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 M_i − молекулярная масса, кг/кмоль;

r_i – 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 d_В=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 L_Д=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;

V_Д =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: m_Г+m_В=m_Д±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: m_Г +m_В=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).

,

 

i_Г − энтальпия газа, кДж/м³. Определяется по рабочему составу газовой смеси при t_Г [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 t_В=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 i_к 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 t_Д=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, м3/м3	1,191; 1,429
8.	Выход продуктов сгорания	Vд, м3/м3	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 t_ПК 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 t_ПЕЧ = 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 (t_ПЕЧ = 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:

 

Dt_К=(120…150)×R,

 

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

Величину Dt_К 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 t_ЦК=t_ПК − Dt_К.

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

 

.

где С_печ.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 t_печ=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 a_луч.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)×q_max,

где

.

 

где t_н – столбец 12 Приложения В.

Температура печи в начале нагрева t_ПЕЧ.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 t_ПЕЧ = 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 t_ПЕЧ = 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.