3.3 Тепловой расчет печи

Расчет проводился по методике [4].

При проектировании печи тепловой баланс составляется с целью определения расхода энергоносителя: топлива в данном случае. Тепловой баланс термической печи представляет уравнение, связывающее приход и расход тепла. При составлении теплового баланса заданными считаются вид топлива, теплота сгорания, производительность печи, условия сжигания топлива.

Тепловой баланс печей непрерывного действия составляют по стадии нагрева и выдержки в единицах мощности (кВт).

3.3.1 Приходные статьи

3.3.1.1 Тепло, образующееся при сжигании топлива

кВт, (3.16)

где В – расход топлива, м³/с; - низшая (рабочая) теплота сгорания, Дж/м³.

кВт.

3.3.1.2 Физическое тепло, вносимое подогретым воздухом

кВт, (3.17)

где V_в – объем воздуха, подаваемый для сжигания 1 м³ газа (см. таблицу 3.2); - средняя теплоемкость воздуха (в интервале температур 0…t_в), Дж/(кг·К); - температура подогретого воздуха, °С

°С (3.18)

кВт.

3.3.2 Расходные статьи

3.3.2.1 Тепло, затраченное на нагрев металла

кВт, (3.19)

где G_М – масса нагреваемого металла, кг; τ_Н – время нагрева, ч.; и - средняя конечная и начальная теплоемкость металла садки (110Г13Л), кДж/кг∙К; t_Mк и t_Mн – конечная и начальная среднемассовые температуры металла, °С; t_Mк = 870 °С и t_Mн = 20 °С.

кВт.

3.3.2.2 Потери тепла на нагрев транспортирующих устройств

кВт, (3.20)

где Р_ТР – масса транспортирующих устройств, проходящих через зону нагрева, кг; и - средняя конечная и начальная теплоемкость материала (сталь 35Л) нагреваемой тары, 0,701 и 0,456 кДж/(кг∙К); t_ТРк и t_ТРн – конечная и начальная температуры нагреваемой тары, 1000 и 20 °С.

кВт.

3.3.2.3 Тепло, уносимое уходящими продуктами сгорания

, кВт, (3.21)

где V_ПС – объем продуктов сгорания полученный от сжигания 1 м³ газа, м³ (см. таблица 3.2); - средняя теплоемкость продуктов сгорания при °С, кДж/м³∙К; - температура продуктов горения, °С

, кВт.

3.3.2.4 Потери тепла теплопроводностью через кладку

Потери тепла через боковую стенку считаются по следующей формуле:

, Вт, (3.22)

где t_п – температура печи, 1100 ^оС;

α_ст.нар – коэффициент теплоотдачи излучением и конвекцией наружной поверхности печи в окружающую среду, Вт/(м²∙К); α_ст.нар = 12 Вт/(м²∙К);

S_i и λ_i – толщина, м, и коэффициент теплопроводности, Вт/м∙К, i-го слоя стенки;

- расчетная поверхность i-го слоя футеровки, м², определяется как среднегеометрическая из значений внутренней и внешней поверхности слоя:

, м², (3.23)

На рисунке 3.1 представлен эскиз кладки для расчета потерь тепла.

Рисунок 3.1. Эскиз кладки

Потери тепла через боковые стенки:

Огнеупорный слой – шамот класса Б (ШБ), теплоизоляционный слой – кирпич пенодиатомитовый ПД – 400.

Принимаем температуру на границе между первым и вторым слоем футеровки: t_1,2 = (0,8…0,9)∙t_П =0,8 ^. 1100 = 880 °С;

температура наружной поверхности печи: t_нар = 50 °С; температура окружающей среды: t_окр.ср. = 20 °С.

Тогда средние температуры слоев будут следующими:

(t_П + t_1,2)/2 = (1100 + 880) / 2 = 990 °С; (t_1,2 + t_нар )/2 = (880 + 50)/ 2 = 465 °С.

Коэффициенты теплопроводности слоев вычисляются по следующим формулам:

λ₁ = 0,923 + 0,438∙ ∙10^-3 Вт/м∙К; (3.24)

λ₂ = 0,077 + 0,314∙ ∙10^-3 Вт/м∙К; (3.25)

λ₁ = 0,923 + 0,438∙990 ∙10^-3 = 1,357 Вт/м∙К;

λ₂ = 0,077 + 0,314∙465 ∙10^-3 = 0,223 Вт/м∙К.

Толщины стенок в метрах следующие: S₁ = 0,48, S₂ = 0,115 м.

Средние площади поверхностей слоев вычисляются по формуле (3.23):

м²;

м².

Потери тепла теплопроводностью через боковую стенку рассчитываются по формуле (3.21):

Вт.

Проверка осуществляется по следующим формулам:

, °С; (3.26)

, °С. (3.27)

(3.28)

°С,

°С,

°С

Принимали t_1,2 = 880 °C и t_нар = 50 °С, расхождение составляет больше 10 °С, поэтому необходимо произвести пересчёт средних температур слоёв и , коэффициентов теплопроводности λ₁ и λ₂ и потери теплопроводностью через боковую стенку с t_1,2 = 632 °C и t_нар = 101 °С:

(t_П + t_1,2)/2 = (1100 + 632)/2 = 866 °С,

(t_1,2 + t_нар )/2 = (632 + 101)/ 2 = 367 °С,

λ₁ = 0,923 + 0,438∙866∙10^-3 = 1,302 Вт/м∙К,

λ₂ = 0,077 + 0,314∙367∙10^-3 = 0,192 Вт/м∙К.

Вт.

Производим проверку для полученных значений:

°С,

°С,

°С

Принимали t_1,2 = 632 °C и t_нар = 101 °С, расхождение составляет меньше 10 °С. В обоих случаях принятые температуры удовлетворяют условиям проверки, поэтому расчет потерь тепла теплопроводностью через стенку можно считать законченным.

Потери тепла через свод:

Огнеупорный слой – шамот класса Б (ШБ), теплоизоляционный слой – диатомит обожжённый в порошке (засыпке).

Принимаем температуру на границе между первым и вторым слоем футеровки: t_1,2 = (0,8…0,9)∙t_П =0,8 ^. 1100 = 880 °С;

Температура наружной поверхности печи: t_нар = 50 °С; температура окружающей среды: t_окр.ср. = 20 °С.

Тогда средние температуры слоев будут следующими:

(t_П + t_1,2)/2 = (1100 + 880) / 2 = 990 °С; (t_1,2 + t_нар )/2 = (880 + 50)/ 2 = 465 °С.

Коэффициент теплопроводности огнеупорного слоя вычисляется по формуле (3.24):

λ₁ = 0,923 + 0,438∙990∙10^-3 = 1,357 Вт/м∙К;

Коэффициент теплопроводности теплоизоляционного слоя рассчитывается по формуле:

λ₂ = 0,077 + 0,314∙ ∙10^-3 Вт/м∙К; (3.29)

λ₂ = 0,110 + 0,232·465∙10^-3 = 0,217 Вт/м∙К;

Толщины стенок в метрах следующие: S₁ = 0,23, S₂ = 0,20 м.

Средние площади поверхностей слоев вычисляются по формуле (3.23):

м²;

м².

Потери тепла теплопроводностью через свод рассчитываются по формуле (3.22):

Вт.

Проверка осуществляется по следующим формулам:

°С,

°С,

°С

Принимали и t_нар = 50 °С, расхождение составляет больше 10 °С, поэтому необходимо произвести пересчёт средних температур слоёв и , коэффициентов теплопроводности λ₁ и λ₂ и потери теплопроводностью через свод с t_1,2 = 887 °C и t_нар = 92 °С:

(t_П + t_1,2)/2 = (1100 + 887) / 2 = 994 °С;

(t_1,2 + t_нар )/2 = (887 + 92)/ 2 = 490 °С.

λ₁ = 0,923 + 0,438∙994∙10^-3 = 1,358 Вт/м∙К;

λ₂ = 0,110 + 0,232·490∙10^-3 = 0,224 Вт/м∙К;

Вт.

Производим проверку для полученных значений:

°С,

°С,

°С

Принимали t_1,2 = 887 °C и t_нар = 92 °С, расхождение составляет меньше 10 °С. В обоих случаях принятые температуры удовлетворяют условиям проверки, поэтому расчет потерь тепла теплопроводностью через свод печи можно считать законченным.

Потери тепла через под:

Огнеупорный слой – шамот класса Б (ШБ), теплоизоляционный слой – кирпич пенодиатомитовый ПД – 400.

Принимаем температуру на границе между первым и вторым слоем футеровки: t_1,2 = (0,8…0,9)∙t_П =0,8 ^. 1100 = 880 °С;

температура наружной поверхности печи: t_нар = 50 °С; температура окружающей среды: t_окр.ср. = 20 °С.

Тогда средние температуры слоев будут следующими:

(1100 + 880) / 2 = 990 °С; (880+50) / 2 = 465 °С.

Коэффициенты теплопроводности слоев вычисляются по формулам (3.24) и (3.25):

λ₁ = 0,923 + 0,438∙990∙10^-3 = 1,357 Вт/м∙К;

λ₂ = 0,077 + 0,314∙465 ∙10^-3 = 0,223 Вт/м∙К.

Толщины стенок в метрах следующие: S₁ = 0,23, S₂ = 0,15 м.

Средние площади поверхностей слоев вычисляемые по формуле (3.23) следующие:

м²;

м².

Потери тепла теплопроводностью через под считаемые по формуле (3.22):

6005,248 Вт.

Проверка осуществляется по следующим формулам:

°С,

°С,

°С

Принимали t_1,2 = 880 °C и t_нар = 50 °С, расхождение составляет больше 10 °С, поэтому необходимо произвести пересчёт средних температур слоёв и , коэффициентов теплопроводности λ₁ и λ₂ и потери теплопроводностью через под с t_1,2 = 902 °C и t_нар = 117 °С:

(t_П + t_1,2)/2 = (1100 + 902)/2 = 1001 °С,

(t_1,2 + t_нар )/2 = (902 + 117)/ 2 = 510 °С,

λ₁ = 0,923 + 0,438∙1001∙10^-3 = 1,361 Вт/м∙К,

λ₂ = 0,077 + 0,314∙510∙10^-3 = 0,237 Вт/м∙К.

кВт.

Производим проверку для полученных значений:

°С,

°С,

°С

Принимали t_1,2 = 902 °C и t_нар = 117 °С, расхождение составляет меньше 10 °С. В обоих случаях принятые температуры удовлетворяют условиям проверки, поэтому расчет потерь тепла теплопроводностью через под печи можно считать законченным.

кВт

3.3.2.5 Потери тепла, обусловленные тепловыми короткими замыканиями.

кВт, (3.30)

3.3.2.6 Аккумуляция тепла выдвижным подом

кВт, (3.31)

где ρ - плотность материала огнеупорного слоя пода, кг/м³; V - объем слоя, м³; - средняя конечная и начальная теплоемкость материала слоя, Дж/кг·К; - средняя конечная и начальная температура слоя, °C; τ_пр - время простоя пода вне печи, с.

°С (3.32)

Дж/кг·К (3.33)

°С (3.34)

Дж/кг·К (3.35)

кВт

3.3.2.7 Неучтенные потери:

Неучтенные потери принимаются равными 10…15% от суммы всех статей расходной части баланса без учета потерь тепла с уходящими продуктами сгорания и затрат на нагрев металла.

кВт, (3.36)

кВт.