Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчет футеровок высокотемпературных электротехнологических установок. Учебное пособие
.pdf
Расход газа из отверстия (м
Тепловой поток конвекцией (
Полный тепловой поток (
3
/ч) –
кДж/ч) –
кДж/ч) –
Относительное время открытия отверстий –
Общие потери тепла (
кДж/ч) –
Аккумуляция тепла печью
Наименование части печи –
Средняя температура (°С) –
Прирост теплосодержания (
3
м
Объем (
кг) –
Вес (
) –
кДж/кг) –
Количество аккумулированного тепла (кДж) –
Общая аккумуляция тепла (
Неучтенная аккумуляция тепла (
Полная аккумуляция тепла (
кДж) –
кДж) –
кВт ч) –
Тепловой баланс печи
Мощность нагрева изделий (
Мощность нагрева вспомогательной загрузки (
Учтенные потери печи (
Неучтенные потери (%), (
Полные потери печи (
кДж/ч) –
Потребляемая мощность (
Установленная мощность (
кДж/ч) –
кДж/ч) –
кДж/ч) –
кДж/ч) –
кВт) –
кВт) –
Запас мощности (%) –
Примечание: при составлении сводных данных по тепловому расчету студент
обязан при наличии ненужных параметров произвести соответствующее сокращение
подразделов.
2.3. Пример теплового расчета печи и
Оформление расчетной записки
1. Задание.
Произвести тепловой расчет и оформить расчетную записку (сводные данные по тепловому расчету) барабанной муфельной печи для закалки стальных шариков и роликов.
Диаметр шариков – от 5 до 45
мм.
Материал шариков – сталь ШХ.
Максимальная температура нагрева – 920°С.
Максимальная производительность печи – 160
кг/ч.
41
2. Размер печи.
Размеры рабочего пространства печи:
– внутренний диаметр барабана – 310
– рабочая длина барабана – 2000
мм.
мм.
Размеры барабана (муфеля) определяются производительностью печи. Размеры камеры печи зависят от размера барабана. Наружные размеры
кладки печи – внутренние размеры кожуха печи – равны размерам камеры
плюс толщина кладки.
Материал и толщины кладки выбираются в соответствии с рабочей
температурой печи. Рабочее пространство печи в целях более точной регулировки рабочей температуры
разделено на две рабочих зоны:
1 – зона нагрева;
2 – зона выдержки и доводки до конечной температуры.
Длины зон принимаются следующие:
1 зона – 1700
2 зона – 300
мм;
мм (или 700 мм до задней стенки камеры).
3. Данные материалов.
Для определения мощности печи и времени ее разогрева необходимо
знать коэффициенты теплопроводности и удельные теплоемкости материалов кладки и изделий.
Коэффициент теплопроводности λ (
Кирпич шамотный легковесный (объемный вес 1000
λ = 1,13 + 0,00125·t
Кирпич диатомитовый (объемный вес 750
λ = 0,523 + 0,00113·t
Порошок диатомитовый (объемный вес 550
ср
ср
).
).
Вт/(м·град)).
3
кг/м
,
3
кг/м
, λ = 0,356 + 0,009·tср).
кг/м
3
,
Теплопроводность материала кожуха печи (сталь) принимается
λ = 125
кДж/(м·ч·град). Коэффициент теплопроводности материала изде-
лия (сталь ШХ) в данном расчете не участвует.
Удельная теплоемкость
С (кДж/(кг·град)).
Теплоемкость материалов кладки мало зависит от температуры. Она
принимается для всех материалов равной 0,92
кДж/(кг·град).
Теплоемкость стали (кожух печи, муфель) и нихрома также принимается в среднем 0,5
Теплоемкость изделий (шариков) принимается 0,712
кДж/(кг·град).
кДж/(кг·град)
(при температуре 900-1000°С).
4. Нагрев изделий
Рассчитываемая печь является печью непрерывного действия. Средняя мощность печи во все время работы остается постоянной. Мощность
Р(кДж/ч) на нагрев изделий определяется по формуле
P = I·A,
42
где I – теплосодержание (кДж/кг), берется из таблиц [3] или подсчитыва-
ется по формуле
I = C·(tк-tн),
где С – удельная теплоемкость (кДж/(кг·град)),
t
и tн конечная и начальная температуры (°С).
к
I = 0,707·(920-20) = 636кДж/час = 28.3кВт.
Тепловые потери
Печь теряет тепло через кладку, через выступающие концы.
Потери через кладку печи рассчитывают по частям. Для этого кладку
делят на следующие расчетные участки: свод, под, стенки боковые, стенки
торцевые.
