3.2. Методические указания по расчету энергетического баланса печи сопротивления периодического действия

Назначение энергетического баланса электротермической установки

Вопросы рационального, экономного расходования топливно-энергетических ресурсов приобретают все более важное значение. Энергетически и технологически промышленных предприятий должны рационально расходовать каждый киловатт-час и повседневно выявлять и изыскивать дополнительные резервы экономии энергии во всех звеньях электропотребления. Необходимо создавать условия для наиболее эффективного использования оборудования в конкретных условиях производства.

Электротермические установки являются одним из наиболее крупных потребителей электроэнергии в промышленности, поэтому особо важна оптимизация их режима работы.

Энергетический баланс позволяет выявить потери и определить возможности экономии электроэнергии.

Структура статей энергетического баланса печи сопротивления

Энергетический баланс выявляет соотношение между общим количеством электроэнергии, потребляемой печью, полезным расходом, сопутствующим расходом и величиной потерь энергии передачи и трансформации.

Полезный (теоретический) расход – это количество энергии, необходимое для осуществления главной цели производственного процесса, - нагрева металлических заготовок до определенной температуры, заданной технологией.

Сопутствующий расход энергии в печи сопротивления идет на создание необходимых условий для осуществления главных целей технологического процесса. Сопутствующий расход включает:

а) нагрев печи (потери энергии на аккумулирование тепла кладкой печи);

б) нагрев сопутствующих материалов, тележки или поддона, на которых находятся нагреваемые заготовки;

в) компенсацию теплообмена с окружающей средой: потери энергии

- через футеровку печи,

- через окно,

- посредством тепловых «коротких замыканий», через металлические конструкции печи (трубки термопар, выводы нагревателей и др.).

Сумма полезного (теоретического) и сопутствующего расхода энергии представляет то количество энергии, которое должно быть передано из электрической сети в печь сопротивления. Эта величина энергозатрат называется условно-полезным расходом энергии.

На пути к нагревательным элементам печи энергия претерпевает ряд преобразований. Этот вид потерь называется потерями передачи и трансформации. Они включают электрические потери в трансформаторе и кабельной сети от трансформатора до печной установки.

Общее количество энергии, потребляемое печью, будет складываться из условно-полезного расхода энергии и потерь передачи и трансформации.

Конструкция печи, краткое описание технологического процесса

В данной работе рассчитывается энергетический баланс печи сопротивления с подъемным подом, используемую для отжига отливок из чугуна. Упрощенная конструкция футеровки приведена на рисунке 3.1. Установка представляет открытую снизу прямоугольную камеру, установленную на колоннах на уровне 3-4 метров от пола цеха. Под печи выполненный в виде футерованной тележки, может подниматься и опускаться с помощью гидравлического подъемника. На под – тележку загружают отливки и поднимают в рабочую камеру. Количество загружаемых отливок зависит от формы отжигаемых изделий и марки металла. По окончании нагрева под опускают и отливки остывают на воздухе, а в рабочую камеру загружают другой под с новыми деталями. На одну камеру приходится две тележки – пода. В качестве преобразователей электрической энергии в тепловую служат нихромовые нагреватели в виде ленточного зигзага сечением 40 х 2,5 мм. Нагреватели расположены на боковых стенках печи и на поду.

Рисунок 3.1 – Упрощенная конструкция печи сопротивления с подъемным сводом.

1 – шамот; 2 – диатомит; 3 – шлаковата; 4 – кожух; 5 – асбест; 6 – засыпка; 7 – жароупорная плита.

Цикл отжига (температура и время) зависит от марки чугуна и вида изделий. Технология отжига на исследуемой печи проходит как бы в два цикла (рисунок 3.2), каждый из которых включает две стадии: стадию нагрева ( - I, 3-4) и стадию выдержки (1-2, 4-5). После первого цикла под печи опускается и литье охлаждается в течение 0,5 часа на воздухе. Второй цикл отжига проходит обычно при меньшей температуре.

В период различных циклов и стадий режим работы нагревателей различен. Это вызвано потребностью регулирования температуры печи. Так в период нагрева включены все нагреватели печи со схемой включения, обеспечивающей максимальную мощность. В период выдержки, когда необходимо компенсировать лишь теплообмен с окружающей средой, нагреватели переключают в схему, дающую меньшую мощность или запитывают от источника пониженного напряжения. Причем в зависимости от температуры внутри камеры печи их включают или отключают (двухпозиционное регулирование температуры).

