1.5 Производительность печи, ее связь с полезным теплоусвоением, геометрическими размерами рабочей камеры печи и длительностью технологического процесса

Производительность печи определяется, главным образом, интенсивностью тепло- массообменных процессов между ЗГТ и ЗТП. Производи­тельность печи в общем виде определяется формулой

(1.11)

где Е — емкость печи; — продолжительность технологического про­цесса (например, нагрева).

Увеличить производительность печи возможно за счет увеличения ее емкости Е и снижения продолжительности процесса . Однако повы­сить емкость Е можно лишь тогда, когда не ухудшаются условия теп­лообмена и не возрастает . Так в нагревательных печах при уклад­ке заготовок несколькими рядами емкость Е возрастает, но поскольку продолжительность нагрева увеличивается в еще большей степени, то производительность падает. Поэтому для увеличения емкости печи Е, как правило, необходимо увеличивать ее размеры.

В нагревательных печах факторы, воздействующие на величину , а через нее на производительность печи, легко установить по выражению

(1.12)

где — необходимое увеличение энтальпии за время нагрева; — среднее значение плотности теплового потока, усваиваемого поверх­ностью нагреваемых заготовок. Уменьшение времени за счет сниже­ния возможно при повышении начальной температуры материала путем использования его тепла от предыдущего технологического про­цесса или предварительного подогрева.

При нагреве термически массивных тел уменьшение времени и увеличение производительности может быть достигнуто путем увеличения удельной поверхности нагрева F_м/M, что достигается за счет соответствующего расположения материала в рабочем пространстве. При этом улучшаются условия внутреннего теплообмена. Так, если в нагревательных печах заготовки лежат вплотную друг к другу на монолитном поду, то тепло подводится только через верхнюю поверхность. При размещении этих же заготовок на опорах значение F_м/M возрастает практически вдвое, прогреваемая же

толщина δ соответственно уменьшается. Возможен также вариант расположения заготовок с зазорами. И, наконец, производительность печи можно повысить, увеличив сред­нюю плотность теплового потока на поверхности нагрева за счет интенсификации внешнего теплообмена. Наиболее эффективным спосо­бом увеличения q_пов является повышение температуры источника теп­ла, что однако лимитируется рядом факторов: условиями сжигания топлива, стойкостью футеровки и т.д. Следует также помнить, что при нагреве термически массивных тел увеличение q_пов ограничено условиями внутреннего теплообмена, т.е. необходимо определенное соответст­вие между подводом тепла и возможностями его отвода. При нарушении этого соответствия чрезмерное увеличение подвода тепла приведет к перегреву поверхности нагреваемого материала и, в конечном итоге, к ухудшению качества нагреваемых изделий.

Увеличение емкости Е и уменьшение продолжительности нагрева — условия обязательные, но недостаточные для увеличения производительности печи. Необходимо соответственно повышать тепловую мощность печи.

Учитывая, что тепловая мощность что для печи в целом и получим

(1.13)

где G — производительность печи; — полезный расход тепла на процесс, отнесенный к единице продукции (для нагревательных печей ); - тепло химических реакций горения; - расход топлива; - рабочая низшая теплота сгорания; - физическое тепло воздуха; - физическое тепло топлива; - коэффициент полезного использования тепла.

Таким образом, производительность печи определяется средним за период технологической обработки произведением тепловой мощ­ности на коэффициент полезного теплоиспользования и, наоборот, необходимая тепловая мощность зависит от заданной производитель­ности печи и . Очень важно подчеркнуть, что одна и та же произ­водительность может быть достигнута при разных тепловых мощностях, если разные значения имеет . Если с помощью тех или иных меро­приятий удается повысить полезную тепловую мощность, то неизбеж­но возрастает и производительность печи. В этом отношении большое значение имеет сокращение всевозможных тепловых потерь, как это следует из приведенной ниже формулы:

(1.14)

где - коэффициент использования тепла топлива; - суммарные потери тепла в печи.

Оптимальной, т.е. наилучшей, производительность в буквальном, общем смысле слова быть не может, так как наилучшая — это всегда максимальная производительность. Вместе с тем, применяется понятие «оптимальная производительность», означающее такую производительность, которая обеспечивается при выполнении общей цели оптимизации, например получения минимального расхода топлива или электроэнергии, минимального окисления металла в процессе нагрева, наибольшей стойкости элементов печи и т.д. Оптимальная производительность в указан­ном смысле слова может быть совершенно различной, а зависимости от цели оптимизации.

Вопрос о максимальной производительности носит чисто академичес­кий характер, поскольку теоретически, как бы ни была велика желае­мая производительность, она может быть реализована, если в ЗТП вве­дено необходимое количество тепла и технологический процесс может за это время завершиться. Предел здесь определяется возможностями тепло- и массопереноса, и лимитирующими факторами, от которых зависит этот тепло- и массоперенос. Развитие техники, создание новых процессов постоянно смещают в сторону увеличения достигнутые преде­лы производительности. В современных условиях вопрос об увеличении реальных показателей производительности должен ставиться не в смыс­ле возможности, а в смысле целесообразности ее увеличения. Увеличить производительность агрегата чаще всего возможно, но весь вопрос в том, какой ценой.

Во многих случаях реальная производительность конкретного агре­гата лимитируется случайными факторами, являющимися следствием неправильного расчета печи, конструктивных недостатков, несоответст­вия мощности отдельных элементов агрегата друг другу и т.д. К тако­вым относятся, например, недостаточная тяга или мощность вентиля­торов подачи воздуха для горения. Устранение соответствующих недос­татков позволяет освоить проектную производительность.

Размерность производительности может быть различной: т/ч, т/сут или кг/с. Удельная производительность, характеризующая интенсивность работы агрегата и служащая для сравнения качества работы однотипных печей между собой, измеряется в т/(м²∙сут), кг/(м²∙ч), т/(м³∙сут).