Теплотехнический расчет проходной газовой печи

 

Краткая характеристика печи:

Назначение печи – нагрев проволоки

Материал проволоки – сталь 1юпс

Температура нагрева проволоки – 870°С

Диаметр проволоки – 2,0 мм

Скорость движения проволоки - 60 м/мин

Вид топлива – природный газ Q^р=7990 ккал/м³

Температура подогрева воздуха – 400°С

Давление воздуха перед печью – 500 мм вод ст.

Давление газа перед печью – 400 мм вод ст.

Тип установленных горелок – IMPD33/3; IMPD22/3; IMPD16/3; IMPD11/3

Количество нитей на агрегате – 24

 

2.5.1 Расчет горения топлива:

Состав природного газа:

СН₄ – 97,567 %

С₂Н₆ – 0,65 %

С₃Н₈ – 0,319 %

С₄Н₁₀- 0,131 %

С₅Н₁₂ – 0,032 %

N₂ - 1,23 %

СО₂ - 0,051%

Н₂О – 0,00007 г/м³

2.5.2 Расчет горения газа с a = 1,0

Низшая теплотворная способность газа 7990 кДж/м³

Количество кислорода, необходимое для сгорания рассчитывается по формуле:                 

 

                             V° = 0,01 * (2СН₄ + 3,5С₂Н₆ +5* С₃Н₈ +6,5С₄Н₁₀+8* С₅Н₁₂)                     (2.6)

V° =0,01 * (2*97,567 + 3,5*0,65+5*0,319 + 6,5*0,131+8*0,032) = 2,00 м³/м^;3

Кислород на горение берут из воздуха.

Воздух по объему (в %) состоит из 21% кислорода и 79% азота:

l₀ = (1 + V_N ) * V₀                                                             (2.7)

 

Выразим объем азота через объем кислорода:

V_N  = 79/21 * V₀ =3,76* V₀                                               (2.8)

l_о = (1 + 3,76) *2,00= 9,53 м³/м³

Определим количество и состав продуктов сгорания:

V ° _N  = 0,01 N₂+ 3,76 V °₀₂                                                                 (2.9)

V ° _N  =  0,01*1,23 + 3,76*2,00= 7,54 м³/м³

V ⁰_С02 = 0,01 (СН₄ + 2С₂Н₆ + 3 С₃Н₈ + 4С₄Н₁₀ +5 С₅Н₁₂)                           (2.10)

V ⁰_С02 =0,01 * (97,567+2*0,65+3*0,319+4*0,131+5*0,032) =1,01м³/м³

V °_Н2О= 0,01* (2СН₄+ЗС₂Н₆ +4С₃Н₈ +5С₄Ню+6 С₅Н₁₂ +2Н₂О)                    (2.11)

V °_Н2О =0,01 * (2*97,567 + 3*0,65 +4*0,319+ 5*0,131 + 2*0) =1,99 м³/ м³

Общее количество продуктов сгорания:

V °_общ = V °_Н2О+ V °со₂+ V °_N2                                                       (2.12)

V °_общ = 1,99+1,01+7,54=10,53 м³/м³

2.5.3 Расчет горения газа с a₁ = 0,5

Количество воздуха для сгорания:

L¹ = a₁ * L₀                                                               (2.13)

L¹= 0,5 * 9,53 = 4,76 м³/м³

 

Количество кислорода для сгорания:

V '₀ = a₁ * V °₀

V '₀ =  0,5 * 2,00 = 1,00 м³/м³

 

Общее число продуктов сгорания:

V 'общ = V °_общ - 0,79 L_o * (1 - a₁)                                         (2.14)

 

V 'общ =10.53-0.79*9.53*(1-0.5) = 6.77 м³/м³

В = V° _Н2О- (к-2) * V°с_О2 + 2 V °₀₂ *(1-a₁  )* (к - 1)                   (2.15)

В = 1,99-(1,656-2)* 1,01 +2* 2,00*(1-0,5)*(1,656-1) = 3,65 м³/м³

                  (2.15)

 