Свод печи
Свод печи – арочный. Кладка свода состоит из двух слоев: арки из
огнеупорного шамотно- легковесного кирпича и
теплоизоляционной засыпки из диатомитового порошка. Кирпич отделен от порошка огнеупорной обмазкой (состав обмазки: шамот 75%, огнеупорная глина
25%).
Толщина слоев: 1-й слой – кирпич с обмазкой
засыпка
= 250мм.
2
= 123 мм, 2-й слой –
1
Размеры свода печи:
внутренняя ширина:
внутренняя длина:
наружная ширина:
наружная длина:
Вв = 670 мм,
L
= 2400 мм,
в
В
= 1330 мм,
н
L
= 2750 мм.
н
Угол дуги арки свода = 60°. При этом радиус дуги равен хорде:
R = B. Длина дуги равна: S = 1,047В, стрелка арки равна h = 0,134В.
Площадь внутренней поверхности свода
F
= 1,047B
н
= 1,047·0.67·2,400 = 1.68 м2.
в·Lв
Площадь наружной поверхности свода
F
= В
н
= 1,330·2,750 = 3,66м
н·Lн
2
.
Площадь границы 1 и 2 слоев
F
1,2
= (В
+
)·1,047·(Lв+
в
1
) = (0,670 + 0,123)·1,047·(2400 + 0,123) =
2
= 0,830·2,523 = 2,09
м2.
Средняя расчетная площадь 2 слоя:
F
2
=
·FF
=
н1,2
2,09·3,66
= 2,76м2.
Средняя расчетная площадь 1 слоя:
=
F
1
FF
=
в1,2
1,68·2,09
= 1,88м2.
Коэффициенты теплопроводности материала кладки зависят от тем-
ператур, которые пока неизвестны. Предварительно задаемся температу-
43
рами слоев свода. Температуру внутренней поверхности свода принимаем
равной рабочей температуре печи
t
= 950°С.
в
Температуру помещения, где установлена печь (температуру окру-
жающей среды) принимаем
t = 20°С.
Температуру пограничной поверхности между 1 и 2 слоями предпо-
лагаем равной
t
= 600°С.
1,2
Температуру наружной поверхности свода (кожух печи) предполага-
ем равной
t
= 60°С.
н
Средние расчетные температуры слоев:
1-й слой:
2-й слой:
t1 = (tв + t
t
= (tн + t
2
)/2 = (950 + 600)/2 = 775°С.
1,2
)/2 = (600 + 60)/2 = 330°С.
1,2
Средний коэффициент теплопроводности:
1-й слой:
2-й слой:
λ
= 1,13 + 0,00125t1 = 1,13 + 0,00125·775 = 2,099 кДж/(м·ч·град).
1
λ
= 0,356 + 0,0009t2 = 0,356 + 0,0009·330 = 0,1563
2
кДж/(м·ч·град).
Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности свода при
t
= 20°C, = 50кДж/(м
o
2
·ч·град).
t
= 60°С,
н
Тепловой поток через свод печи:
tt
P
R
tt
00
RRR
321
1
11
tt
ввв
0
2
22
1
FFF
нн
20950
123,0
88,1099,2
250,0
76,2654,0
1
66,350
5317
кДж
ч
Проверка температуры кладки:
t
= t
1,2
t
н
= t
– P R
в
+ P R
о
= 950 – 5317 0,031 = 950 – 165 = 785°C,
1
= 20 + 5317 0,00546 = 20 + 29 = 49°C.
н
Полученные температуры значительно отличаются от предваритель-
но принятых температур, поэтому необходимо сделать пересчет.
Принимаем
λ = 2,21 кДж/(м·ч·град); λ
t
= 780°C, tн = 50°C, тогда t1 = 865°C, t2 = 415°С и
1,2
= 0,729 кДж/(м·ч·град); α = 47 кДж/(м
1,2
20950
P 5849
123,0
88,121,2
250,0
1
76,2729,0
66,347
кДж
ч
Снова проверяем температуры:
= 950 – 5849 · 0,0296 = 950 – 174 = 776°C,
t
1,2
= 20 + 5849 · 0,00581 = 20 + 34 = 54°C.
t
н
44
2
·ч·град).
Результаты расчета удовлетворительны, округляя числа, имеем теп-
ловые потери через свод печи 5800 кДж/ч.
Температура кожуха свода 55°С.
Температура между кирпичом и засыпкой 780°С.
Под печи
В кладке пода печи намечаем три расчетных слоя:
– 1-й слой шамотного кирпича;
– 2-й слой диатомитового кирпича;
– 3-й слой диатомитового кирпича вперемешку с диатомитовым по-
рошком.
Упрощаем для расчета конструкцию кладки пода. В 1-й слой включаем только шамотные плитки и не принимаем во внимание выступы кирпичей на поду (
погрешности от этих допущений несколько скомпенсируют
друг друга).
