H000983 Курсовая работа Обоснование автоматизации камерной печи. Тепловой расчет печного агрегата

                                                         РЕФЕРАТ

Пояснительная записка содержит 43 страницы, 4 листа графического материала формата А1.

ДЫМОВЫЕ ГАЗЫ, ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС, ГОРЕЛКА, РЕКУПЕРАТОР, ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ, КПД ПЕЧИ, РАСХОД ТОПЛИВА, НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ ПЕЧЬ.

В данном дипломном проекте был произведен тепловой расчет печного агрегата. Были выбраны и рассчитаны: рекуператор и теплообменный аппарат. Разработана функциональная схема АСУТП объекта. В техникоэкономической части дипломного проекта приведен расчет коммерческой стоимости и рентабельности произведенных работ. Рассмотрены вопросы безопасности жизнедеятельности человека на данном участке и вопросы охраны окружающей среды.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

Исходные данные…………………………………………………………………5

Теплотехническая часть 5

Расчёт горения топлива 5

Размеры рабочего пространства печи 6

Расчет теплообмена 7

Расчет нагрева металла 9

Тепловой баланс печи 15

Тепловая мощность и расход топлива 19

Технико-экономический анализ проекта 21

Общий перечень исходных данных ………………………………………….21

Расчет инвестиций……………………………………………………………..21

Расчет дохода…………………………………………………………………..23

Расчет эффективности печи…………………………………………………...24

Анализ чувствительности проекта ……………………………………………25

Контрольно - измерительные приборы и автоматика………………………...27

Обоснование автоматизации камерной печи………………………………....27

Выбор в обосновании технических средств автоматизации.

Спецификации КИП и А……………………………………………………………28

Описание функциональной схемы АСУ…………………………………………29

Охрана окружающей среды………………………………………………………32

Определение ущерба от загрязнения воздушного бассейна………………….32

Площадь активного загрязнения………………………………………………..34

Расчет рассеивания вредных выбросов…………………………………………35

6. Охрана труда и техника безопасности……………………………………………37

6.1 Техника безопасности и СИЗ…………………………………………………….37

6.2 Автоматика безопасности работы печи…………………………………………39

6.3 Электробезопасность……………………………………………………………..40

6.4 Пожарная безопасность…………………………………………………………..41

Список использованных источников………………………………………….43

Введение

          Назначение печей - передача тепла нагреваемому материалу. При нагреве материала в теплообмене участвуют все элементы печи - кладка, открытые проемы, холодильники, транспортные приспособления, рельсы и т.д.  Совокупность процессов теплообмена в объеме печи называется тепловой работой печи. В печи встречаются все виды теплообмена - кондуктивный, конвективный и радиационный. Относительный вклад каждого вида теплообмена в общий теплообмен печи зависит от уровня температуры печи, а также ее конструкции.

В печах для тепловой обработки материалов одновременно протекает ряд сложных процессов: ¬ газификация и горение топлива, движение дымовых газов в рабочем пространстве, передача тепла от горящего факела и дымовых газов к обрабатываемому материалу (непосредственно или посредством вторичного излучателя ¬ кладки), продвижение тепла от поверхности изделий внутрь, экзотермические и эндотермические процессы при превращении обрабатываемого материала и т. д. Все эти сложные процессы взаимно связаны, их совокупность составляет суммарный процесс тепловой обработки, и они не могут рассматриваться изолированно. Ведущими из этих процессов являются процессы передачи тепла.

Камерные печи - обобщённое название группы промышленных печей, в которых изделия остаются неподвижными относительно печи в течение всего периода нагрева. Камерные печи применяют для нагрева металлических заготовок перед прокаткой и ковкой, для термической обработки металлических и стеклянных изделий, обжига керамических и эмалированных изделий. Камерные печи классифицируют по конструкции: вертикальная печь, колпаковая печь, нагревательный колодец, печь с выдвижным подом, ямная печь и др.

Если в камерных печах одновременно находятся несколько изделий, а загружают и выдают их по одному, то температура печи постоянна. При сложных режимах обработки, когда изделия необходимо нагревать (или охлаждать) с определённой скоростью, температуру печи соответственно изменяют.

Камерные печи отапливают газом или жидким топливом. Термические камерные печи, работающие с атмосферой контролируемого состава, обогревают электрическими нагревателями сопротивления или радиантными трубами. Часто электрический обогрев целесообразен для обеспечения точности режима термической обработки и при нагреве без атмосферы контролируемого состава. Наиболее широко распространены камерные печи с неподвижным подом, применяемые в кузнечных цехах.

В промышленности широко распространены нагревательные и термические печи с неподвижным подом. Они применяются для нагрева металла с целью придания ему пластичности перед механической обработкой речкой, штамповкой, ковкой, прессованием и т.д., а также для изменения свойств материала в процессе термической обработки - закалки, отпуска и химико-термической обработки.

Камерные печи с неподвижным подом являются печами периодического действия, цикл их работы делится на следующие этапы:

загрузка изделий в печь;

нагрев изделий;

выдержка изделий;

выгрузка изделий из печи.