= м³/м³

 

Количество СО, Н₂О, N₂, Н₂ в продуктах сгорания:

  V 'н₂о= V °со₂ + V °_Н2О - V 'со₂- 2 * (1-0,5)* V °₀                                (2.16)

V 'н₂о = 1,01 + 1.99 - 0,262-2 * (1-0,5)* 2,0= 0,73 м³/м³

V '_N2= a₁* V °_N2                                                            (2.17)

V '_N2= 0,5 * 7,54 = 3,77 м³/м³

V¢_СО2=V°_СО2 - V 'со₂                                                             (2.18)

V¢_СО2= 1,01-0,262=0,74 м³/м³

V '_Н2О= V 'со₂+ 2 * (1 - a₁)* V °₀ - V °₀                                         (2.19)

V '_Н2О = 0,262+2*(1-0,5)*2,00-1,01=1,26 м³/м³

Сделаем проверку:

V 'общ = V '_Н2О+ V 'со₂+ V '_N2 - V '_Н2 + V '_СО                                            (2.20)

V 'общ = 0,74+0,262+3,77+1,26+0,74=6,77 м³/м³

 

Определим состав продуктов горения в процентах:

[V 'со₂ ] = V '_С02 / V '_ОГ1Щ 100% = 0,262/6,77* 100 % = 3,9 %

[V 'со] =11,0 %

[V'_Н2] = 18,6 %

[V'_N2] = 55,7 %

[V¢_Н2О] = 10,8 %

Химическое тепло, выделяемое при неполном сгорании газа, определяется по следующей формуле:

q₁ = Q_Н ^p- V '_общ * (126,4* [V 'со] + 108* [V '_Н2]                                    (2.21)

 

 q₁=33398-6,77*(126,4*11+108*18,6)=10385кДж/м³

 

2.5.4 Расчет догорания продуктов неполного сгорания газа с коэффициентом расхода     воздуха а₂ = 1,0

Количество кислорода для дожигания определяем по формуле:

V"₀₂ = 0,005* ([V 'со] + [V '_Н2]) = 0,148 м³/м³

Количество воздуха для дожигания:

l" ₀₂ = (1+к) * V "₀₂ *a₂                                                         (2.22)

l" ₀₂  = (1+3,76) * 0,148* 1,0 = 0,705 м³/м³

 

Количество СО₂, Н₂О, N₂, в продуктах сгорания:

V"_Н2О= 0,01*([V¢_Н2О]+[V¢_N2])=0,294 м³/м³  

V"_N2= 1,113м³/м³

V"co₂=0,149м³/м³

V"_общ = 1,556м³/м³

Определим температуру горения при a= 0,5 и температуре подогрева воздуха t = 400°С

 

t ^т_a = (q₁ + q_B)/(с_д* V '_общ) = (q₁+ L¹ * t * С_В)/ (С_Д* V '_ОБЩ)                                      (2.23)

 

 где q₁ - химическое тепло, выделяемое при неполном сгорании;

q_B - физическое тепло воздуха, поступающего на горение единицы топлива, кДж/м'³

Сд - теплоемкость дымовых газов, кДж/м' °С

С_В- теплоемкость воздуха при t = 400°С, кДж/м'' °С

t^т_a = (10385+4,64*400*1,3)/ (1,52*6,77)= 1250°С

 

2.5.5 Расчет дожигания продуктов неполного сгорания газа с a ₂ = 1,0

 

Действительная температура горения

t^действ_a =1250*0,75 = 933 °

Принимаем температуру печи в зоне нагрева t _a = 900°С

 

2.5.5 Расчет дожигания продуктов неполного сгорания газа с a ₂ = 1,0

Состав газа:

Н₂О = 10,8 %; N₂ = 55,7 %; СО₂ = 3,9 %; СО = 11 %; Н₂ = 18,6 %

Низшая теплотворная способность:

 

                                         q_H^p = 126,4 [V 'со] + 108 [V '_Н2]                                                      (2.24)

 

q_H^p = 126,4*11+ 108*18,6 = 3399,2 кДж/м³

 