Рисунок 3.2 – Типовой график отжига чугуна: Θ_о-- начальная температура металла; Θ_1Ц, Θ_2Ц – соответственно, температура первого и второго цикла отжига; Θ_охл – температура подстуживания металла; τ_н – время нагрева металла;

τ₀₁, τ₀₂ - соответственно, время первого и второго цикла отжига.

Методика расчета энергетического баланса

Все статьи энергетического баланса рассчитывают по циклам отжига, а затем суммируются.

Полезный расход энергии на нагрев металла до температуры отжига

где с – удельная теплоемкость металла, определяется по справочным данным в зависимости от вида металла и температуры, Дж/ кг⁰С; G - вес отжигаемого металла, кг; - температура металла соответственно в начале и конце нагрева,⁰C.

Потери энергии через футеровку печи

Расчет ведется для каждой поверхности печи(стен, пода, свода) по формулам расчета теплопередачи через плоскую многослойную стенку.

,

где q - удельный тепловой поток (зависит от температуры внутри печи и наружного воздуха, от толщины слоев футеровки и коэффициентов теплопроводности материалов слоев футеровки печи, от теплоотдачи конвекцией и излучением с наружной поверхности печи окружающему воздуху), Вт/м².

В данном расчете удельный тепловой поток принимается равным:

600 Вт/м² - на первом цикле отжига,

90 Вт/м² - на втором цикле отжига.

F_p - расчетная площадь поверхности, м²; - время потерь, с.

На первом цикле отжига время потерь складывается из времени нагрева до температуры отжига и времени самого цикла :

+ .

На втором цикле отжига время потерь складывается из времени нагрева от температуры подстуживания металла до температуры второго цикла отжига(0,5 часа) и времени второго цикла отжига :

+ .

Потери энергии на тепловые короткие замыкания

Данный расход энергии появляется вследствие нарушения сплошности складки печи трубками термопар и выводами нагревателей. Величина потерь на тепловые короткие замыкания согласно [5] принимается равной 50% от потерь теплопередачей через кладку печи

,

где , , - потери энергии теплопередачей соответственно через стены, свод ,свод и под печи, Дж.

Расход энергии на аккумуляцию тепла кладкой печи

,

где m - количество циклов отжига;

C_i - удельная теплоемкость материала i- го слоя кладки, Дж/кг.⁰С; G_i - вес материала i-го слоя; , - средняя температура i- го слоя соответственно в начале и конце нагрева.

Так как определяется путем сложного теплотехнического расчета, в данной работе величина температурного перепада ( - ) берется одинаковой для всех слоев и равной разности температур внутреннего слоя камеры печи в начале и конце нагрева.

Суммарные тепловые потери энергии

Суммарный расход энергии, обусловленный неизбежными потерями тепловой энергии, рассчитывается за все циклы отжига

где W_АКj - энергия, аккумулируемая печью за j-й цикл отжига, Дж; W _j - потери энергии теплопередачей через кладку печи за j-й цикл отжига, Дж,

W_Т.К.З.j - потери энергии на тепловые короткие замыкания за j-й цикл отжига, Дж.

Электрические потери, связанные с трансформацией и передачей энергии

Электрические потери представляют сумму потерь энергии в трансформаторе и кабельной сети:

W_ЭЛ=W_Т+W_К.С ,

где W_Т - потери энергии в трансформаторе, Дж; W_К.С. - потери энергии в кабельной сети, Дж.

А. Потери энергии в трансформаторе

где Р_х.х - мощность холостого хода трансформатора, Вт; Р_к.з. - мощность короткого замыкания трансформатора, Вт; К_з.т. - коэффициент загрузки трансформатора; τ - время потерь, в расчёте берётся или время нагрева или суммарное время циклов отжига, с.

Коэффициент загрузки трансформатора:

где Р_р - расчётная мощность печи, Вт; S_n - мощность трансформатора, ВА;

cosφ - коэффициент мощности печи.

Расчётная мощность печи:

где К_з - коэффициент загрузки нагревателей; Р_н - номинальная мощность нагревателей; К_в - коэффициент включения нагревателей.

Коэффициент загрузки нагревателей:

где Р_ф - фактическая мощность нагревателей, Вт.

Значение коэффициента загрузки в режиме нагрева равно 1, а в режиме отжига - 0,333, так как нагреватели переключаются из схемы соединения "треугольник" в схему соединения - "звезда", что уменьшает их мощность в 3 раза.

Коэффициент включения в режиме нагрева равен 1, а в режиме отжига - 0,5 (по опытным данным)

где τ_р - время работы, с, τ_ц - время цикла печи, с.

Таким образом, расчёт потерь энергии в трансформаторе ведётся для двух режимов:

а) режим нагрева, нагреватели включены в "треугольник" и потребляют полную (номинальную) мощность;

б) режим отжига, нагреватели включены в "звезду" и потребляют 1/3 номинальной мощности.

Б. Потери энергии в кабельной сети

где I - ток в фазе, А; R - сопротивление жилы кабеля, Ом; τ - время потерь, с.

Ток в фазе сети:

где U - напряжение сети, В.

Сопротивление жилы кабеля:

где r₀ - сопротивление жилы кабеля на единицу длины, Ом/м.

Кабельная сеть может состоять из нескольких участков, тогда полное её сопротивление определяется как сумма сопротивлений участков сети:

где n - количество участков кабельной сети.

Расчёт потерь энергии в кабельной сети также ведётся отдельно для режима нагрева и режима отжига.

Общий расход и приход энергии из электрической сети

Общий расход энергии за весь технологический цикл включает:

- расход энергии на нагрев металла,

- расход энергии на тепловые потери,

- расход энергии на электрические потери.

Данное количество энергии необходимо получить из электрической сети, так как другие источники энергии в печи сопротивления отсутствуют. Таким образом, расход энергии одновременно является приходом энергии.

Энергетические показатели работы печи сопротивления

Показателями работы печи служат:

а) удельный расход электроэнергии (УРЭ)

б)термический коэффициент полезного действия

в) электрический коэффициент полезного действия

г) полный коэффициент полезного действия

Исследование электропотребления печами сопротивления

Печи сопротивления получили широкое распространение в современных литейных и термических целях различных отраслей промышленности. Единичная мощность печных установок изменяется в пределах 100 - 5000 кВт, а суммарная их мощность в отдельных цехах доходит до 50000 кВт. Поэтому актуальной остаётся проблема рационализации режима электропотребления с целью её экономики.

Построение энергетического баланса даёт полный анализ всех статей расхода энергии, позволяет решить вопрос о величине того или иного расхода и способах его уменьшения.

Из анализа энергетических балансов печи сопротивления следует, что до 65 % энергии расходуется на покрытие тепловых потерь, основную часть которых (до 80%) составляет энергия, аккумулируемая кладкой печи. Её величина зависит от температуры камеры печи в начале цикла отжига, так как печь после выгрузки литья, находится в отключённом состоянии, остывает некоторый промежуток времени. Чем больше период замены тележки с металлом, тем меньше температура кладки в начале нового цикла отжига, и в результате возрастают потери энергии на аккумуляцию тепла кладкой печи.

Увеличение температуры кладки на 100 ⁰с ведёт к уменьшению УРЭ на 21-44 кВт ч/т (на 5-10 %). При температуре кладки 500 ⁰с, что соответствует предшествующему простою печи около 0,5 часа, УРЭ уменьшается на 100 - 200 кВт ч/т.

Значительное влияние на УРЭ оказывает количество загружаемого на отжиг металла, так как тепловые потери, на покрытие которых расходуется значительная часть энергии, не зависит от его веса.

Доведение загрузки печи до номинальной (15 т., 30 т.) позволяет значительно снизить УРЭ.

Дополнительное снижение фактических удельных расходов электроэнергии может быть достигнуто за счёт следующих мероприятий:

а) уменьшение потерь энергии на аккумуляцию тепла кладкой печи при применении лёгких и эффективных огнеупорных и теплоизоляционных материалов (легковесов);

б) уменьшение тепловых потерь через футеровку, что достигается применением материалов с улучшенными теплофизическими свойствами, повышением герметичности камеры печи, поддержанием футеровки в исправном состоянии;

в) своевременная замена выгоревших нагревателей, что приводит к повышению мощности печи до проектной и уменьшению времени нагрева.