования бемита, кДж/кг ;
- стандартная теплота образования воды, кДж/кг .
4 Затраты тепла на испарение влаги ,
где 0,53 - содержание кристаллизованной влаги в гидроокиси алюминия, кг ;
2258,41 - скрытая теплота испарения воды, кДж/кг.
5 Затраты тепла на нагрев влаги до температуры отходящих газов ,
где 22,4 - объем занимаемый одной грамм-молекулой водяного пара;
18 - молекулярный вес воды;
- средняя теплоемкость водяных паров при температуре отходящих газов, кДж/м 3 °С ;
- температура водяных паров, °С. Принимается равной температуре отходящих газов в холодном обрезе печи.
6 Затраты тепла с воздухом подсоса со стороны холодной головки вращающейся печи ,
где - объем воздуха подсасываемого в печь, м 3 /кг . Принимается равным 11,7 % от теоретически необходимый объем воздуха;
- средняя теплоемкость воздуха, при температуре дымовых газов, кДж/м 3 °С ;
- средняя теплоемкость подсасываемого воздуха, кДж/м 3 °С ;
- температура подсасываемого воздуха, °С .
7 Затраты тепла с пылью в систему газоочистки ,
где - количество пыли в отходящих из печи газах, кг/кг глинозема;
- средняя теплоемкость пыли при данной температуре в зависимости от фазового состава, кДж/кг°С ;
- температура пыли, °С .
8 Теплопотери в окружающую среду поверхностью оборудования ,
где 0,12 - потери в окружающую среду печью.
Таблица 1.3 – Тепловой баланс печи кальцинации
Приход тепла
Расход тепла
1 Теплота сгорания топлива
1 Физическое тепло глинозема, выходящего из печи
2 Физическое тепло топлива
2 Физическое тепло отходящих газов
3 Теплосодержание сухого гидрата
3 Тепло затраченное на реакцию дегидратации и перекристаллизации гидроокиси алюминия
4 Теплосодержание внешней влаги в гидроокиси алюминия
4 Затраты тепла на испарение влаги
5 Теплосодержание воздуха, поступающего в печь на сжигание топлива
5 Затраты тепла на нагрев влаги до температуры отходящих газов
6 Теплосодержание пыли из системы пылеулавливания
6 Затраты тепла с воздухом подсоса со стороны холодной головки вращающейся печи
7 Затраты тепла с пылью в систему газоочистки
8 Теплопотери в окружающую среду поверхностью оборудования
1.2.2 Определение температуры горения топлива
Теоретическую температуру горения , рассчитывают по формуле:
где - физическое тепло нагретого воздуха, кДж/кг ;
- физическое тепло топлива, кДж/кг ;
- количество тепла, расходуемого на диссоциацию RО2 и Н2 О, кДж/кг ;
- потеря тепла от неполноты горения (в данном случае ), кДж/кг ;
- объем продуктов сгорания, м 3 /кг ;
- средняя теплоемкость продуктов сгорания, кДж/м 3 °С .
Физическое тепло воздуха при получении 1 кг Al2 O3 определяется из формулы, кДж/кг ,
Объем газов от горения 0,0955 кг мазута, м 3 :
Итого 1,1563 м 3
где 0,1562; 0,1431 и т. д. - количество продуктов сгорания, образующихся при горении 1 кг мазута.
Принимаем, что равно 2200 ° С.
Тогда количество тепла, расходуемого на диссоциацию RО2 и Н2 О , определяется по формуле:
где 12758,55 и 10810,2 - теплоты диссоциации RО2 и Н2 О кДж/м 3 (приведено к нормальным условиям);
0,03 и 0,18 - степени диссоциации, определяющиеся по графику.
Тепло продуктов сгорания при 2200 °С
Принимаем ; при этом .
Действительная максимальная температура газов в печи несколько ниже :
где - пирометрический коэффициент, учитывающий реальные условия горения.
Для вращающихся трубчатых печей . Принимаем .
округленно принимаем 1800 °С.
1.2.3 Определение основных размеров печи
Внутренний диаметр барабанной печи , определяется из условия оптимальной скорости движения газового потока в печи по формуле:
Принимаем, по данным практики, . Определяем действительное количество газов () при производительности печи 44 т/ч и газовом потоке 2,0779 м 3 /кг.
Секундное количество отходящих газов, м 3 /с:
при средней температуре газов в печи ,
Округленно получаем , при этом наружный диаметр .
Длину печи определяют из условия теплообмена в основных зонах печи. Ниже приводится метод зонального теплового расчета печи кальцинации (таблицы 1.4 и 1.5).
Принимаем потери тепла в окружающую среду, кДж: холодильник 40,651; I зона 80,8238; II зона 214,255; III зона 61,694; IV зона 44,477; V зона 36,3468.
Таблица 1.4 – Распределение материалов по зонам, кг
Температура материала в начале зоны t'м , °С
Наименование
Твердый материал в слое Gм
Вода гидратная
Пыль Gп
Поступает: гидроокись пыль из зон II и III
Таблица 1.5 – Количества газов на границах зон I–V
Количество тепла, получаемое или отдаваемое материалом, определяется как разность между количествами энергии, полученными материалом к началу и к концу зоны.
Общий расход энергии на нагрев материала к концу зоны I, ,
Общий расход энергии на нагрев материала к началу зоны I, ,
Общее количество тепла, , которое необходимо передать материалу:
в том числе - количество тепла, которое, затрачивается на превращение и нагрев неразложившихся исходных веществ и твердых продуктов реакции .
Таблица 1.5 – Исходные данные для расчета температур газового потока по зонам
При последовательном расчете температур газового потока на границах зон известны его начальная температура и энтальпия . Из расчета находим конечные энтальпию и температуру :
где - количество тепла, которое газовый поток получил или отдал в данной зоне, кДж/кг .
1.2.4 Температуры газового потока на границах зон
При сгорании топлива в условиях вращающейся печи не все выделяющееся тепло идет на нагрев продуктов сгорания, часть его передается излучением в зоны, примыкающие с обеих сторон к зоне горения, а также поступает в зону I вследствие рециркуляции продуктов сгорания. Поэтому действительная температура газового потока в зоне горения ниже . Остальные зоны печи также отдают тепло излучением соседним зонам, имеющим более низкую температуру.
При определении энтальпии и температуры газового потока в остальных зонах печи, кроме V и I, необходимо вводить поправку, учитывающую прямую отдачу тепла газовым потоком и степень равномерности его температуры. Такая поправка является функцией критерия Во .
Для зоны II вращающейся печи величину , определяют по формуле:
где - количество тепла, отданное в зону I, кДж/кг ;
- количество тепла, выделившееся в зоне в результате сгорания топлива, кДж/кг ;
-количество тепла, полученное или отданное материалом, кДж/кг ;
- потери тепла в окружающую среду, кДж/кг ;
где - производительность печи, т/ч .
- теоретическая температура горения, К;
- диаметр печи внутренний, м .
Для зоны III из формулы исключается величина z, а для остальных зон она принимает вид:
Переходим к расчету газового потока отдельных зон.
Зона V. Начальную энтальпию газового потока , определяем по формуле:
где - энтальпия глинозема, выходящего из печи и холодильника, кДж/кг ;
- энтальпия воздуха, выбрасываемого из холодильника, кДж/кг ;
- потеря тепла в окружающую среду холодильником, кДж/кг ;
- физическое тепло топлива, поступающего в печь, кДж/кг ;
- энтальпия воздуха, поступающего на установку, кДж/кг .
Начальная температура газового потока определяется методом подбора.
Энтальпия газового потока при 400 и 500 °С, кДж/кг :
Температура воспламенения газа 1000° С, определяем при этой температуре энтальпию газового потока ,
Разность энтальпий газового потока на границах зон ,
Газовый поток в зоне V получает тепло от охлаждающегося глинозема и из соседней зоны путем рециркуляции продуктов сгорания и прямой отдачи.
Количество тепла, , получаемое из соседней зоны:
Определяем температуры газовых потоков.
Зона IV. Энтальпия газового потока:
Зона III. Энтальпия газового потока:
Зона II. Энтальпия газового потока:
Зона I. Энтальпия газового потока определяется при температуре 250 °С, т.к. ,
Определяем средние температуры материала , по зонам:
Определяем средние температуры газового потока , по зонам:
Определяем состав газовой фазы по зонам.
Определяем скорость движения материала в печи, коэффициент заполнения печи материалом, значения и по зонам.
Скорость движения материала в печи , определяем по формуле:
где - угол наклона печи. При принимаем, что ;
- число оборотов печи, об/мин. Принимается равным .
Коэффициент заполнения печи материалом определяем из формулы:
где - среднее количество материала, проходящего через зону, т/ч;
- средняя объемная масса материала в зоне, т/м 3 ;
- время работы печи в сутки, ч.
Площадь сегмента , (части печи, заполненной материалом):
где - центральный угол сегмента, град.
Эффективная длина лучей газового потока ,
где - периметр свободного сечения печи, м ;
- площадь свободного сечения печи, м .
Определяем периметр свободного сечения печи:
Площадь свободного сечения печи определяется по формуле:
Зона IV (в зоне V те же значения).
Полученные значения , , , сводим в таблицу 1.6 (туда же значения и , которые рассчитываются ниже).
Таблица 1.6 – Сводные данные
lx , м
l д , м
S эфф , м
l д.ф . , м
Читайте также: