Расчёт внешнего теплообмена в рабочем пространстве печи

Целью расчёта внешнего теплообмена является определение приведённого коэффициента излучения от газов и кладки на металл. Расчёт проводиться для верхней части рабочего пространства печи, для нижних зон значение коэффициента излучения принимается таким же. Для проведения расчёта необходимо определить размеры рабочего пространства печи.

Ширина рабочего пространства:

где n – число рядов заготовок, одновременно перемещающихся в рабочем пространстве печи,(n=1);

– расстояние между рядами движущихся заготовок или между торцами заготовок и боковыми стенками печи, м;

 l – длина заготовки, м;

Обычно число рядов принимают из конструктивных соображений равным одному или двум, имея в виду что отношение длины к ширине печи должно быть порядка 5-6. По данным В.А.Кривандина, если в печи одновременно находится менее двухсот заготовок, применяется однорядное расположение, а если более 400, то печь выполняют трёхрядной.

Средняя высота рабочего пространства печи принимаем:

.

Или по практическим данным:

в сварочной зоне – h_св = 2 м.

В методической зоне – h_мет = 1,5 м.

Площадь пода печи:

где L_св , L_мет – соответственно длины сварочной и методической зон, м.

Внутренняя поверхность стен и свода:

Суммарная поверхность кладки и металла, окружающих газовый объем:

Объем заполняемого газом рабочего пространства:

Средняя эффективная длина луча:

Парциальное давление газов:

Степень черноты газов ε и ε  в сварочной и методической зонах определяем по приложениям 5 и 6.

ε _{= 0,09;}

ε _{= 0,13;}

ε _{= 0,09;}

ε  _{= 0,13.}

Температуру газов в сварочной зоне считаем постоянной, предварительно её можно принять на 50  выше температуры поверхности металла в конце нагрева.

Температура газов в сварочной зоне:

Средняя температура газов в методической зоне:

где температура уходящих газов ( ).

Степень черноты продуктов сгорания:

ε  ε _+β∙ ε _;

ε  ε _+β∙ ε _.

где β­- поправочный коэффициент, определяем по приложению 7.

ε _{0,09+0,9∙0,13=0,207;}

ε _{0,09+0,9∙0,13=0,207.}

Угловой коэффициент излучения кладки на металл:

Общая степень черноты системы газ-кладка-металл:

в сварочной зоне:

в методической зоне:

Степень черноты металла  = 0,8.

Приведенный коэффициент излучения от газов и кладки металла:

 Вт/(м²·К⁴),                                

 Вт/(м²·К⁴),                                

Расчёт нагрева металла

Для облегчения расчёта нагрева металла для высокоуглеродистой стали построим зависимость теплосодержания i (рис. 3) и коэффициента теплопроводности λ (рис.2) от температуры.

Температура,

Рис.2. Зависимость λ = f(t)

Температура,

Рис.3. Зависимость i = f(t)

Среднемассовая конечная температура заготовки:

,

 где  – заданный конечный перепад температур в заготовке

Удельный тепловой поток к поверхности металла в конце нагрева:

 Вт/м².                                             

где λ– коэффициент теплопроводности металла при ;

S – геометрическая толщина металла, м.

Определяем из рис. 2: λ = ;

Расчетная температура газов в сварочной зоне:

Коэффициент использования химической энергии топлива (КИТ) в сварочной зоне:

η

где  – количество тепла, уносимого уходящими газами из сварочной зоны.

где  – энтальпия продуктов сгорания, соответствующая температуре.

 – количество тепла излучаемого из сварочной зоны в методическую.

кВт,

 – удельный тепловой поток излучения ( = 100кВт/м²);

 – площадь поперечного сечения рабочего пространства на границе сварочной и методической зон.

 – общая тепловая мощность печи:

где  – удельный расход тепла (для предварительного расчёта выбираем b=2500 кДж/кг);

G – производительность печи, кг/ч.

 η
КИТ в печи:

η

 – количество тепла, уносимое уходящими газами из печи,

где  – энтальпия продуктов сгорания, соответствующая  ;

η .

Изменение теплосодержания металла в печи:

,

где i₀, i₃ – теплосодержание металла, соответствующее начальной t₀ и конечной

 температурам, кДж/кг.

Изменение теплосодержания металла вместе с образовавшейся окалиной:

где δ – угар металла. (δ=2 %);

С_ок  – теплоемкость окалины, С_ок = 1 кДж/(кг·К);

m – коэффициент, учитывающий сколько окалины образуется из окисления 1 кг железа; (m = 1,38).

Приращение теплосодержания металла в методической зоне:

∆i_I = ∆i'·( 1 -η_кит^св/η_кит ), кДж/кг.

∆i_I = 590,8·( 1 - 0,462/0,64 ) = 164,3 кДж/кг.                                                                                         

Приращение теплосодержания в сварочной зоне:

Нагрев металла в методической зоне

Удельный тепловой поток в начале зоны:

Удельный тепловой поток в конце зоны:

где  – средняя температура металла в конце методической зоны, соответствующая:

Из рис.3: Т_М1=320+273=593 К.

λ – теплопроводность металла, соответствующая температуре ,

λ

Уравнение для  решается методом последовательных приближений. В первом приближении находим , полагая . Затем, подставив полученное значение , получаем уточнённое . Окончательное значение  определяется после подстановки в уравнение .

Температура поверхности металла в конце зоны:

t_п1 = t_м1 + q₁·S/3·λ, °C.                                              

Перепад температур по сечению металла в конце зоны:

∆t₁ = q₁·S/2·λ, °C.

                                    
Температура оси металла в конце зоны:

Средний тепловой поток в методической зоне:

Время нагрева металла в методической зоне:

час,

0,387 час.                                       

где ρ - плотность металла, кг/м³; ρ = 7800 кг/м³;

k_ф - коэффициент формы (для пластины k_ф = 1).