Расчет камерной пламенной печи с неподвижным подом

Конструкция термической камерной печи, работающей на мазуте, приведена  на рис. 5. Печь имеет рабочую камеру небольшого объема, в которую печные газы поступают с законченным процессом горения. Мазут сжигают ё специальной топочной камере.

Печь имеет площадь 0,4 X 0,5 = 0,2 ж². Производительность ее при нагреве для закалки и нормализации 30 кг/ч. Расход мазута, 5—6 кг!ч. Такие печи применяют для нагрева и подогрева деталей небольших размеров. Максимальная рабочая температура печи достигает 900° С. Эта печь может работать и на газообразном топливе. Иногда для удобства работы две такие печи монтируют

 

                

 

Рис. 5 Камерная печь работаюшая на мазуте.

 

в одном каркасе.Таким образом образуется двухкамерная печь с горизонтальным расположением камер: в одной камере осуществляется подогрев, а в другой — окончательный нагрев деталей. Каждая камера имеет свою форсунку или горелку и работает независимо от другой.

На заводах встречаются разные печи, работающие на жидком и газообразном топливе, как по конструкции, так  и по размерам рабочего пространства и по производительности. ВНИПИ «Тепло-проект» систематизировал конструкции и типаж топливных печей [20]. На основе данных заводов разработаны размерные ряды пламенных термических печей и введены буквенно-цифровые обозначения для печей разного назначения и с разными размерами рабочего пространства. Эти размерные ряды обеспечивают максимальное унифицирование основных узлов и деталей печей. Для обозначения печей принята следующая индексация: первая буква обозначает назначение печи (Т — термическая пламенная, Н — нагревательная пламенная), вторая — конструктивную характеристику печи (А — с вращающимся подом, Б — барабанные, Д — с выдвижным подом, Е — с подвес-12кым конвейером, И — с пульсирующим подом, К — конвейерные, Н — камерные периодического действия, Р — рольганговые, Т — толкательные, Ш — круглого сечения шахтные, Э — элеваторные, Ю — с шагающими балками), третья —среду рабочего пространства (О — окислительная, 3 — искусственная защитная, безокислительная и др.), четвертая — особенность печи (А— печь входит в агрегат, если печь обозначена четырьмя буквами, то буква А ставится на пятом месте, В — вертикальное перемещение деталей, К — под кольцевой — в печах с вращающимся подом, М — механизированная — в печах периодического действия, Н — непрерывного действия — в печах барабанных, Т — под тарельчатый — в печах с вращающимся подом).

Цифры ставятся после буквенных  обозначений через дефис и  означают: первая группа — ширину пода в дм для печей с вращающимся подом — внешний диаметр рабочей поверхности пода; вторая группа — длину (глубину) пода печи в дм, для печей с вращающимся подом — ширину рабочего пода (кольца); третья группа — высоту рабочего пространства или максимальную высоту окна загрузки в дм. Эти цифры разделяются точками и находятся в числителе, а в знаменателе указывается предельная рабочая температура в сотнях градусов. Далее через черточку ставится буква, обозначающая топливо: Г — природный газ, М — мазут. Пример обозначения печей: ТНО-6.12,5.5/11-М — термическая камерная печь периодического действия, атмосфера рабочего пространства — окислительная, размеры рабочего пространства 600 X 1250 X 500 мм, печь работает до температуры 1100", топливо — мазут. Эта же печь на газообразном топливе обозначается ТНО-6.12.5.5/11-Г.

Камерная печь, показанная на рис. 2, предназначена для различных видов термической обработки деталей и инструментов при единичном и мелкосерийном производстве. Для загрузки и выгрузки деталей в этих печах используют подвесные клещи на монорельсе и загрузочные машины. Воздух для горения в этих печах подогревается в рекуператоре. Если для печей используют газ среднего давления и сжигание газа производится в инжек-ционных горелках, то воздух для горения не подогревают и рекуператор не устанавливают. Продукты горения отводятся под зонт и затем в вытяжную трубу. При работе с обычной печной атмосферой (окислительной) печи имеют максимальную температуру 1150° С и обозначаются ТНО. Иногда изготовляют печи с контролируемой атмосферой (защитной) и обозначают ТНЗ. Предельная температура нагрева в печах ТНЗ достигает 950° С.

Габаритные размеры камерных печей, работающих только на газообразном топливе, меньше мазутных, так как в них  отсутствует топочное пространство или камера сжигания, обычно располагающаяся под подом печи.

Для нагрева крупных ковочных штампов  и для цементации применяют   камерную   печь   с   шаровым   подом   940x1510 мм.

 

                     

 

                   Рис.6  Камерная печь типа ТНО  ВНИПИ Теплопроекта

 

 

                                      

                              

                              Рис.7.Камерная печь с шаровым подом

 

 

                                  2. Расчёт процесса горения топлива

 

                        2.1 Определение количества воздуха υ_о, теоретически необходимого для сжигания 1 м³ сухого газообразного топлива:

 

 

 

 

 

υ_о=0,0476[0,5(0+0)+1,5·0+2·97,8+[(2+6/4)·0,4+(3+8/4)·0+(4+10/4)·0,3+0]-0]=

=9,47 м³/м³

 

                       2.2 Определение действительного количества воздуха:

 

 

 

 

 

где α-коэффициент избытка воздуха, α=1,05

υ_д= 1,05·9,47=9,9435 м³/м³

 

                     2.3 Определение объемов компонентов сухого дымового газа:

-углекислый газ:

 

 

 

 

 

υ_СО2=0,01[0+0,2+97,8+[2·0,4+3·0+4·0,3+0]]=1 м³/м³

 

- азот:

 

 

υ_N2=0,01(1,3+79·9,9435)=7,8684 м³/м³

 

-кислород:

 

 

υ_О2=0,21·(1,05-1)·9,47=0,0994 м³/м³

 

-оксид серы: отсутствует.

 

                      

 

               2.4 Определение суммарного объема сухих дымовых газов

 

 

 

 

 

υ_сг=1+7,8684+0,0994=8,9678 м³/м³

 

                2.5 Определение теоретического объема водяного пара в продуктах сгорания:

 

 

 

 

 

где d_г- влагосодержание газообразного топлива, отнесённого к 1 м³ сухого газа, кг/м³. Приняв относительную влажность φ=60%, а температура до подогрева t=20^oC, получим d_г=0,01 кг/м³.

Тогда:

υ^о_Н2О=0,01[0+0+[(4/2·97,8)+(6/2·0,4)+(8/2·0)+(10/2·0,3)+(12/2·0)]+0,124·0,01]+0,0161·9,47=2,1355 м³/м³

 

                 2.6 Определение действительного объема водяных паров

 

 

 

 

 

                 2.7 Определение действительного объема продуктов сгорания υ_г:

 

 

 

 

 

υ_г=8,9678+2,1431=11,1109 м³/м³

 

                  2.8 Определение объемных долей компонентов в общем объеме продуктов горения:

 

СО₂yx= υ_СО2/ υ_г =1/11,1109=0,09

 

SO₂= υ_SO2 / υ_г =0/11,1109=0

 

H₂O= υ_H2O / υ_г =2,1355/11.1109=0,1929

 

N₂yx= υ_N2 / υ_г =7.8684/11,1109=0,7082

 

O₂yx= υ_O2 / υ_г =0,0994/11,1109=0,089

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                         3. Тепловой баланс печи

 

                  3.1 Определяется производительность печи G, кг/с:

 

 

 

 

 

где Р- напряженность пода, Р=0,025кг(м²с);

Fпод- площадь поверхности пода, Fпод=6 м²;

 

G=0,025·6=0,15 кг/с

 

                     3.2 Определяется экзотермическое тепло, выделяющееся при окислении металла:

 

 

 

 

 

где q- теплота, выделяющаяся при окислении 1 кг металла, (для стали q=5652 кДж/кг)

ɑ- угар (окисление металла,% (для камерных кузнечных печей – 2…3%, для методических – 1…2%, для термических – 0,5…1%).

 

Q_экз=0,01·0,15·5652·2=16,956 кВт

 

                  3.3 Определение температуры операции:

 

 

t _м = t _кр +(20…30)=813+24=837⁰С или Т_м= t _м +273=1110 К

 

 

где t _м – температура середины осадки при выдаче из печи, ⁰С;

t _кр – температура верхней критической точки, для данной марки (сталь 30)

t _кр =813 ⁰С.

 

                   3.4 Определение расхода тепла на нагрев металла:

 

 

 

 

 

где -средняя теплоемкость металла в интервале температур t₁…t₂,для интервала до 900⁰С, =0,695 кДж/(кг К);

t₁ – начальная температура металла, t₁ =20⁰С;

t₂ – температура в конце выдержки, t₂ = t_м =837⁰С;

Q_м=0,15·0,695·(837-20)=85,17225 кВт

 

 

                       3.5 Определение коэффициента теплопроводности стали λ при данной температуре, Вт/(м К):

 

 

λ=13,85+0,0155 t_г,

 

 

где t_г – температура газа в конце выдержки, предварительно принимаем t_г=860⁰С

λ=13,85+0,0155·860=27,18 Вт/(м К)

 

                     3.6 Определение теплового потока в конце выдержки

 

 

 

 

 

где ∆t_к – конечный перепад температур по сечению заготовки, принять .t_к=5⁰С;

S – характерный размер  сечения заготовки, м, полагая заготовки квадратного сечения 70х70мм, при одностороннем нагреве принимаем S=70 мм,

q=(2·27,18·5)/0,07=3882,9 Вт/м²

 

                   3.7 Уточнение температуры газа в конце выдержки

 

 

 

 

 

где С_гк.м – приведённый коэффициент излучения системы газ-кладка-металл, Вт/(м² К⁴), С_гк.м=3,22 Вт/(м² К⁴)

 

 

Погрешность составила 1,4%

 

                  3.8 Определение температуры печи в конце выдержки:

 

 

 

 

 

где С_печ.м – приведённый коэффициент излучения систем кладка-металл, С_печ.м=4,24 Вт/(м² К⁴);

 

 

 

 

                   3.9 Определение температуры кладки:

 

 

t_кл=2 t_печ – t_г =2·853,372-858,415=848,3333⁰С

 

 

                  3.10 Определение температуры в плоскости соприкосновения кладки и изоляции t_соn и температуры наружной поверхности t_н:

 

 

t_коn≈670⁰C и t_н≈108⁰С

 

 

                 3.11 Определение средних температур t_ср1 по сечениям шамота:

 

 

t_ср1= (t_кл + t_соп)/2=(848,3333+670)/2=759⁰С

 

 

t_ср2 – средняя температура по сечению изоляции

 

 

t_ср2=( t_соп + t_кл )/2=(670+108)/2=389⁰С

 

 

                    3.12 Определение коэффициентов теплопроводности материалов изоляции и кладки:

 

 

λ_шам= 0,698+0,00064·t_ср1= 0,698+0,00064·753,836=1,18 Вт/(м·К)

 

 

λ_изол=0,1164+0,0001164· t_ср1= λ_изол=0,1164+0,0001164· 389=0,162 Вт/(м·К)

 

 

                           3.13 Определение потерь тепла теплопроводностью через кладку:

 

 

 

 

 

где t_в – температура окружающего воздуха, t_в =40⁰С;

    δ_ί – толщина соответствующего слоя, м;

    λ_ί – коэффициент теплопроводности слоя, Вт/(м К);

    ∑δ_ί/λ_ί – сумма тепловых сопротивлений n слоев кладки, (м К/Вт);

    α_ί – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности кладки в окружающую среду, в расчете принимаем α=18,6 Вт/(м² К);

    F_кл площадь наружной поверхности кладки, F_кл=36 м².

Q_кл=[(837,673-40)/(0,35/1,18+0,23/0,162+1/18,6)]·36=16439,5 Вт

С учетом рекомендаций, потери тепла теплопроводностью через  кладку принимаем на 15 % больше:

 

Q_кл=16222,686·1,15=18905,42 Вт

 

                    3.14. Определение потерь тепла излучением через открытые окна и щели:

 

 

 

 

 

где σ_о – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела, σ_о =5,67 Вт/(м² К⁴);

    Т_печ – температура печи, К,

    ψ – доля  времени, в течении которого окно открыто, ψ=0,12

    F – площадь  сечения открытого окна или  щели,м²;

 

 

F=ɑ b=0,5 1,2=0,6 м²

 

   ɑ - высота окна, ɑ=500 мм;

   b – ширина окна, b=1200 мм;

   Ф – коэффициент  диафрагмирования, определяемый в зависимости от толщины кладки и размеров окна, в расчете принимаем Ф=0,7.

 

Q_щл=5,67(853,3742/100)⁴·0,6·0,7·0,12=4599,857 Вт

 

                          3.15 Определение теплосодержания (энтальпии) газов, входящих в состав продуктов горения,

 

 

i=a+b·T+j·T²

 

 

 

 

где a,b,j – коэффициенты, постоянные для соответствующего газа;

    T – температура  газа,К.

Для кислорода при температуре  газа t_г=858⁰С:

 

i_O2=-364,494+1,269·(858,415+273)+0,00014·1121²=1250,481 кДж/кг

 

i_N2=-329,359+1,183·1131+0,00014·1121²=1118,314 кДж/кг

 

i_Н2О=-365,295+1,283·1131+0,00028·1121²=1444,729 кДж/кг

 

i_СО2=-523,307+1,697·1131+0,00035·1121²=1844,727 кДж/кг.

 

Результаты сведены в  таблицу 1

Таблица 1

Газ	символ	Значение коэффициентов			i, кДж/кг при
		ɑ	B	j	Т=1121К
Кислород	О2	-364,494	1,269	0,00014	1250,481
Азот	N2	-329,359	1,183	0,00014	1118,314
Водяной пар	H2O	-365,295	1,283	0,00028	1444,729
диоксид углерода	СО2	-523,307	1,697	0,00035	1844,727