При отклонении от нормы любого из контролируемых параметров безопасности котла происходит аварийная остановка подачи газа.

Любое аварийное отключение сопровождается световой сигнализацией в цеху, а также звуковой и световой сигнализацией в помещении диспетчерского пункта с индикацией первопричины аварии.

 

Исходные данные

Топливо: природный газ газопровода Уренгой-Надым-Пунга-Ухта;

Вид термообработки: нагрев под закалку;

Нагреваемые изделия: заготовки квадратного сечения, марка стали 45Х;

Размеры заготовок, мм: длина l=350, сторона в квадратном сечении S=75;

Способ укладки заготовок: на поду печи с зазорами;

Количество заготовок, шт.: n=20;

Начальная температура металла, °C: t_0=20;

Конечная температура нагрева поверхности заготовки, °C: t_(П.К)=850;

Конечный перепад температур по сечению заготовки, °C: 〖t〗_К=5.

2. Теплотехническая часть

2.1 Расчёт горения топлива

Состав сухого природного газа месторождения Уренгой-Надым-Пунга-Ухта в объемных процентах: CH = 98,72% , C H = 0,12%, С H = 0,01%, C H = 0%,       С5 Н12 = 0,1%, N2  = 1,0%,  〖CO〗_2= 0,14%.

Низшая теплота сгорания топлива〖 Q〗_н^р=35,5МДж/м^3, плотность газа ρ_г=0,724 кг/м^3, α = 1,1 – коэффициент избытка воздуха.

1. Определим теоретически необходимое количество воздуха:

 2. Определим действительный расход воздуха необходимый для полного сгорания топлива:

V_д=α∙V^0=1,1∙9,42=10,362(м^3/м^3)

3. Рассчитаем теоретический объем продуктов сгорания:

а) Объем азота в продуктах сгорания:

V_(N_2 )=0,01•(N_2+79•V_д )=0,01∙(1+79∙10,362)=8,19(м^3/м^3)

б) Объем водяных паров:

в) Объем CO2:

 

г) Объем O2:

V_(O_2 )=0,21•(α-1)•V^0=0,21•(1,1-1)•9,42=0,1978(м^3/м^3)

г) Общий объем продуктов сгорания:

 

2.2 Размеры рабочего пространства печи

Заготовки располагаются на поду в два ряда с зазорами равными половине толщины заготовки.

Длина рабочего пространства печи:

L=

L=

Ширина рабочего пространства печи:

B=

B=

        Высота рабочего пространства печи в замке свода:

H= 1400 мм =1,4 м (принимается конструктивно).

h-высота боковой стенки, принимается 1,2м

 

2.3 Расчет теплообмена

Определяем геометрические параметры излучения. Поверхность кладки:

 

     Излучающая поверхность металла:

 

где n-количество заготовок в печи;

S- толщина нагреваемого материала, м;

 - длина нагреваемого материала, м.

Объем рабочего пространства печи:

 

Объем металла:

 

Объем рабочего пространства, заполненного газом:

 

Эффективная толщина газового слоя:

 

Степень черноты газа:

 

 

 

где  парциальные давления СО2 и Н2О в дымовых газах, Мн/м.

 

Приведенный коэффициент излучения «газ-кладка-металл».

 

Принимаем  

 

Приведенный коэффициент излучения при  

 

Таблица 1. Значения  и  в зависимости от температуры газа  

 

 

 

900 0,20 3,33

1000 0,18 3,21

1100 0,16 3,07

1200 0,15 2,99

1300 0,14 2,90

Приведенный коэффициент излучения:

 

Угловые коэффициенты   и  определяются:

 

 

 

2.4 Расчет нагрева металла

Состав стали 45Х следующий:

С=0,40-0,50%,  Mn=0,50-0,80%,  Cr=0,8-1,1%,  Si=0,15-0,3.

Для расчетов принимаем такой состав:

С=0,45% , Mn=0,7% , Cr=1%,  Si=0,3%.

Коэффициент теплопроводности стали:

 70-10С-16Mn-33,7Si=

 коэффициент теплопроводности стали при 0

70 - коэффициент теплопроводности чистого железа, Вт/м град

 

 

 

 

 

 

Плотность стали:

 7880-40С-16Mn-73Si=

Принимаем следующий режим нагрева: первый период – нагрев при постоянной температуре печи ( ); второй период – выравнивание температур при условии постоянства температуры поверхности ( ). Нагрев – односторонний.

Первый период нагрева. Допустимая разность температур:

 град.

Для стали 45Х:

 

 

Тепловое сопротивление нагреваемого металла:

 

Так как температурные напряжения должны учитываться при нагреве стали до 500 , то определяем:

 

Допустимая температура печи при :

Температуру печи в первом периоде нагрева принимаем несколько ниже допустимой:  .

Разобьем первый период нагрева на два интервала по температуре поверхности: первый интервал – от   до  ; второй интервал – от   до  .

Первый интервал. Начальный тепловой поток:

 

где 1,1- коэффициент, учитывающий 10% на теплоотдачу конвекцией, так как температура дымовых газов выше 800  .

