Файл: Задание на выполнение курсовой работы.docx

Q_мет^т=Рс_мет(t_кон^ср– t_нач^ср). ( 29 )

Q_мет^т= 40 000*0,670*(1156 – 1147) / 3600 = 67 кВт.

2. Тепло, уносимое продуктами сгорания в зоне теплообмена

(t_ф^//= 1390 ⁰С≈ 1400 ⁰С):

Q_ух^т= В_т V_д i_д. ( 30 )

Q_ух^т = В_т*3,88*2406,2 = В_т*9336 кВт,
гдеi_СО2 = 0,1753*3277 = 574,48;

i_H2O= 0,183*2540 = 464,82;

i_N2 = 0,6391* 2129,93 = 1361,25;

i_О2 = 0,0028*2012 = 5,65;

i_д= 2406,2 кДж/м³.
3. Потери тепла теплопроводностью через футеровку.

Свод. Температуру внутренней поверхности футеровки в томильной зоне принимаем равной температуре кладки в конце сварочной зоны:

t_{ф. т} = t_{к св} = 1255 ⁰С.

Принимаем температуру окружающей среды t₀ = 20 ⁰С, температуру наружной поверхности t_{н п}=100 ⁰С.

Площадь свода (с учётом толщины стен)

F_т = ВL_т = 6,4(1 + 2*0,46) = 12,29 м²,

толщина свода S = 0,3 м.

Средняя температура по толщине шамотного свода

t_ш^ср= 0,5(1255 + 100) = 678 ⁰С.

При этой температуре согласно [2, приложение XI ],

теплопроводность шамота

λ_ш = 0,88 + 0,00023t_ш= 0,88 +0,00023*678 = 1,04 Вт/(м*К).

Удельные потери тепла через свод определим по формуле [ 2 ]:

q_{потсвод}^т = (t_{к св} - t_{н п}) / (R_п + Ʃδ_i / λ_i+ 1/α₀), Вт/м² ( 31 )

где R_п - тепловое сопротивление при переходе от источника тепла к внутренней поверхности свода; в нашем случае R_п ≈ 0;

δ_i- толщина i – го слоя многослойной стены (свода), м;

λ_i- коэффициент теплопроводностиэтого слоя, Вт/(м²*К);

α₀ - коэффициент теплоотдачи от стенки к окружающей среде конвекцией. Может быть определён по формуле:

α₀= 10 + 0,06t₀, Вт/(м²*К). ( 32 )

Тогда

q_{потсвод}^т = (1255 – 20) / (0,3/1,04 + 1/11,2) = 3272 Вт/м².

Потери тепла через свод:

Q_св^т =q_{пот свод}^т* F_т = 3272*12,29 = 40,2 кВт.

Стены.Температуру внутренней поверхности стен принимаем равной

t_{ф. т} = t_{к св} = 1255 ⁰С,

температуру наружной поверхности t_{н п}=60 ⁰С.

Стены состоят из слоя шамота S_ш = 0,345 м и диатомита S_д = 0,115 м.

С учётом толщины футеровки поверхность стен равна:

- торцовой (6,4 + 2*0,46)(1 + 0,3) = 9,52 м²;

- боковых 2*(1 + 0,46)(1 + 0,3) = 3,8 м²;

- общая поверхность стен F_ст^т= 9,52 + 3,8 = 13,32 м².

Для вычисления коэффициентов теплопроводности, зависящих от температуры, необходимо найти среднее значение температур слоёв.

---

Средняя температура шамота:

t_ш^ср= (1255 + t_х)/2⁰С,

слоя диатомита:

t_д^ср= (t_х + 60)/2⁰С,

где t_х - температура на границе раздела слоёв, ⁰С.

Коэффициенты теплопроводности материалов, Вт/(м*К):

- шамота λ_ш = 0,88 + 0,00023t_ш^ср,

- диатомита λ_д = 0,116 + 0,00015 t_д^ср.

При стационарном режиме

(λ_ш / S_{ш )}(t_к^внут. - t_х) = (λ_д / S_ш )(t_х - t_к^нар).

Подставляя значения коэффициентов теплопроводности, получим:

{[0,88 + 0,00023*(1255 + t_х)/2]/0,345}*(1255 - t_х) =

= {[0,116 + 0,00015*(t_х + 60)/2]/0,115}*(t_х- 60).

Решая это уравнение, получим t_х = 860 ⁰С.

Тогда:

t_ш^ср = (1255 + 860)/2 = 1058 ⁰С,

t_д^ср = (860 + 60)/2 = 400 ⁰С.

λ_ш = 0,88 + 0,00023*1058 = 1,12 Вт/(м*К),

λ_д = 0,116 + 0,00015 *400 = 0,176 Вт/(м*К).

Потери тепла через стены:

q_ст^т = (1255 – 20)/(0,345/1,12 + 0,115/0,176 + 1/11,2) = 1176 Вт/м².

Q_ст^т =q_ст^т* F_ст^т= 1176*13,32 = 27164 Вт = 15,7 кВт.

Общее количество тепла, теряемое теплопроводностью через кладку:

Q_тепл^т= 15,7 + 40,2 = 55,9 кВт.

4. Неучтённые потери принимаем равными 10 % от тепла горения топлива:

Q_пот^т= 0,1* Q_т^хим= 1355В_т кВт.
5. Уравнение теплового баланса для томильной зоны:
13550В_т = 67 + 9336В_т + 40,2 + 55,9;

4214В_т = 163,1.

Решение этого уравнения даёт значение расхода газообразного топлива в томильной зоне печи:

В_т = 0,039 м³/ с.

5.2. Сварочная зона

А. П р и х о д т е п л а

1. Тепло горения топлива

Q_св^хим= 13550 В_свкВт,

где В_св- расход топлива в сварочной зоне, м³/с.

2. Тепло, вносимое продуктами сгорания из томильной зоны:

Q_{п. г.}^св= Q_ух.^св = В_т*9336 кВт = 0,039*9336 = 364 кВт.

Б. Р а с х о д т е п л а

Средние температуры металла:

- в начале сварочной зоныt_нач^ср = 0,5(600 + 474) = 511 ⁰С,

- в конце зоны t_кон^ср = 0,5(1180 + 1148) = 1163 ⁰С,

- по длине сварочной зоны t_св^ср = 0,25(600 + 474 + 1180 + 1106) = 840 ⁰С.

1. Тепло, затраченное на нагрев металла:

---

Q_мет^т=Рс_мет(t_кон^ср– t_нач^ср).

Q_мет^т= 40 000*0,691*(1163 – 537) / 3600 = 4806 кВт.

Здесь с_мет= 0,691 кДж/(кг*К) – теплоёмкость хромоникелевой стали при средней температуре слябов t_св^ср =840 ⁰С.

2. Тепло, уносимое продуктами сгорания в зоне теплообмена, кВт:

Q_ух.^св =V_д i_д (В_св+ 0,039) = 3,88*1839(В_св+ 0,039) = 7135,3(В_св+ 0,039)

Энтальпию дымовых газов считаем при t_{ф нач}^/ = 1100 ⁰С.

i_СО2 = 0,1753*2485,34 = 435,7;

i_H2O= 0,183*1913,67 = 350,2;

i_N2 = 0,6391*1641,02 =1048,8;

i_О2 = 0,0028*1546,14 = 4,3;

i_д= 1839 кДж/м³.
3. Средняя температура внутренней поверхности свода

t_к^ср= 0,5(1022 + 1255) = 1139 ⁰С (см. рис. 3.1).

Площадь свода

F_свод^ср = ВL_св = (6,4 + 2*0,46)*4,87 = 35,65 м².

Средняя температура по толщине шамотного свода

t_ш^ср= 0,5(1139 + 100) = 619 ⁰С.

При этой температуре теплопроводность шамота

λ_ш = 0,88 + 0,00023t_ш^ср = 0,88 +0,00023*619= 1,02 Вт/(м*К).

q_{потсвод}^св = (1139 – 20) / (0,3/1,02 + 1/11,2) = 2919 Вт/м².

Потери тепла через свод:

Q_св^св =q_{пот свод}^т* F_т = 2919*35,65 = 104,1 кВт.

Средняя температура внутренней поверхности боковых стен, рис. 3.2:

t_ст^св = 0,25(1100 + 1390 + 600 + 1180) = 1067 ⁰С.

Площадь боковых стен:

F_ст^св = 2*4,87(1 + 0,3) = 12,7 м².

Средняя температура шамота:

t_ш^ср= (1067 + t_х)/2⁰С,

слоя диатомита:

t_д^ср= (t_х + 60)/2⁰С,

где t_х - температура на границе раздела слоёв, ⁰С.

Коэффициенты теплопроводности материалов, Вт/(м*К):

- шамота λ_ш = 0,888 + 0,00023t_ш^ср ,

- диатомита λ_д = 0,116 + 0,00015 t_д^ср.
При стационарном режиме

(λ_ш / S_{ш )}(t_к^внут. - t_х) = (λ_д / S_ш )(t_х - t_к^нар).

Подставляя значения коэффициентов теплопроводности, получим:

{[0,88+ 0,00023*(1067 + t_х)/2]/0,345}*(1067 - t_х) =

= {[0,116 + 0,00015*(t_х + 60)/2]/0,115}*(t_х- 60).

Решая это уравнение, получим t_х = 738⁰С.

Тогда:

t_ш^ср = (1067 + 738)/2 = 903⁰С,

t_д^ср = (723 + 60)/2 = 400⁰С.

λ_ш = 0,88 + 0,00023*903 = 1,08 Вт/(м*К),

λ_д = 0,116 + 0,00015 *400 = 0,176 Вт/(м*К).

Потери тепла через стены:

q_ст^т = (1067 – 20)/(0,345/1,08 + 0,115/0,176 + 1/11,2) = 1118 Вт/м².

Q_ст^т =q_ст^т* F_ст^т= 1118*12,7 = 14,4 кВт.

Суммарные потери через кладку в сварочной зоне:

Q

---

_тепл^св= 104,1 + 14,4 = 118,5 кВт.

4. Неучтённые потери принимаем равными 10 % от тепла горения топлива:

Q_пот^т= 0,1* Q_т^хим= 1355В_т кВт.
5. Уравнение теплового баланса для сварочной зоны:
13550В_св+ 364 = 4806 + 7135,3(В_св+ 0,039) + 118,5 + 1355*В_св;

6414,7В_св= 6193,8.

Решение этого уравнения даёт значение расхода газообразного топлива в сварочной зоне печи:

В_св= 0,97 м³/ с.
5.3. Методическая зона

А. П р и х о д т е п л а

1. Тепло горения топлива

Q_м^хим= 13550 В_мкВт,

где В_м- расход топлива в методической зоне, м³/с.

2. Тепло, вносимое продуктами сгорания из сварочной зоны:

Q_{п. г.}^м= Q_ух.^св = 7135,3(В_св+ 0,039) = 7135,3*1,009 = 6771,4 кВт.
Б. Р а с х о д т е п л а

1. Тепло на нагрев хромоникелевой стали

Q_мет^м= (0 000/3600)*0,512(537 – 0) = 3055 кВт.

2. Тепло с уходящими газами:

Q_ух ^м =V_д i_д (В_м+ В_св+ В_т) = 3,88*1553*(В_м+ 1,009) =

= 6025,64*В_м+ 6079,8 кВт.

