Тепловой баланс электрической нагревательной печи сопротивления. Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Металлургическая теплотехн

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра металлургических технологий

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Металлургическая теплотехника»

C.В. СКАКОВ

Липецк Липецкий государственный технический университет

2015

Тепловой баланс составляют как для рабочей камеры печи в целом, так и для каждой ее зоны, имеющей отдельно питающие нагреватели. При этом для печи с переменной по зонам или во времени температурой сначала отдельно для каждой зоны или каждого периода работы (например, для зоны нагрева и выдержки или периода нагрева и выдержки), а затем сводный тепловой баланс для всей рабочей камеры или цикла работы печи.

В данной работе на основе измерений требуется составить тепловой ба-

ланс периодически действующей электрической нагревательной печи сопро-

тивления.

2. Уравнение теплового (энергетического) баланса

периодически действующей нагревательной

электрической печи сопротивления

2.1.Статьи прихода тепла и способы их определения

Вобщем виде приходом тепла для таких печей является тепло от преобра-

зования электрической энергии и от реакций окисления металла.

Тепло, полученное в результате преобразования электрической энергии:

При проведении эксперимента величину Q1 определяют по изменению показаний счетчика потребленной электрической энергии за период испытания:

где 3,6 103 – коэффициент пересчета кВт∙ч в кДж;

ПСн, ПСк – показания счетчика в начале и в конце опыта, кВт∙ч.

4

Тепло, выделившееся в результате химических реакций окисления металла,

рассчитывают в случае нагреве металла без защитной атмосферы по уравнению

где 5650 – тепловой эффект химической реакции окисления 1 кг железа, кДж/кг;

кг

M М – масса нагреваемого металла, период ;

а – доля металла, окислившегося в печи за период нагрева.

При эксперименте массу нагреваемой заготовки M Мe определяют взве-

шиванием на весах или по её размерам, считая плотность стали ст 7800 мкг3 .

Долю металла, окислившегося за период нагрева, можно определить раз-

ными методами, в частности путем взвешивания образца до и после нагрева при условии полного удаления с него окалины перед взвешиваниями. При вы-

полнении лабораторной работы величину a принимают равной 0,005.

2.2. Статьи расхода тепла и их расчет

Расход тепла на нагрев металла

где hM , hM – энтальпия (теплосодержание) металла в конце и начале периода

нагрева, кДжкг .

Энтальпию (теплосодержание) металла определяют в зависимости от ко-

5

Потери тепла через кладку теплопроводностью

где n – число элементов кладки.

Q ,i – потери тепла через i-й элемент кладки (свод, боковые и торцевые сте-

ны, под и заслонку):

где i – суммарный коэффициент теплоотдачи к окружающему воздуху, опре-

деляемый при помощи эмпирической формулы i 8,1 0,058ti , Вт м2 К ;

ti – средняя арифметическая температура наружной поверхности i-го эле-

мента кладки, определяемая по результатам измерения температуры с помощью термощупа или пирометра в нескольких точках, °С;

t0 – температура воздуха в помещении лаборатории во время проведения опыта, °С;

Fi – наружная поверхность i-го элемента кладки, м2.

Потери тепла излучением через открытые окна и отверстия

Вт где С0 – коэффициент излучения абсолютно черного тела, С0 = 5,67 м2 К4 ;

tп – среднее значение температуры печи за период нагрева, °C; Fo – площадь окна (отверстия), м2;

Ф – коэффициент диафрагмирования, определяемый по табл. 2;

o H – доля периода нагрева, в течение которого окно (отверстие) бы-

ло открыто ( 0...1).

Таблица 2

Значение коэффициента диафрагмирования Ф в зависимости от отношения диаметра отверстия D к толщине стенки печи S

6

Тепло, затраченное на нагрев тары (поддонов, ленты конвейера и т.д.):

кг где MТ – масса тары, находящейся в печи, период ;

hT , hT – энтальпия (теплосодержание) тары в конце и в начале периода нагрева, кДжкг .

При эксперименте масса и материал тары известны. Энтальпию тары находят аналогично энтальпии нагреваемого металла.

Тепло, аккумулированное кладкой рабочей камеры печи:

tK – изменение средней по массе температуры кладки за период нагрева, °С.

Таким образом, для расчета тепла, аккумулированного кладкой, необхо-

димо определить значение средней по массе температуры кладки в начале и конце периода нагрева, что может быть осуществлено разными методами. Если за период нагрева кладка переходит из одного стационарного состояния в дру-

гое, то значения начальной и конечной температур определяют обычным спо-

собом (расчетом стационарного режима теплопроводности). Если при нагреве кладка не достигает стационарного состояния, то изменение среднемассовой температуры может быть определено при помощи численных методов, в том числе компьютерным моделированием. Тепло, аккумулированное кладкой, мо-

жет быть рассчитано по формулам для стен бесконечной толщины или при по-

мощи графиков [2].

7

Эта статья включает потери тепла через выводы нагревателей, трубки термопар и закладные металлические детали кладки, используемые для крепле-

ния нагревателей и гарнитуры печи. При испытаниях печей в эту статью попа-

дают неточности определения других статей расхода тепла.

При проектировании печи неучтенные потери принимаются от 50 до 150%

потерь тепла теплопроводностью через кладку.

После определения величины всех статей прихода и расхода тепла по уравнениям (1)-(10) составляется уравнение теплового баланса для рассматри-

ваемой печи:

ляются не по уравнению (10), а из уравнения теплового баланса (11) как раз-

ность между известными статьями прихода и расхода тепла.

Для проектируемой печи из уравнения (11) определяют приход тепла от преобразования электроэнергии Q1, а при заданном напряжении питания печи – необходимую силу тока на электронагревательных элементах.

Для действующей печи, как отмечено выше, его используют для расчета неучтенных потерь тепла Q8.

Результаты расчета отдельных статей теплового баланса сводят в таблицу

(табл. 3), где каждая статья выражена в единицах энергии, отнесенной к перио-

ду нагрева, и в процентах к общему количеству подведенного тепла.

Анализ таблицы теплового баланса позволяет выявить непроизводитель-

ные потери тепла, определить причины чрезмерных затрат энергии и наметить мероприятия по улучшению тепловой работы печи. Например, при больших потерях тепла теплопроводностью через кладку необходимо обратить внимание на эффективность теплоизоляции рабочего пространства печи.

9

Для оценки и сравнения технико-экономических показателей работы печи определяют коэффициент полезного теплоиспользования (действия) печи

Оба этих показателя КПТ и W отражают степень совершенства печи как теплового агрегата. Однако большее значение имеет удельный расход энергии, поскольку он в явном виде характеризует тепловую эффективность печи. Что касается КПТ , то в некоторых электронагревательных устройствах его величина или равна нулю (например, в устройствах для поддержания постоянной температуры жидкого или газообразного продукта), или относительно мала (например, для лабораторных печей).

10