Расчет теплообмена в рабочем пространстве печи

Режим нагрева заготовок

В данной курсовой работе расчет нагрева заготовок проводится в предположении:

- симметричного температурного поля в заготовке в зонах с двусторонним обогревом (на участках I и II')

- постоянной температуры газов в сварочной зоне (на участке II)

Рис. 4 Режим нагрева металла:

I - методическая зона; II - сварочная зона: II' - участок с двусторонним обогревом, - участок с монолитным подом, t_г – температура газа; t_п – температура поверхности; t_c - температура середины; t_м – массовая температура; t_п.ниж– температура нижней поверхности.

Расчет внешнего теплообмена в рабочем пространстве печи

Целью расчета внешнего теплообмена является определение приведенного коэффициента излучения от газов и кладки на металл.

Расчет приведенного коэффициента излучения от газов и кладки на металл проводится для верхней части рабочего пространства печи, для нижних зон значение коэффициента излучения принимается таким же.

Для проведения расчета необходимо определить размеры рабочего пространства печи.

Ширина рабочего пространства:

D = n·l + (п +1) ·∆ l, м,

где n - число рядов заготовок, одновременно перемещающихся в рабочем пространстве печи;

∆ l - расстояние между рядами движущихся заготовок или между торцами заготовок и боковыми стенками печи, м (∆ l = 0, 25 – 0, 3 м);

l - длина заготовки, м.

Обычно число рядов принимают из конструктивных соображений равным одному или двум, имея в виду, что отношение длины к ширине печи должно быть порядка 5 - 6 ( в некоторых случаях до 8 - 10). По данным В. А. Кривандина, если в печи одновременно находится менее двухсот заготовок, применяется однорядное расположение, а если более 400, то печь выполняют трехрядной.

Среднюю высоту рабочего пространства печи в сварочной зоне определяют из выражения h/D = 0, 35 – 0, 55 или по практическим данным:

в сварочной зоне - h_св= 1, 8 – 2 м;

в методической зоне - h_мет = 1, 2 – 1, 5 м.

Площадь пода печи в сварочной и методической зонах:

F_св = D·L_св, м²; F_мет = D·L_мет, м²,

где L_св, L_мет– соответственно длины сварочной и методической зон, м.

Внутренняя поверхность стен и свода в сварочной и методической зонах:

= (2·h_св+ D) L_св, м²; = (2·h_мет+ D) L_мет, м².

Суммарная поверхность кладки и металла, окружающих газовый объем:

= + F_св, м²; = + F_мет, м².

Объем заполняемого газом рабочего пространства в сварочной и методической зонах:

V_св= h_св· F_св, м³; V_мет= h_мет F_мет, м³.

Средняя эффективная длина луча в сварочной и методической зонах:

, м; , м. (9)

Степень черноты газов в сварочной и методической зонах определяется по приложениям 5 и 6. Параметром на графиках является произведение парциального давления газов на среднюю эффективную длину луча.

Парциальное давление газов:

, Па; , Па. (10)

Температуру газов в сварочной зоне t_св считаем постоянной, предварительно принимаем на 50 °С выше температуры поверхности металла в конце нагрева.

Средняя температура газов в методической зоне:

t_мет = 0, 5· (t_св+ t_yx), °С,

где t_yx - температура уходящих газов (t_yx = 800 – 1000 °С).

Степень черноты продуктов сгорания для сварочной и методической зоны определяется по формулам:

; (11)

где β - поправочный коэффициент, учитывающий совместное действие CO₂ и Н₂О (определяем по приложению 7).

Угловой коэффициент излучения кладки на металл в сварочной и методической зонах:

(12)

Общая степень черноты системы газ-кладка-металл:

в сварочной зоне:

; (13)

в методической зоне:

. (14)

Степень черноты металла = 0, 8.

Приведенный коэффициент излучения от газов и кладки на металл:

(15)

(16)

По найденным значениям и находим его среднее значение

Вт/(м²·К⁴), (17)

которым пользуются при дальнейших расчетах.

Расчет нагрева металла

Для облегчения расчета нагрева металла по приложению 8 для заданной марки стали строится зависимость теплосодержания i, (кДж/кг) и коэффициента теплопроводности λ, (Вт/м·°С) от температуры (рис. 5, 6).

Среднемассовая конечная температура заготовки:

, °C, (18)

где ∆ t₃ = 50 °C - заданный конечный перепад температур в заготовке.

Удельный тепловой поток к поверхности металла в конце нагрева:

Вт/м². (19)

где λ - коэффициент теплопроводности металла при температуре t_м3, Вт/(м·К); S – геометрическая толщина металла, м.

Рис. 5. Зависимость теплосодержания углеродистой стали от температуры.

Рис. 6. Зависимость теплопроводности углеродистой стали от температуры.

Расчетная температура газов в сварочной зоне:

°C. (20)

Коэффициент использования химической энергии топлива (КИТ) в сварочной зоне:

(21)

где - количество тепла, уносимого уходящими газами из сварочной зоны,

кДж/м³, (22)

где - энтальпия продуктов сгорания, соответствующая температуре , кДж/м³;

- количество тепла, излучаемого из сварочной зоны в методическую,

= q_изл·F_cв-мет, кВт, (23)

где q_изл - удельный тепловой поток излучения из сварочной зоны в методическую равный 100 -150 кВт/м²;

F_cв-мет - площадь поперечного сечения рабочего пространства на границе сварочной и методической зон,

F_cв-мет = D·2·h_мет, м²; (24)

М_общ - общая тепловая мощность печи,

М_общ= G·b/3600, кВт, (25)

где b - удельный расход тепла (для предварительного расчета принимаем b = 2500 кДж/кг);

G - производительность печи, кг/ч.

Для обеспечения удовлетворительных технико-экономических показателей работы печи КИТ в сварочной зоне не должен быть меньше 0, 3 – 0, 35.
В том случае, если принятый подогрев воздуха не обеспечивает при данной калорийности топлива указанных значений, необходимо повысить температуру подогрева воздуха или предусмотреть подогрев газа.

Коэффициент использования химической энергии топлива в печи:

, (26)

где Q_yx - количество тепла, уносимого уходящими газами из печи,

Q_yx =V_г·i_yx, кДж/кг (кДж/м3), (27)

где i_yx - энтальпия продуктов сгорания, соответствующая температуре t_yx, кДж/м³.

Изменение теплосодержания металла в печи:

∆ i = i₃ – i₀, кДж/кг, (28)

где i₀, i₃ - теплосодержание металла, соответствующее начальной t₀ и конечной t_м3 температурам, кДж/кг.

Изменение теплосодержания металла вместе с образовавшейся окалиной:

∆ i' = [(100 - δ ) - ∆ i + δ ·С_ок· (t_п3- t₀) ·m - 5650· δ ]/100 %, кДж/кг, (29)

где δ - угар металла, δ = 2%;

C_ок - теплоемкость окалины, С_ок = 1 кДж/(кг·К);
m - коэффициент, учитывающий сколько окалины Fе₃О₄ (кг) образуется от окисления 1 кг железа m = 1, 38.

Приращение теплосодержания металла в методической зоне

∆ i_I= ∆ i'·( l -η _кит^св/η _кит ), кДж/кг. (30)
Приращение теплосодержания в сварочной зоне

∆ i_II = i₃- ∆ i_I, кДж/кг.

(31)

Нагрев металла в методической зоне (участок I)

Для расчета нагрева металла в методической зоне определяются:

удельный тепловой поток в начале зоны:

Вт/м², (32)

удельный тепловой поток в конце зоны:

Вт/м², (33)

где - средняя температура металла в конце методической зоны, соответствующая его теплосодержанию i₁=i₀ + ∆ i_I, найденная по графику на рис. 5, К;

λ - теплопроводность металла, соответствующая температуре , Вт/(м²·К).

Уравнение для q₁ решается методом последовательных приближений. В первом приближении находим q₁', полагая, что член . Затем, подставив полученное значение q₁', получаем уточненное q₁". Окончательное значение q₁ определяется после подстановки в уравнение q₁".