Здесь энтальпия дыма рассчитана при

t_ф^// = 0,5(1100 + 800) = 950 ⁰С.

i_СО2 = 0,1753*2099,59 = 368,06;

i_H2O= 0,183*1615,59 = 295,65;

i_N2 = 0,6391*1399,89 =594,67;

i_О2 = 0,0028*1318,7 = 3,69;

i_д= 1553 кДж/м³.
3. Средняя температура внутренней поверхности свода

t_к^ср= 0,5(1022 + 971) = 997 ⁰С (см. рис. 3.1).

Площадь свода

F_свод^ср = ВL_св = (6,4 + 2*0,46)*3,1 = 22,69 м².

Средняя температура по толщине шамотного свода

t_ш^ср= 0,5(997 + 100) = 548,5 ⁰С.

При этой температуре теплопроводность шамота

λ_ш = 0,888 + 0,116t_ш^ср= 0,88 +0,00023*543,5 = 1,01 Вт/(м*К).

q_{потсвод}^св = (997 – 20) / (0,3/1,01 + 1/11,2) = 2529 Вт/м².

Q_свод^м = 2529*22,69 = 57,4 кВт.

Средняя температура внутренней поверхности боковых стен, рис. 3.2:

t_ст^св = 0,25(800 +1100 + 0 + 600) = 625 ⁰С.

Площадь боковых стен:

F_ст^св = 2*3,1*(1 + 0,3) = 8,06 м².

Средняя температура

- шамота:

t_ш^ср= (625 + t_х)/2⁰С,

- слоя диатомита:

t_д^ср= (t_х + 60)/2⁰С,

где t_х - температура на границе раздела слоёв, ⁰С.

Коэффициенты теплопроводности материалов, Вт/(м*К):

- шамота λ_ш = 0,88 + 0,00023t_ш^ср ,

---

- диатомита λ_д = 0,116 + 0,00015 t_д^ср.

При стационарном режиме

(λ_ш / S_{ш )}(t_к^внут. - t_х) = (λ_д / S_ш )(t_х - t_к^нар).

Подставляя значения коэффициентов теплопроводности, получим:

{[0,88 + 0,00023*(625 + t_х)/2]/0,345}*(625 - t_х) =

= {[0,116 + 0,00015*(t_х + 60)/2]/0,115}*(t_х- 60).

Решая это уравнение, получим t_х = 447⁰С.

Тогда:

t_ш^ср = (625 + 447)/2 = 536⁰С,

t_д^ср = (447 + 60)/2 = 253⁰С.

λ_ш = 0,88 + 0,00023*536 = 1 Вт/(м*К),

λ_д = 0,116 + 0,00015 *253 = 0,154 Вт/(м*К).

Потери тепла через стены:

q_ст^т =(625 – 20)/(0,345/1 + 0,115/0,154 + 1/11,2) = 513 Вт/м².

Q_ст^т =q_ст^т* F_ст^т= 513*8,06 = 4,1 кВт.

Суммарные потери через кладку в сварочной зоне:

Q_тепл^м= 57,4+4,1 = 61,5 кВт.

4. Неучтённые потери принимаем равными 10 % от тепла горения топлива:

Q_пот^т= 0,1* Q_т^хим= 1355В_т кВт.

5. Уравнение теплового баланса для сварочной зоны:

13550В_м + 6771,4 = 3055 + 6025,64 В_м+ 6079,87 + 61,5 + 1355 В_м,

6169,36 В_м= 2425,02,

В_м= 0,39 кг/с.

Общий расход топлива:

В = В_м+ В_св+ В_т = 0,39 + 0,97 + 0,039 = 1,399 кг/с.

Топливо по зонам распределяется следующим образом:

- методическая зона 27,9 %,

- сварочная зона 69,3 %

- томильная зона 2,8 %.

Удельный расход тепла на нагрев 1 кг металла:

q = Q_прих/Р = (1,399*13550*3600)/40000 = 1706,08 кДж/кг (407,18 ккал/кг).

---