Тепловой поток в конце первого интервала:

 

Коэффициент теплоотдачи в начале нагрева:

 

Коэффициент теплоотдачи в конце первого интервала:

 

 

Среднее значение коэффициента теплопроводности:

 

Критерий Био:

 

Температурный критерий поверхности:

 

Критерий Фурье  =4,1. температурный критерий центра  =0,32.

Так как нагрев односторонний, то под температурой центра имеется ввиду температура нижней поверхности заготовки. Температура центра заготовки в конце первого интервала нагрева:

 

Уточняем значение коэффициента теплопроводности по приближенному значению  , а затем соответственно уточняем рассчитанные выше величины:

 

 

Критерий Фурье  3,9. Температурный критерий центра  0,35.

 

Перепад температур по сечению заготовки в конце первого интервала:

 

Средняя температура по сечению заготовки:

 

Расчетная теплоемкость в первом интервале:

 

Теплосодержание стали 45Х:

 

Среднее значение коэффициента температуропроводности в первом интервале:

 

Время нагрева в первом интервале:

 

Температура газа в начале нагрева:

 

Температура газа в конце первого интервала:

 

Температура кладки в начале нагрева

 

Где  температура кладки в конце нагрева; определяется при расчете второго интервала  ;

 

По опытным данным внутренняя поверхность кладки небольших камерных печей остывает за период выгрузки и загрузки материала на 100-150 град.

Второй интервал.

Расчет нагрева во втором интервале производиться так же, как и в первом. При расчете температурных критериев поверхности и центра  и  , а также расчетной теплоемкости вместо начальной средней температуры   в первом интервале нужно брать среднюю температуру металла в конце первого интервала нагрева  =671 .

Таким образом, тепловой поток в конце второго интервала:

 

 

 

Результаты расчета во втором интервале:

 = ;

 =425сек=0,11ч;

 = ;

 =950 ;

   .

Общее время нагрева в первом периоде:

 ч

Второй период нагрева. Степень выравнивания температур:

 

Коэффициент выравнивания температур при   для пластины  .

Среднее значение коэффициента теплопроводности во втором периоде:

 

Средняя температура в конце второго и третьего интервалов:

 

 

Расчетная теплоемкость во втором периоде:

 

Среднее значение коэффициента температуропроводности:

 

Продолжительность выравнивания температур:

 ч

Продолжительность выдержки при термообработке для завершения структурных превращений по литературным данным принимается равной примерно двойному времени выравнивания:

 ч

Окончательно принимаем  =1,11ч

Тепловой поток в конце выдержки:

 

Температура газа в конце выдержки:

 

Температура печи в конце выдержки:

 

Температура кладки в конце выдержки:

 

Общее время нагрева под закалку:

 

 

Максимальная разность температур между поверхностью и центром:

 

Время возникновения максимума:

 

Емкость печи:

 

Производительность печи:

 

Напряженность пода печи:

 

2.5 Тепловой баланс печи

Расходные статьи теплового баланса. Расход тепла на нагрев металла:

 

Находим тепло, аккумулированное кладкой печи. Футеровка печи состоит из шамота, причем толщина стен  , свода  .

Средняя температура внутренней поверхности кладки за первый период:

 

Средняя температура по сечению кладки:

 

Коэффициент теплопроводности шамота:

 

Теплоемкость шамота:

 

Тепло аккумулированное кладкой:

 

Размеры окна следующие: ширина b=1200мм, высота a=500мм, толщина кладки l=350мм.

Время посадки и выдачи принимаем по 7 мин ( ).

 

Потери тепла излучением при посадке:

Потери тепла излучением при выдаче:

 

Средняя температура уходящих газов:

 

Избыток воздуха в продуктах горения:

 

Теплосодержание дымовых газов при   и  ,

Потери тепла с уходящими газами:

 

Потери тепла теплопроводность через стены в первом периоде:

 

Принимаем  

Потери тепла через стены во втором периоде:

 

 

 

Потери тепла через свод в первом периоде:

 

Потери тепла через свод во втором периоде:

 

Суммарные потери тепла теплопроводностью:

 

Общие потери тепла и расход тепла на аккумуляцию:

 

Приходные статьи теплового баланса. Химическое тепло топлива:

 

Физическое тепло воздуха при  

 

Приравнивая приходные и расходные статьи теплового баланса, определяем среднечасовой расход топлива:

 

 

Таблица 2. Тепловой баланс камерной печи

Статья Приход тепла

Статья Расход тепла

МДж за период

%  МДж за период

%

Тепло от горения топлива

(26622*0,0018)

Физическое тепло воздуха

(177584*0,0018) 395,5

33,1 92,3

7,7 Тепло, усвоенное металлом

Потери тепла теплопроводностью

Тепло, аккумулированное кладкой печи

Потери тепла излучением

Потери тепла с уходящими газами (64000*0,004)  71,5

111,3

115

79

63 16,25

25,3

26,14

17,9

14,3

Итого 428,6 Итого 439,8

Невязка баланса: