加热炉的优化设计.doc
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1、技术设计2.1 燃料燃烧计算2.1.1 燃烧计算的目的及内容燃烧计算包括如下内容:燃料的低位发热量();单位燃料完全燃烧失的空气需要量();单位燃料完全燃烧时的燃烧产物量();燃烧产物的成分及其密度();理论燃烧温度()燃烧计算的目的是为加热炉设计提供必要的参数。计算空气需要量的目的在于合理有效地控制燃烧过程,合理地选择燃烧设备及鼓风机和供风管道系统、设计燃烧装置提供必要的依据。燃烧产物生成量及其密度的计算是设计烟道、烟囱系统,选用引风机等必不可少的依据。由燃烧产物成分的计算可以进行炉气黑度的计算,进而可做传热计算。理论燃烧温度是计算炉温的重要原始数据之一。在炉子的热量总消耗已知的情况下,根据
2、燃料的发热量即可求出总的燃料消耗量。2.1.2 燃烧计算的已知条件燃烧计算中必需的已知条件如下:1. 燃料的种类及成分:燃料种类:高炉煤气和转炉煤气高炉煤气成分:() 20 20 1.6 0.48 57.92 转炉煤气成分:() 55 6 1.8 0 37.2 2. 燃烧方法及空气消耗系数n由于采用蓄热式烧嘴,空气消耗系数取n1.053. 空气、燃料的预热温度。采用双预热空气煤气都预热到1000。2.1.3 燃料燃烧计算步骤1. 换算燃料成分对于固体、液体燃料,应先将已知的燃料成分(干燥成分、可燃成分等)换算成应用成分,才能继续进行以后的一系列计算、应用成分()干成分()应用成分()可燃成分(
3、)式中:为应用基水分的重量百分数;为应用基灰分的重量百分数。当气体以干成分给出时,也应将其换算成湿成分。将气体燃料的干成分换算为湿成分的换算系数k为:k而 100m3湿煤气中水蒸气的体积;m3相应温度下1 m3 干气体中所包含的水蒸气的重量,具体数值可由附表查的。由此可得高炉煤气的湿成分: 总计100由手册可查的20时每立方米煤气所包含的水蒸气量: 18.98则 2.30 k0.977高炉煤气的湿成分为:0.9772019.540.9772019.540.9771.61.560.9770.480.470.97757.9256.592.30总计100转炉煤气的湿成分为:0.97765.860.9
4、775553.740.9771.81.760.97737.236.342.30总计1002. 燃料低发热值的计算。高炉煤气的低发热值可根据其化学成分计算:127.7 107.6 358.8 127.719.54107.61.56358.80.472831.75 转炉煤气的低发热值根据其化学成分计算:127.7 107.6 127.753.74107.61.767051.2 3 空气消耗系数的确定。燃烧计算中应合理地选取空气过剩系数n 。空气消耗系数的选取与燃料的种类、燃烧方法以及燃烧装置的形式有关,参考如下:固体燃料:n1.201.50气体燃料:无焰烧嘴n1.021.05;有焰烧嘴n1.101
5、.20液体燃料:低压烧嘴n1.101.15;高压烧嘴n1.201.25蓄热式烧嘴属有焰烧嘴,取n1.114 单位燃料完全燃烧时空气需要量与燃烧产物量。高炉煤气的空气需要量及燃烧产物量理论空气需要量(): 0.0476(0.50.52-)0.0476(0.51.60.52020.48-0)0.560 (10.00124)0.56(10.0012418.98)0.573实际空气需要量() 1.110.5600.6221.110.5730.636实际燃烧产物量() 式中: 所以得:(19.540.4719.54) 0.01 0.396 (1.5620.472.30)0.010.001240.6361
6、8.980.0630.21(1.11-1)0.5600.013 (56.59790.636)0.011.068- 0.3960.0630.0131.0681.54 5 燃烧产物的成分与密度。燃烧产物的成分: 0.396/1.5410025.72 0.063/1.541004.09 0.013/1.541000.84 1.068/1.5410069.35 总计100燃烧产物的密度():1.419 6 理论燃烧温度 实际燃烧温度 1000时空气的平均定压比热 1.439120时空气的平均定压比热 1.3256 预热空气带入的物理热 n 1000-n20 1.111.43911000-1.111.3
7、256201567.97 1000时煤气的平均定压比热 (1.72502.31.39856.591.41519.541.3311.562.7000.472.21519.54)/1001.573620时煤气的平均定压比热 (1.646319.541.299556.591.52702.31.302219.541.27951.561.58350.47)/1001.374高炉煤气带入物理热量 1000-20 1.57361000-1.374201546.12先假设温度为2000,可查手册计算得燃烧产物的平均比热 (1.94494.091.485169.531.57140.842.371525.72)/
8、1001.735查得2000时蒸汽分解度分别为: 5.5; 5.55 可得 126455.525.721.54/100108025.554.091.54/100313.23可得理论燃烧温度:2108 与假设温度2000相比,理论温度高出108,所以理论燃烧温度再假设为2050。当燃烧温度为2050,可查手册计算得燃烧产物的平均比热 (1.96334.092.469969.531.57850.842.371525.72)/1001.7506由手册查得2050时蒸汽分解度分别为 7.4; 7.025 可得 126457.425.721.54/100108027.0254.091.54/100418
9、.40可得理论燃烧温度:2050 于假设温度相同,所以理论燃烧温度取2050。实际燃烧温度() 0.7220501476式中: 炉温系数,一般由如下经验数据选取:室状加热炉: 0.750.8 均热炉: 0.680.73 连续加热炉:炉底强度 200300,0.750.8炉底强度 400600, 0.70.75热处理炉: 0.650.7 本次加热炉炉底强度为570 所以可取 0.72 2.2 炉膛热交换炉膛热交换计算的主要目的是确定炉气经炉膛到炉料的总导来辐射系数C值,为钢坯加热计算提供必要的数据。工程上应用的计算式都是根据加热炉实际工况进行假设简化后的理想情况下得出的公式。这些假设条件是:(1
10、)炉气充满炉膛,且在整个炉膛内的温度是均匀的。炉气对于炉膛和钢坯的辐射线和反射线在任何方向上的吸收率相等;(2)炉壁和钢坯表面温度都是均匀的;(3)炉气以对流传热方式传给炉壁的热流在数值上等于炉壁向外的散热。在炉膛辐射热交换中炉壁只是辐射传热的中间体,既不获得热量也不失去热量,即炉壁的辐射差额热流等于零。炉壁有效辐射等于炉气、钢坯辐射给它的热量;(4)炉膛看作是一个封闭体系。由计算可知加热炉的炉温高于1000,且炉气为自然流动,所以炉膛热交换以辐射传热为主。2.2.1 预确定炉膛主要尺寸1 炉子的宽度取决于料坯的排数和长度,可利用下式来进行计算Bnl(n1)a (21)式中: B 炉子的内宽,
11、ma 每排料坯之间的间隙,一般去a0.20.3m对某些小钢坯考虑到脱模后残留尾部的影响,a值可适当取大些,但不应过大,否则会造成下部热气体严重上浮,下加热不足影响加热质量。因炉内为双排料,a值取0.25,可得加热炉炉宽B(n1)a23.300(21)0.257.35 m2 炉膛各段高度查表,对燃气中型加热炉,取1500,18003 炉膛各段长度:设加热段长度为,预热段长度为。2.2.2 各段平均有效射线行程炉气平均射线行程S决定于炉气容积大小,可按聂夫斯基的近似公式计算:S m (22)式中:V充满炉气的炉膛体积,m3;F包围炉气的炉膛内表面,;气体辐射有效系数,一般取0.850.9 。1.
12、计算各段充满炉气得炉膛体积, (23a) (23b) (23c)由上式可得:1.5007.3511.0251.5007.3511.0251.5007.3511.0252. 计算各段包围炉气的炉膛内表面 (24a) (24b) (24c)由上式可得:(21.57.35)10.35(21.57.35)1.035(21.57.35)1.035将计算结果分别带入式(2-2),并取0.9,得:3.83 3.83 2.2.3 炉气中和分压由燃料计算得:25.72/1000.2572大气压4.09/1000.0409大气压2.2.4 预确定各段炉气温度设加热段温度比加热终了时钢坯表面温度高60,即:5011
13、90601250设预热段温度950:设均热段温度为12502.2.5 各段炉气的黑度1. 炉气的黑度是指实际气体的辐射能力与同温度下黑体气体辐射能力的比值。气体中具有辐射能力的充分是、(汽)等三原子气体。所以炉气的黑度是气体黑度与(汽)黑度之和,即: (25)式中:水蒸气黑度修正系数;与(汽)共存时炉气黑度的修正系数。预热段炉气黑度由0.25723.830.985 查手册可得:0.21;0.04093.830.157由手册查得1.020.1220.160.1150.29813.831.142,由手册查得:0.045所以,预热段炉气黑度:0.210.160.0450.3252. 均热段炉气黑度由
14、0.25723.830.985 查手册可得:0.185;0.04093.830.157由手册查得1.020.120.1240.1370.29813.831.142由手册查得:0.044所以,加热段炉气黑度:0.1850.1240.0440.2652.2.6 各段炉墙和炉顶对钢坯的辐射角度系数对于平顶加热炉: (26a) (26b) (26c)由式(26a)、(26b)、(26c)可得0.63770.63770.63772.2.7 按炉气温度计算导来辐射系数C 的计算式: (27)取钢坯的黑度0.8,由式(27)可得:预热段导来辐射系数9.948 加热段导来辐射系数8.702 均热段导来辐射系数
15、与加热段辐射导来系数相等:8.7022.3 钢坯加热时间计算首先将三段连续加热炉用四个界面分成三个区段,即:钢坯入炉处(炉尾)为0界面;预热段终了、加热段开始处为1界面;加热段终了、均热段开始处为2界面;均热终了钢坯出炉处为3界面。则:01为预热段,12为加热段,23为均热段。计算顺序为界面3、2、1。2.3.1 均热段钢坯加热有关参数已知钢坯表面温度和最大断面温差,求算均热段炉气温度。计算依据(由加热工艺给出):钢坯表面温度1190钢坯最大断面温差501. 均热段为(第三类边界条件)所以其热传导微分方程式的解为: (31) (32)式中: 炉气温度,;加热终了时钢坯表面温度,;加热终了时钢坯
16、中心温度,;加热开始时钢坯断面平均温度,。若钢坯加热开始时断面温度呈抛物线分布,则钢坯断面平均温度可按下式求得:0.7 (33)已知:1190,50由式(33)可得:11900.7501155 2. 计算钢坯表面热流 (34)式中: 钢坯在加热终了时平均温度下的导热系数,;钢坯在加热终了时的断面温差,;2s透热深度,m 。查表可得钢坯平均温度为1155时的导热系数29.353.6105.66又已知50,2s0.18m,故由式(3-4)可得:1174003. 计算均热段炉气温度炉气温度可按下式计算: (35)由式(35)可得1258计算结果与假设均热段炉气温度相差很小(125012584),可以
17、不必重新设定和计算,故取12584. 钢坯在均热段加热时间: (36)式中: s透热深度,m;钢坯密度,钢坯在加热过程中热焓增量,;钢坯形状系数:平板:1圆柱:2球体:3通过钢坯表面热流密度,假设均热段开始时钢坯断面温差为150,则其断面平均温度为1190-0.715010851085时钢坯的比热0.6879 1155时钢坯的比热0.6904 钢坯热焓增量0.690411550.6879108561 1155时钢坯密度为7497 由式(36)可计算出钢坯在均热段加热时间0.45 h2.3.2 加热段钢坯加热有关参数加热段终了钢坯表面温度为1190,150由式(33)可得11900.715010
18、85计算钢坯表面热流查表可得钢坯平均温度为1085时的导热系数28.353.6102.06又已知加热段150,2s0.18m,故由式(3-5)可得:1170101. 计算加热段炉气温度由式(33)可得1248计算结果与假设加热段炉气温度相差很小(125012482),可以不必重新设定和计算,故取12482 钢坯在加热段加热时间:加热段开始时钢坯温度900断面温差为100,则其断面平均温度为900-0.7100830830时钢坯的比热0.7034 ,1085时钢坯的比热0.6879 钢坯热焓增量0.687910850.7034830162.6 830时钢坯密度为7618 ,1085时钢坯密度为7
19、497 所以加热段钢坯平均密度7557.5由式(36)可计算出钢坯在均热段加热时间1.06 h2.3.3 预热段钢坯加热有关参数查表可得钢坯平均温度为830时的导热系数25.93.693.24又已知预热段90,2s0.09m,故由式(3-5)可得:1864801. 计算预热段炉气温度由式(35)得:953计算结果与假设加热段炉气温度相差很小(9539503),可以不必重新设定和计算,故取9532. 钢坯在预热段加热时间:预热段终了时钢坯温度比加热段开始时低30即:预热段终了温度为870断面温差为100,则其断面平均温度为870-0.7100800钢坯装炉温度为600600时钢坯的比热0.590
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