Залежності необхідні розрахунку теплового балансу печі розглянуті в п
Міністерство освіти і науки України Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"
Методичні вказівки для самостійної роботи та
практичних занять з курсу «Технологія нагрівання та нагрівальні пристрої ковальсько-штампувальних цехів»
Укладачі: В.І. Кузьменко. Ю.С. Тихомиров. Рецензент: В.М. Левченко Кафедра "Обробка металів тиском"
1. ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ КУРСУ………………………………… …………6
1.2. Паливо. Вид, склад та розрахунок горіння. …………………………………… 7
1.2.2. Теплота згоряння палива…………………………………………………… 8
1.3. Паливоспалюючі пристрої………………………………………………11
1.3.1. Вимоги до пальників, форсунок та їх ласифікація……. …….…11
1.4. Розрахунок нагріву та охолодження металу…………………………………. ……13
1.4.1. Температурні режими нагріву сталевих виробів у печах……….……13
1.4.2. Аналіз рішення диференціального рівняння теплопровідності. 14
1.5. Вогнетривкі матеріали……………………………………………………… 15
1.5.1. Основні класифікаційні ознаки вогнетривких матеріалів……………………………………………………………………. .……15
1.5.3. Будівельні матеріали…………………………………………. … ……17
1.6. Елементи нагрівальних печей………………………………………..……19
1.6.1. Фундаменти і футерування печей……………………………………………19
1.6.3. Рами, заслінки робочих вікон та механізми підйому заслінок……. …20
1.8. Полум'яні нагрівальні печі……………………………………….……21
1.8.1. Вимоги до печей. Класифікація печей…….…… 21 1.8.2. Камерні печі з постійною температурою робочого простору….….22
1.9. Основи проектування печей…………………………………….…………24
1.9.2. Порядок проектування печей………………………………………… …25
1.9.3. Визначення основних розмірів печі……………………………….……27
1.10. Визначення витрати палива. Тепловий баланс печі………………….…28
2. ЗАВДАННЯ. ДАНІ ДЛЯ ВИКОНАННЯ ЗАВДАННЯ……………. ……. 29
3. РОЗРАХУНОК ГОРЕННЯ ПАЛИВА………………………………………… …. …29
3.1. Розрахунок горіння газоподібного палива…………………………………… .…29 3.1.1 Склад заданого виду палива ………………………………………… …..29 3.1. 2 Визначення кількості повітря необхідного для повного згоряння палива…………………………………………………………… …. …29
3.1.3 Кількість та склад продуктів горіння (ПГ) …………………………. …30
3.1.4 Визначення температури горіння палива………………………… ……..31 3.2. Розрахунок горіння рідкого палива………………………………………… . …33
3.2.1 Визначення складу робочої маси палива заданого виду……… …….33
3.2.2 Склад робочої маси палива заданого виду……………………… …….33
3.2.3 Визначення кількості повітря необхідного для повного
3.2.4 Кількість та склад продуктів горіння (ПГ) …………………………. …34
3.2.5 Визначення температури горіння палива………………………… …..…36
4. РОЗРАХУНОК ЧАСУ НАГРІВУ ЗАГОТОВКИ У КАМЕРНІЙ ПЕЧІ……. 37 4.1. Вибір температурного режиму кування:………………………………….…….37
4.1.1. Температура початку кування і кінця кування (tн.к., tк.к.)……………………..37
4.1.2. Температура робочого простору печі……………………………. ..…..38
4.1.3. Температура кінця нагрева…………………………………………… …….38
4.1.4. Температура початку нагрівання tм.н……………………………………………38 4.2 Критерій Біо…………………………………………………………… …… …38 4.3. Визначення часу нагрівання…………………………………………………40
4.3.1. Аналітичний розрахунок часу нагріву заготовок…………………. ……40
4.3.2. Визначення часу нагріву заготовок у печі за довідковими даними……………………………………………………………………………….42
4.3.3. Виконати розрахунок на ЕОМ, за допомогою програми ² Камерне нагрівання ²………………………………………………………………………..………43
5. ВИЗНАЧЕННЯ РОЗМІРІВ РОБОЧОГО ПРОСТОРУ ПЕЧІ……….43
5.1. Вагова продуктивність печі…………………………………….………43
5.4. Коефіцієнт завантаження пода………………………………………. …………43
5.6. Вагова продуктивність пода…………………………………….………44
5.7. Остаточне визначення розмірів робочого простору печі……….44
5.8. Остаточна площа пода…………………………………….……………45
6. ВИБІР КЛАДКИ. КОМПАНІВКА ПЕЧІ……………………………………46
6.4. Розміри вікна завантаження/вивантаження……………. …………………….……. …48
7. ТЕПЛОВИЙ БАЛАНС. ВИЗНАЧЕННЯ ВИТРАТИ ПАЛИВА……………49
7.1. Прибуткові статті балансу…………………………. ………….…… …….…49
7.1.1. Хімічна теплота палива……………………………………………. …49
7.1.2. Тепло, що вноситься підігрітим повітрям (фізичне)…………………….. 49
7.1.3. Тепло від екзотермічної реакції горіння заліза………………….……49
7.2. Витратні статті балансу…………………………………………………. …49
7.2.1. Тепло витрачається на нагрівання стали…………………………………….…49
7.2.2. Втрати тепла з газами………………. ……………… ……….49
7.2.3. Втрати тепла від хімічної неповноти згоряння палива…………….…50
