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: