Лекция 8 (4 часа)

Проектирование энергосбережения. Теплотехнические расчеты. Расчет потребного количества оборудования

План:

1. Проектирование энергосбережения.

2. Теплотехнические расчеты

3. Расчет потребного количества оборудования

1. Применение технологии энергосбережения в промышленности всегда актуально. Это связано с тем, что в промышленности расходуется до 80% энергии. Стоимость энергоносителей постоянно растет, особенно в последнее время. Учитывая высокую степень энергопотребления при эксплуатации печей, термического оборудования, особо актуальным представляется вопрос об осуществлении жёсткой экономии энергии путём применения технологий энергосбережения, новых материалов и конструкций при строительстве новых печей и реконструкции действующего термического парка. Энергоемкость продукции машиностроения в 3-5 раз больше, чем в развитых странах.

Современное производство поставило задачу резкого увеличения качественной стороны процессов нагрева, т.е. точности и равномерности нагрева при одновременной экономии энерго- и материалозатрат. В связи с этим для повышения эффективности работы печей возникает необходимость рассматривать комплекс вопросов, включающий в себя:

1. усовершенствование агрегатов нагрева, в том числе оптимизацию футеровок печей;

2. выбор рациональных режимов нагрева.

В частности, анализ работы печей машиностроительных предприятий показал, что в ряде случаев имеет место несоответствие между тепловыми возможностями печей и технологическими требованиями к качеству нагрева.

Анализ тенденций развития энергосберегающих технологий термической обработки позволил классифицировать проводимые в настоящее время мероприятия по энергосбережению следующим образом:

1. создание нового энергосберегающего термического оборудования;

2. реконструкция отслужившего свой срок термического оборудования;

3. энергосберегающая оптимизация режимов и технологий термической обработки.

Созданием современных нагревательных печей занимаются такие известные фирмы как «IPSEN» (Германия), «ELTERMA» (Польша), «REMIX», (Польша), ЗАО «КЕРАММАШ» (Украина), «ОТТОМ» (Украина), ЗАО Научно-производственная Компания «НАКАЛ» (Россия) и др. Создание современных нагревательных печей является одним из приоритетных направлений развития данных предприятий.

Наиболее действенной мерой по устранению брака и повышению качества термической обработки деталей является замена устаревшего оборудования на современное автоматизированное. В ряде случаев экономически целесообразным является частичная модернизация печи. Модернизация печи предполагает применение современных огнеупорных и теплоизоляционных материалов, выполнение местной теплоизоляции горячих зон кожуха (например, места подвода термопар, расположения горелок). Обязательным при модернизации является замена газогорелочной системы печи и установка или модернизация имеющихся систем рекуперации тепла. Следующим этапом повышения качества термической обработки и энергоэффективности является оптимизация температурно-временных параметров термообработки.

Расчеты свидетельствуют, что модернизация печей с использованием современных огнеупорных и теплоизоляционных материалов, топливосжигающих устройств позволит сократить потребление топлива более чем в 1,8 раза, сократить количество брака при термической обработке и повысить качество упрочняемых деталей[в литературе: Константинов В.М., Гурченко П.С., Стефанович В.А., Стрижевская Т.Н. К проблеме энергосбережения и повышения качества термической обработки. Металлургия: Республ. межведом. сб. научн. Тр. Вып.31. - Минск: БНТУ, 2008. – с. 145.].

При составлении перечня мероприятий по энергосбережению практически все из них могут быть тиражированы несколько раз, давая тем самым существенную величину экономии. В ряде случаев эффект зависит от эксплуатационной нагрузки оборудования, т. е. возможны разные уровни эффективности. Проведение реконструкции печного хозяйства позволит довести КПД до 30 – 60 %, тем самым, снизив потребление газа в 3 и более раза.

2. В современном термическом цехе для нагрева изделий при термической обработке применяют жидкое и газообразное топливо или же электроэнергию. Твердое топливо — уголь, торф, дрова — широкого применения в термических цехах не получило. В соответствии с этим, в зависимости от источника используемой для нагрева изделий тепловой энергии, все печи и нагревательные установки подразделяют на печи:

- работающие на жидком топливе,

- газовые,

- электрические.

Передача теплоты изделию осуществляется через:

- воздух,

- газ,

- жидкие среды (в печах-ваннах, электродно-соляных ваннах) и псевдожидкие среды,

- пропусканием электротока через изделие (установки для контактного электронагрева),

- путем нагрева пламенем, направляемым непосредственно на изделие (установки для газопламенного нагрева).

В разделе проекта «Теплотехническая часть» приводится полный расчет устанавливаемых в проектируемом термическом подразделении термических агрегатов, исходя из необходимой их производительности.

При расчете термических электропечей необходимо:

1) обосновать выбор электроэнергии для печей;

2) обосновать выбор конструкции печей и их основных размеров;

3) указать назначение печи, максимальную температуру поверхности футеровки и температуру нагрева изделий, размеры рабочего пространства, массу садки и производительность печи, номинальное линейное напряжение, график (сменность) работы печи и т. п.;

4) выбрать футеровку;

5) дать тепловой расчет;

6) определить мощность;

7) произвести электрический расчет печи, т. е. выбрать форму и материал электронагревателей, установить сечение их и схему распределения по зонам печи, определить силу тока и т. п.;

8) описать, как осуществляется контроль и регулировка температуры.

После определения теплового баланса и мощности электрической печи необходимо определить число регулируемых зон и мощность каждой зоны, так как расчет электронагревателей производится по зонам.

Расчет электродносоляных ванн также начинается с описания назначения ванны, размеров рабочего пространства, глубины заполнения ванны солью, режима нагрева изделий, номинального линейного напряжения, графика (сменности) работы ванны, производительности и т. п. Затем дается определение размеров рабочегр пространства и выбирается футеровка ванны. После этого производится тепловой расчет, т. е. определяют:

- расход теплоты на нагрев изделий и приспособлений;

- расход теплоты на покрытие тепловых потерь через футеровку, зеркало ванны и т. п..;

- расход теплоты на расплавление добавляемой соли;

- неучтенные потери и т. д.

По полученным данным определяют мощность электродно-соляной ванны и производят выбор типа трансформатора. Затем дается описание схемы контроля и регулировки температуры.

Методика расчета масляных и соляных печей-ванн аналогична вышеизложенной: Для печи-ванны, производит тепловой расчет (расчет расхода теплоты в ванне на нагрев изделий и приспособлений, на нагрев масла, соли или свинца и т. п.), определяет потери теплоты и мощность, потребную на покрытие этих потерь, выводит общую мощность ванны. После этого производит расчет электронагревателей, выбирает их сечение, форму и способ расположения в печи, затем описывает метод контроля и регулировки температуры.

Для расчета установки для индукционного нагрева, необходимо:

- дать описание технических условий, т. е. описать назначение установки, график нагрева, график (сменность) работы установки и т. п.;

- выбрать частоту тока, рассчитать размеры индуктора и размеры трубки, ндущей на изготовление индуктора;

- рассчитать напряжение на индукторе, ток в нем и коэффициент мощности индуктора;

- вычислить мощность, подводимую к индуктору, и его к. п. д.;

- произвести тепловой расчетрежима нагрева;

- выбрать тип генератора;

- дать описание метода контроля температуры.

При расчете печи, работающей на жидком или газообразном топливе, производится описание назначения печи (геометрические размеры нагреваемых изделий; температуры изделия — начальная, конечная; перепад температур), дается характеристика топлива (название, теплота сгорания), характеристика режима нагрева. Рассчитывают горение топлива (приводят исходные составы топлива и воздуха; определяют коэффициент пересчета состава сухого топлива на состав рабочего (влажного) топлива и рассчитывают состав рабочего топлива; определяют низшую теплоту сгорания топлива; осуществляют проверку, определяют невязку (% ). Рассчитывают также количество воздуха (теоретически необходимое и действительное); количество и состав продуктов сгорания. Определяют материальный баланс горения топлива (рассчитывают плотность топлива, воздуха и продуктов сгорания, приходные и расходные статьи баланса, невязку (%)). При определении жаропро-изводительности топлива устанавливают удельную энтальпию продуктов сгорания.

Расчет теплообмена в печи излучением включает:

- принятие способа расположения нагреваемых изделий на подине печи; определение геометрических размеров камеры (длина; ширина; высота боковых стенок;

- вид свода — плоский, арочный, с принятием центрального угла арочного свода и определением стрелы свода;

- максимальная и средняя высота свода);

- определение параметров теплообмена излучением (поверхности нагреваемых изделий, поверхности свода, пода, боковых стен, торцевых стен);

- вычисле-ние углового коэффициента излучения, газового объема, эффективной толщины газового слоя, степени черноты газов и приведенного коэффициента излучення системы газ — кладка — металл.

Расчет нагрева заготовок (изделий) включает:

- принятие теплофизических и механических свойств нагреваемой стали (коэффициента теплопроводимости, удельной энтальпии, плотности, коэффициента линейного расширения, модуля упругости, предела пропорциональности и предела прочности);

- расчет температурных напряжений для оценки допустимости принятого режима нагрева;

- расчет периодов нагрева (ориентировочный; уточненный; продолжительность периодов;

- плотность теплового потока; общую продолжительность нагрева).

Тепловой расчет печи предусматривает:

- принятие конструкции кладки (количество, толщина и материал слоев), определение размеров рабочего окна (по кратности размерам кирпича) и наружных размеров печи (длина, ширина, высота);

- расчет тепловых потерь через кладку боковых стен, торцевой стены, свода и кладки в целом;

- расчет неучтенных тепловых потерь и тепловых потерь через кладку пода (можно принять равными 30% потерь через кладку печи);

- расчет тепловых потерь через кладку дверцы (крышки);

- определение суммарных тепловых потерь при работе печи;

- расчет тепловых потерь во время простоя печи (выдачи и посада зоготовок).

Расчет теплового баланса включает определение:

- массы садки;

- полезно затраченной теплоты;

- потерянной теплоты во время работы и во время простоя печи;

- расхода и прихода теплоты за цикл нагрева заготовок.

Завершается расчет составлением теплового баланса печи и определением невязки.

Расчет технико-экономических показателей включает:

- определение производительности печи, напряженности полезного пода печи, удельного расхода теплоты и условного топлива, термического к. п. д.;

- расчеты мощностей (холостого хода, полезной, рабочей, общей); расчеты расхода топлива, воздуха, отходящих газов.

При выполнении теплотехнической части целесообразно использовать ЭВМ различных типов в зависимости от сложности и объема расчетов.

3. Расчет оборудования ведется на основании годовой производственной программы термического подразделения. Расчету подлежит следующее оборудование: нагревательное оборудование (печи и установки скоростного нагрева); охладительные устройства (баки, прессы для закалки, камеры охлаждения, установки для обработки холодом); дополнительное оборудование (баки и машины для мойки, камеры для очистки и наклепа, ванны для травления, прессы для правки и др.); вспомогательное оборудование (установки для охлаждения закалочного масла и других жидкостей, установки для приготовления газовых контролируемых атмосфер и др.). Остальное оборудование обычно принимается без расчета (в комплекте).

Исходными данными для расчета необходимого количества основного и дополнительного оборудования служат годовое задание по операдиям термической обработки, выбранный тип оборудования и установленный режим его работы, а для вспомогательного оборудования также и удельные нормы расхода отдельных вспомогательных материалов. Необходимое количество единиц оборудования данного типа (N) расчитывается по общей формуле:

(3.1)

где – необходимый фонд работы оборудования данного вида для обработки предусмотренного программой количества продукции –го вида, ч. Количество часов работы печи, которое требуется для обработки однородной группы деталей по программе.

M – количество видов продукции, обрабатываемой на данном оборудовании,

– годовой фонд эффективного времени работы единицы оборудования, ч

Фi = Qi/ Рi (3.2)

Qi – годовое задание по продукции –го вида,

Рi – расчетная норма часовой производительности единицы оборудования данного вида при обработке продукции –го вида.

При расчете оборудования садочного типа можно использовать формулу:

Фi = Qi*Тс / Qсi (3.3)

Тсi и Qсi – нормированное время обработки одной садки продукции i-го вида и масса данной садки.

Производительность единицы оборудования Рi