V"°₀₂=0,005*(11+18,6)=0,148 м³/м³

L"o₂=(1+3,76)*0,148=0,705м³/м³

V "_Н2О=0,01*(10,8+18,6)=0,294 м³/м³

V"_N2 =0,01*55,7+3,76*0,148=1,113 м³/м³

V"_СО2=0,01*(3,9+11)=0,149

V"_общ = 1,556 м³/м³

СО₂ = 9,6 %; Н₂О = 18,9 %; N₂ = 71,5%

Определим действительную температуру горения при подаче холодного воздуха t_B и горячих продуктов неполного сгорания t_П =900°С

 

t_a^Т==(q_Н ^Р+q_Н^Г+q_B)/(С_Д*V"_ОБЩ) = (q_Н^Р+ L _Н^Г * t _Н^Г*+L_О"*С_В*t_В)/ (С_Д* V '"_ОБЩ)=                                    =(3399,2+1,55*900+0,705*1,3*20)/(1,65*1,556)=1874ºС

Действительная температура горения: t^действ = 1874 * 0,75 = 1405ºС

 

2.5.6 Определение коэффициента расхода воздуха a₂ в зоне нагрева

Для проволоки диаметром 2,0 мм в таблице принимаем температуру печи в зоне нагрева             t_П = 900°С. Для установления этой температуры необходимо ввести дополнительный холодный воздух в соответствии с a₂, рассчитанному по формуле:

 

a₂=1+V"^C_ОБЩ(t_a^действ*С₁^действ-t_П*С)/(t_П*С*L₀)                                        (2.25)

a₂=1+1,556*(1419*1,58-900*1,56)/(900*1,56*0,7)=2,28

 

В дымовых газах дополнительно к V^"_О2 образуется:

 

V^"_О2=(2,28-l,0)*0,148 = 0,19 м³/м³

 

Определение количества воздуха, необходимого на горение в зоне нагрева:

L^" =(1 +3,76)* 0,148* 0,19= 1,17 м³/м³

 

Количество дымовых газов:

V"_дым = 1,556 + 0,19 = 1,746 м³/м³

 

2.5.7 Расчет времени нагрева проволоки в зоне предварительного нагрева и определение длины зоны

Температура в зоне t_П =900°С, начальная температура металла t_М^Н=20°C, конечная температура металла t_М^К = 250°С. Время нагрева проволоки определяется по формуле:

                                                                                            (2.26)

где d - диаметр проволоки, мм;

r - плотность проволоки, кг/м³ (ρ = 7850 кг/м³)

Сρ - средняя теплоемкость металла в интервале температур (t^Н- t^К), Дж/кг °С                                               С_пр - приведенный коэффициент излучения с учетом конвективно­го теплообмена, Вт/кг*К⁴;

x^tМН,x^tМК - начальный и конечный температурный фактор, К^-3

 

                                                                                                         (2.27)

 

=  Дж/м²*°С

 

где i_М^К; i_М^К – энтальпия при t_М^К; t_М^К, Дж/кг

Энтальпия металла:

i_М^Н =9,7 кДж/кг при t_М^Н=20°С

i_М^К =127,7 кДж/кг при t_М^К=250°С

 

t_М^СР=900-(250-20)/ln[ (900-20)/(900-250) ]=141°С

 

                                                          (2.28)

 Вт/м*К⁴

 

С_пр = С_к + С_ПР                                                                         (2.29)

 

С_пр = 3,6+3,5=7,1 Вт/м²*К⁴

 

Конечный и начальный температурные факторы определяются в зависимости от темпера­туры печи, начальной и конечной температур металла по графикам 1 и 2 из приложения [ ]: для температуры t_П = 900°С;

при t^Н = 20°С x^НМ = 0,019 К^-3

при t^К = 250°С x^КМ = 0,033 К^-3  

Время нагрева проволоки определяется по формуле 2.26:

 

c

 

       Длина зоны:

l=V*t/60                                                                        (2.30)

 

l=60*3,2/60=3,12 м