7.2.4. Втрати тепла через кладку, відкрите вікно та інші втрати………. ……50
7.3 Рівняння теплового балансу………………. …………… …………… …….53
8. ОСНОВНІ ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНІ ПОКАЗНИКИ РОБОТИ ПЕЧІ…………………………………………………………………………………54
8.3 Питома витрата палива………………………………………………………54
8.4 Питома витрата умовного палива………………. ………………… ….…54
8.5. Напруженість площі пода…………………. ………… ………… …. …54 9.ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ………………. ……………..………… ……. 55
Додаток 1 Питома вага сталей……………………………………………….56 Додаток 2 Середня питома теплоємність сталей……………………..……57 Додаток 3Варіанти завдань……………………………………………..…. 58 Додаток 4 Приклад розрахунку………………………………………….………. 62
Методичні вказівки передбачають вироблення навичок вирішення практичних завдань теплотехніки та виконання самостійної роботи з проектування полум'яних печей ковальсько-штампувального виробництва студентами у процесі вивчення курсу “Технологія нагріву та нагрівальні пристрої ковальсько-штампованих цехів”. Служить для закріплення знань, здобутих студентами на лекційних заняттях та у процесі вивчення спеціальної літератури. Методичні вказівки містять індивідуальні завдання, основні положення для виконання роботи, приклади розрахунку для всіх етапів проектування нагрівальної печі, значний обсяг довідкових даних та визначають порядок виконання завдання та оформлення роботи.
1. ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ КУРСУ
1.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ НАГРІВУ
Найважливіші характеристики нагріву сталі - кінцева температура нагріву, швидкість процесу, перепад (різниця) температур перерізу заготовки або зливка. Вони визначають економічність процесу нагріву і якість заготовок, що нагріваються.
Під температурою нагрівання стали розуміють кінцеву температуру поверхні в процесі нагрівання. Її значення визначається хімічним складом сталі (маркою сталі), і нагріву, тобто. нагрівання для термообробки або обробки металів тиском (гаряча або напівгаряча).
Термічну обробку використовують для отримання необхідних механічних властивостей сталевих заготовок, поковок та виробів. Процес термообробки полягає в нагріванні виробу до певної температури, витримці з метою вирівнювання температур перерізу і подальшому повільному або швидкому охолодженні. Температура нагрівання під термообробку нижче, ніж під тиском. Для вуглецевих тамалолегованих сталей не перевищує 900 °З.
Нагрівання під кування і штампування застосовують для підвищення пластичних властивостей сталі і зниження витрати енергії на формоутворення поковки Слід враховувати що при передачі заготовок до пресу або молота і в процесі обробки вони остигають, тому температура нагрівання сталі завжди повинна бути на 50-100 о С вище температури кування. Температура нагрівання сталі під кування коливається в межах 1150-1350 ° С і визначається діаграмою стану сталі. Допустима температура нагрівання стали залежать від її хімічного складу. При вмісті вуглецевої сталі 1,1% вуглецю температуру нагріву приймають рівною 1100 °С. Для цієї сталі температура перепалу дорівнює 1180 °С. Якщо сталь містить 0,1% вуглецю, то температура нагріву підвищується до 1350°С, а перепал до 1490°С. Для практичного використання ці дані наведені в довідниках з кування та об'ємного штампування []. Підвищення температур нагріву обмежується небезпекою перегріву або перепалу сталі, тобто. отримання поправки або невиправного шлюбу поковки.
Перегрів виникає при нагріванні в область гранично допустимих температур та наступної витримки, що призводить до зростання зерен та зниження механічних властивостей сталі. Схильність сталі до перегріву залежить від її хімічного складу. Мало схильні до перегріву сталі, леговані алюмінієм, ванадієм та цирконієм. Структуру перегрітих сталевих заготовок можна виправити наступним термічним обробленням (нормалізацією або термопокращенням) або додатковою пластичною деформацією.
Причиною перепалу є висока температура нагріву (що перевищує допустиму) та тривала витримка. В результаті чого
відбувається окислення заліза та оплавлення легкоплавких евтектик на межах зерен, зв'язок між зернамислабшає, сталь втрачає пластичність, стає крихкою і втрачає суцільність у разі подальшого кування. Перепалені заготовки відправляють на переплавлення в сталеплавильні цехи (невиправний шлюб).
Велике значення має також швидкість нагрівання, тобто швидкість зміни температури тіла. Розрізняють швидкість нагрівання в даний момент часу і за якийсь період. Процес нагрівання слід проводити з максимально допустимою швидкістю, що забезпечує підвищення продуктивності печі, зниження окиснення та зменшення витрати палива. Підвищення температури пічних газів та збільшення коефіцієнта теплопередачі дозволяє прискорити нагрів у полум'яних печах. Коефіцієнт теплоперетдачі можливо збільшити, наприклад, за рахунок збільшення швидкості руху газового потоку, інтенсивної циркуляції теплоносія по поверхні тіла, або переходу до променистого теплообміну шляхом використання радіаційних пальників випромінюючих склепіння і пода.
Нагрівання заготовок здійснюють у спеціальному тепловому пристрої, що називається піччю. Конструкції печей різноманітні. Ця робота присвячена нагріванню заготовок у полум'яних печах, тобто. таких, у яких як джерело тепла використовують рідке та газоподібне паливо. Заготівлі для штампування поковок машинобудівного виробництва мають відносно невеликі розміри і виготовляють їх, в основному, з вуглецевих і низько-і середньолегованих сталей, що дозволяє віднести їх до термічно «тонких» або близьких до них тіл, які нагрівають з використанням камерного режиму при постійній температурі робочого простору печі Заготівлі великих розмірів, а також заготівлі з високолегованих сталей гріють з використанням методичного та напівметодичного режимів нагріву.
Розрахунок та проектування печі включають: розрахунок горіння палива,визначення температури горіння, розрахунок часу нагріву, компонування та визначення розмірів робочого простору печі, вибір вогнетривких матеріалів та кладки печі, використання вторинного тепла, обчислення основних зовнішніх розмірів печі та теплового болансу з основними показниками роботи спроектованої печі та її ескіз.
1.2.ПАЛИВО. ВИГЛЯД, СКЛАД І РОЗРАХУНОК ГОРЕННЯ.
1.2.1. ВИГЛЯД І СКЛАД ПАЛИВА
Паливо - палива речовина, що виділяє при згорянні значну кількість теплоти і використовуване як джерело одержання енергії.
Паливо по агрегатному стану поділяють на тверде, рідке та газоподібне. Воно може бути природним, що використовується в тому стані,
якому воно знаходиться в природі, та штучним, переробленим з природних видів палива.
До твердого природного палива, що застосовується для опалення різних печей, відносять дрова, торф, антрацит, буре та кам'яне вугілля; до твердого штучного палива - деревне вугілля, кокс, термоантрацит, брикети та пил з бурого та кам'яного вугілля. Як рідке штучне паливо використовують мазут і різні смоли. Газоподібне паливо може бути природним, наприклад природний газ, і штучним, наприклад гази, одержувані в доменних печах (доменний або колошниковий), коксових печах (коксовий) і в газогенераторах (генераторний).
Для опалення ковальських, прокатних та термічних печей використовують тільки газоподібні та рідкі палива.
1.2.2. ТЕПЛОТА ЗГОРЯННЯ ПАЛИВА
Теплотою називають ту кількість теплоти Q, кДж, що виділяється при повному згорянні 1 кг рідкого або 1 м3 газоподібного палива.
Залежно від агрегатного стану вологи в продуктах згоряння розрізняють найвищу та нижчу теплоту згоряння. Якщо у продуктах згорянняволога знаходиться в рідкому вигляді, то теплота згоряння буде вищою: Q B; при пароподібному стані вологи теплота згоряння буде нижчою: Q H .
Волога в продуктах згоряння рідкого палива утворюється при горінні водню НР, а також при випаровуванні початкової вологи палива WР. До продуктів згоряння потрапляє також і волога повітря, використаного для горіння. Однак її зазвичай не враховують. При вмісті палива Н Р кг водню при горінні утворюється 9Н Р кг вологи. При цьому в продуктах згоряння міститься (9Н Р + W Р) кг вологи. На перетворення 1 кг вологи на пароподібний стан витрачається
2500 кДж теплоти. Якщо конденсація водяної пари не відбудеться, то теплота, витрачена на випаровування вологи, не буде використана. І тут отримаємо нижчу теплоту згоряння. Зазвичай у печах температура газів значно вища за температуру конденсації водяної пари. Тому основною характеристикою палива буде найнижча теплота згоряння.
Теплота згоряння (кДж) може бути віднесена до будь-якої маси палива, але найчастіше її відносять до робочої маси.
Можна записати, що
Q H P = Q B P 25− ( H P W P )
Існує два методи визначення теплоти згоряння: експериментальний та розрахунковий.
При експериментальному визначенні теплоти згоряння навішування палива спалюють у приладах, які називають калориметрами. Теплота, що виділяється під час горіння палива, поглинається водою. Знаючи масу води, зміни її температури можна обчислити теплоту згоряння. Гідність методу – його простота. Для визначення теплоти згоряння з цього методу достатньо мати дані технічного аналізу.
При використанні розрахункового, швидше методу теплоту згоряння визначають за формулами, але для цього потрібні дані елементарного аналізу. Існує велика кількість формул, аледля рідкого та твердого палива частіше використовують формулу Д. І. Менделєєва: