5 Расчет времени нагрева металла

Расчет производим по методике [5]

Исходные данные:

• 

• 

• масса заготовки - 20 кг,

• размер поддона – 1,0х0,6 ,

• 

• ;

• 

• .

Принимаем, что заготовка имеет квадратное сечение, характерный размер заготовки

Средний за время нагрева коэффициент теплоотдачи излучением находится по формуле, Вт/(м²∙град):

Приведенный коэффициент излучения системы газ-кладка-металл находим из формулы, :

Угловой коэффициент для данной системы:

В расчете на 1 метр:

Эффективная толщина излучающего газового слоя:

Произведение парциального давления на эффективную длину луча:

Согласно методике [6] по номограммам определяем степень черноты газов при , . Поправочный коэффициент . Тогда

Приведенный коэффициент излучения

Средний за время нагрева коэффициент теплоотдачи излучением:

Тогда

Для расчета времени нагрева необходимо определить критерий Био:

из этого следует, что тело теплотехнически тонкое, расчет времени нагрева ведем по формуле:

где – средняя конечная теплоемкость тела,

и – начальная и конечная температура металла, ;

- температура печи,

Определяем время нагрева металла:

Принимаем время нагрева 3 часа.

6 Тепловой баланс печи

Расчет произведен по методике [6]

Исходные данные:

• 

• 

• 

• ,

• 

• 

• 

• 

• 

• 

6.1 Приходные статьи

6.1.1 Тепло, образующееся при сжигании газового топлива, кВт:

где - расход топлива, ;

- низшая (рабочая) теплота сгорания топлива, .

Зона нагрева:

Зона выдержки:

6.1.2 Физическое тепло, вносимое подогретым топливом, кВт:

где - объем продуктов сгорания, получаемый при сжигании 1 газового топлива с коэффициентом расхода воздуха , ;

- конечная и начальная температура газового топлива, ;

- конечная и начальная теплоемкость газового топлива, .

Зона нагрева:

Зона выдержки:

6.2 Расходные статьи

6.2.1 Тепло затраченное на нагрев металла, кВт:

где - масса нагреваемого металла, кг;

- средняя конечная и начальная теплоемкости металла, ;

- конечная и начальная среднемассовые температуры металла, .

6.2.2 Потери на нагрев тары или транспортирующих устройств, кВт:

где - масса транспортирующих устройств, проходящих через зону нагрева за время нагрева садки, кг;

- средняя конечная и начальная теплоемкость материала транспортирующих устройств, ;

- конечная и начальная теплоемкость материала транспортирующих устройств, .

Конечную температуру транспортирующего устройства принимаем равной конечной температуре нагрева поверхности металла.

6.2.3 Тепло уносимое дымовыми газами (уходящими продуктами сгорания топлива), кВт:

где - объем уходящих дымовых газов, получаемых от сгорания 1 газового топлива, ;

- температура уходящих дымовых газов, ;

- теплоемкость уходящих дымовых газов, .

Зона нагрева:

Зона выдержки:

6.2.4 Тепло, теряемое вследствие теплопроводности кладки печи, Вт:

Потери тепла в результате теплопроводности через боковые стены, свод, под и заслонку определяется по уравнению для плоской многослойной стенки при стационарном режиме работы печи (при температуре окружающей среды ), Вт:

где - температура печи, ;

- коэффициент теплоотдачи излучением и конвекцией наружной поверхности печи в окружающую среду, в зависимости от ориентации стенки и ее наружной температуры принимаем

- толщина слоя стенки, м;

- средний коэффициент теплопроводности слоя стенки,

- средняя расчетная поверхность слоя футеровки, ; определяется как среднегеометрическая из значений внутренней и внешней поверхности слоя футеровки, ,

Эскиз футеровки и схема распределения температур по слоям футеровки приведены на рисунке 6.1

Рисунок 6.1 Эскиз футеровки и схема распределения температур по слоям футеровки

Коэффициенты теплопроводности огнеупорных и теплоизоляционных материалов рассчитывают по формуле типа где - постоянные характеризующие материал; - средняя температура слоя, .

Начальный выбор температур на границах раздела слоев стенки и наружной поверхности печи производится следующим образом:

1. принимаем температуру на границе между первым изнутри печи и вторым слоями футеровки

, (6.9)

2) температуру наружной поверхности печи для начального расчета принимаем равной 50

3) температуру окружающей среды принимаем равной 20 .

На основании принятых температур находится средняя температура каждого слоя . Выбрав материал каждого слоя, находим средний коэффициент теплопроводности для этой температуры. Затем для плоских стенок определяется средняя поверхность каждого слоя по формуле (6.8) и рассчитывается тепловой поток.

Далее производится проверка ранее принятых температур границ раздела слоев футеровки и наружной стенки печи по формулам, :

Потери тепла в результате теплопроводности через свод

Зона нагрева:

Кладка печи состоит из: огнеупор – шамот класса Б (ШБ), толщина огнеупора 0,23 м и теплоизоляция – кирпич пенодиатомитовый ПД-400, толщина теплоизоляции 0,23 м.

Принимаем температуру на границе между первым изнутри печи и вторым слоями футеровки по формуле (6.9):

В соответствии с принятыми средними температурами каждого слоя и выбранными материалами каждого слоя находится коэффициент теплопроводности .

Для шамота класса Б (ШБ) коэффициент теплопроводности для кирпича пенодиатомитового ПД-400

Рассчитываем поверхность каждого слоя футеровки:

где - ширина печи, м;

- длина слоя футеровки, м.

По формуле (6.8) определяем среднюю расчетную поверхность слоя футеровки:

Потери тепла в результате теплопроводности через свод в зоне нагрева определяем по формуле (6.7):

Проведем проверку принятой температуры по формулам (6.10)…(6.12):

Рассчитанная температура превышает заданную, поэтому принимаем температуру ;

.

Отличие полученных значений температур от принятых составляет менее ±10 °С. Расчёт потерь тепла через свод для зоны нагрева можно считать оконченным.

Зона выдержки:

Принимаем температуру на границе между первым изнутри печи и вторым слоями футеровки по формуле (6.3):

В соответствии с принятыми средними температурами каждого слоя и выбранными материалами каждого слоя находится коэффициент теплопроводности .

Для шамота класса Б (ШБ) коэффициент теплопроводности для кирпича пенодиатомитового ПД-400

Рассчитываем поверхность каждого слоя футеровки по формуле (6.2):

По формуле (6.2) определяем расчетную поверхность слоя футеровки:

Потери тепла в результате теплопроводности через свод в зоне нагрева определяем по формуле (6.1):

Проведем проверку принятой температуры по формулам (6.4)…(6.6):

Отличие полученного значения температуры от принятого составляет менее ±10 °С.

6.1.2.4.2. Потери тепла в результате теплопроводности через под

Зона нагрева:

Кладка печи состоит из: огнеупор – шамот класса Б (ШБ), толщина огнеупора 0,43 м и теплоизоляция – кирпич пенодиатомитовый ПД-400, толщина теплоизоляции 0,43 м.

Принимаем температуру на границе между первым изнутри печи и вторым слоями футеровки по формуле (6.3):

В соответствии с принятыми средними температурами каждого слоя и выбранными материалами каждого слоя находится коэффициент теплопроводности .

Рассчитываем поверхность каждого слоя футеровки по формуле (6.2):

По формуле (6.2) определяем расчетную поверхность слоя футеровки:

Потери тепла в результате теплопроводности через свод в зоне нагрева определяем по формуле (6.1):

Проведем проверку принятой температуры по формулам (6.4)…(6.6):

Рассчитанная температура превышает заданную, поэтому принимаем температуру и :

Отличие полученных значений температур от принятых составляет менее ±10°С. Расчёт для пода зоны нагрева можно считать оконченным.

Зона выдержки:

Принимаем температуру на границе между первым изнутри печи и вторым слоями футеровки по формуле (6.3):

В соответствии с принятыми средними температурами каждого слоя и выбранными материалами каждого слоя находится коэффициент теплопроводности .

Рассчитываем поверхность каждого слоя футеровки по формуле (6.2):

По формуле (6.2) определяем расчетную поверхность слоя футеровки:

Потери тепла в результате теплопроводности через свод в зоне нагрева определяем по формуле (6.1):

Проведем проверку принятой температуры по формулам (6.4)…(6.6):

Рассчитанная температура превышает заданную, поэтому принимаем температуру ;

Отличие полученных значений температур от принятых составляет менее ±10°С. Расчёт для пода можно считать оконченным.

6.1.2.4.3. Потери тепла в результате теплопроводности через боковые стенки

Зона нагрева:

Кладка печи состоит из: огнеупор – шамот класса Б (ШБ), толщина огнеупора 0,23 м и теплоизоляция – кирпич пенодиатомитовый ПД-400, толщина теплоизоляции 0,23 м.

Принимаем температуру на границе между первым изнутри печи и вторым слоями футеровки по формуле (6.3):

В соответствии с принятыми средними температурами каждого слоя и выбранными материалами каждого слоя находится коэффициент теплопроводности .

Рассчитываем поверхность каждого слоя футеровки по формуле (6.2):

По формуле (6.2) определяем расчетную поверхность слоя футеровки:

Потери тепла в результате теплопроводности через свод в зоне нагрева определяем по формуле (6.1):

Проведем проверку принятой температуры по формулам (6.4)…(6.6):

Рассчитанная температура превышает заданную, поэтому принимаем температуру :

Т.к. температура наружной поверхности превышает , необходимо установить загорождения вокруг печи.

Зона выдержки:

Принимаем температуру на границе между первым изнутри печи и вторым слоями футеровки по формуле (6.3):

В соответствии с принятыми средними температурами каждого слоя и выбранными материалами каждого слоя находится коэффициент теплопроводности .

Рассчитываем поверхность каждого слоя футеровки по формуле (6.2):

По формуле (6.2) определяем расчетную поверхность слоя футеровки:

Потери тепла в результате теплопроводности через свод в зоне нагрева определяем по формуле (6.1):

Проведем проверку принятой температуры по формулам (6.4)…(6.6):

Рассчитанная температура превышает заданную, поэтому принимаем температуру ;

Т.к. температура наружной поверхности превышает , необходимо установить загорождения вокруг печи.

6.1.2.4.4. Потери тепла в результате теплопроводности через заслонку

Заслонка состоит из: огнеупор – шамот класса Б (ШБ), толщина огнеупора 0,085 м и теплоизоляция – кирпич пенодиатомитовый ПД-400, толщина теплоизоляции 0,085 м.

Принимаем температуру на границе между первым и вторым слоями футеровки по формуле (6.3):

В соответствии с принятыми средними температурами каждого слоя и выбранными материалами каждого слоя находится коэффициент теплопроводности .

Рассчитываем поверхность каждого слоя футеровки по формуле (6.2):

По формуле (6.2) определяем расчетную поверхность слоя футеровки:

Потери тепла в результате теплопроводности через свод в зоне нагрева определяем по формуле (6.1):

Проведем проверку принятой температуры по формулам (6.4)…(6.6):

Рассчитанная температура превышает заданную, поэтому принимаем температуру ;

Т.к. температура наружной поверхности превышает , необходимо установить ограждения вокруг печи.

В итоге тепло, теряемое вследствие теплопроводности кладки печи, рассчитываем по формуле:

Зона нагрева:

Зона выдержки:

6.1.2.5. Потери тепла излучением через открытые отверстия, кВт:

где - коэффициент диафрагмирования ;

- коэффициент излучения абсолютно черного тела, ;

- площадь открытого окна или щели, ;

– доля времени, когда окно открыто,

где - время, когда окно открыто, мин;

- время цикла, которое складывается из времени загрузки, нагрева, мин;

- степень черноты внутренней поверхности стенок печи,

.

Площадь открытого окна:

Коэффициент диафрагмирования определяем по методическому пособию [4], исходя из соотношения

6.1.2.6. Потери тепла через тепловые короткие замыкания, кВт:

где - потери теплопроводности через кладку, кВт;

- коэффициент, для проходных печей принимаем 0,25.

Зона нагрева:

Зона выдержки:

6.1.2.7. Неучтенные потери принимаем равными 10 % для зоны нагрева и 15 % для зоны выдержки от суммы всех статей расходной части баланса без учета потерь тепла с уходящими продуктами сгорания и затрат на нагрев металла, кВт:

Зона нагрева:

Зона выдержки:

Расход топлива определяется из уравнения теплового баланса. Расход топлива находится для стадии нагрева и для стадии выдержки.

Зона нагрева:

,

Зона выдержки:

,

Исходя из расхода топлива, выбираем горелки типа “труба в трубе” ДВС .

Соответственно, в зависимости от расхода топлива, статьи теплового баланса на стадии нагрева будут равны:

Зона выдержки:

Таблица 6.1 Тепловой баланс печи

Статьи теплового баланса термической печи непрерывного действия	Зона
	нагрева			выдержки
	N, кВт	%	N, кВт		%
СТАТЬИ ПРИХОДА ТЕПЛА
Сжигание топлива	301,98	88,66	38,18		88,66
Подогрев воздуха	38,64	11,34	4,89		11,34
Всего:	340,62	100	43,07		100
СТАТЬИ РАСХОДА ТЕПЛА
Тепло затраченное на нагрев металла	128,96	37,74	-		-
Затраты на нагрев тары или транспортирующих устройств	32,53	9,52	-		-
Потери с уходящими продуктами сгорания	142,54	41,71	18,02		42,14
Потери теплопроводности через стенки	26,70	7,83	16,86		39,43
Потери излучением через открытые отверстия	0,87	0,25	0,43		1,01
Потери через тепловые короткие замыкания	6,68	1,95	4,22		9,87
Неучтенные потери	3,42	1,00	3,23		7,55
Всего:	341,7	100	42,76		100