Толщина слоев кладки пода
= 2 · 67 + 15 = 150 мм, δ2 = 2 · 65 = 130 мм, δ3 = 113 мм.
δ
1
Площади теплопередачи
– внутренняя поверхность F
= 0,670 · 2,400 = 1,61 м2.
в
Граница между 1 и 2 слоями
= (0,670 + 2 · 0,130) · (2,400 + 2 · 0,075) = 0,930 · 2,55 = 2,37 м2.
F
1,2
Граница между 2-м и 3-м слоями
= (0,930 + 2 · 0,100) · (2,55 + 2 · 0,070) = 1,03 · 2,75 = 2,77 м2.
F
2,3
Наружная поверхность F
Средняя площадь 1 слоя F
= 1,33 · 2,75 = 3,66 м2.
н
= 13,61·2,37 = 1,95 м2.
1
Средняя площадь 2 слоя F
Средняя площадь 3 слоя F
=
2
=
3
2,37·2,77
2,77·3,66
= 2,56 м2.
= 3,18 м2.
Предполагаемое распределение температур:
Внутренняя поверхность t
Граница 1 и 2 слоев t
Граница 2 и 3 слоев t
1,2
2,3
Наружная поверхность t
Окружающая среда t
= 20°С.
о
= 950°С.
в
= 750°С.
= 450°С.
= 70°С.
н
Отсюда получаем:
– средняя температура 1 слоя t
– средняя температура 2 слоя t
– средняя температура 3 слоя t
= (950 + 750)/2 = 850°С,
1
= (750 + 450)/2 = 600°С,
2
= (450 + 70)/2 = 260°С.
3
Коэффициенты теплопроводности (средние):
1-й слой: λ
2-й слой: λ
= 1,13 + 0,00125 · 850 = 2,192 кДж/(м·ч·град).
1
= 0,523 + 0,00113 · 600 = 1,2 кДж/(м·ч·град).
2
3-й слой пода печи, неоднородный по материалу.
45
На поду выложена клетка диатомитовых кирпичей, промежутки
между ними засыпаны диатомитовым порошком. Можно рассматривать
такой слой как однородный с некоторым эквивалентным коэффициентом
теплопроводности, равным средней взвешенной величине из величин коэффициентов теплопроводности кирпича (λ
= λк · (Fк/F) + λп · (Fп/F),
λ
з
где F
и Fп – площади, занятые кирпичом и порошком; F = Fк + Fп – пол-
к
) и порошка (λп):
к
ная площадь.
Рассматривая элементарную ячейку кладки, получим:
/F = (82/(82 + 65))2 = 0,5582 = 0,311.
F
п
Откуда – F
/F = 1 – 0,331 = 0,689.
к
Коэффициент теплопроводности диатомитового кирпича:
= 0,523 + 0,00113tз = 0,523 + 0,00113 · 260 = 0,817 кДж/(м·ч·град).
λ
к
Коэффициент теплопроводности диатомитового порошка:
= 0,356 + 0,0009tз = 0,356 + 0,0009 · 260 = 0,591 кДж/(м·ч·град).
λ
п
Средний коэффициент теплопроводности 3 слоя:
= 0,817 · 0,689 + 0,591 · 0,311 = 0,747 кДж/(м·ч·град).
λ
3
Коэффициент теплоотдачи поверхности пода: α = 38,1 кДж/(м
2
·ч·град).
Тепловой поток через под печи:
P
2
1
11
0
3
22
33
1
FFFF
нн
tt
в
150,0
95,187,0
130,0
56,2591,0
113,0
18,3747,0
1
7045
66,31,38
20950
кДж
ч
Проверка температур:
t
= tв – P · R1 = 950 – 7045 · 0,0351 = 705°C,
1,2
= t
t
2,3
= tо + P · Rн = 20 + 7045 · 0,00717 = 70,4°C.
t
н
– P · R2 = 705 – 7045 · 0,043 = 407°C,
1,2
Ввиду большого расхождения полученных температур с принятыми
для расчета необходимо задаться новыми значениями температур и сделать перерасчет потерь.
Принимаем t
= 700°C; t
1,2
= 400°C; tн = 70°C,
2,3
тогда:
= (950 + 700)/2 = 825°C,
t
1
= (700 + 400)/2 = 550°C,
t
2
= (400 + 70)/2 = 235°C.
t
3
Коэффициенты теплопроводности слоев:
= 1,13 + 0,00125 · 825 = 2,161 кДж/(м·ч·град.),
λ
1
46
λ2 = 0,523 + 0,00113 · 550 = 1,144 кДж/(м·ч·град.),
= 0,817 · 0,689 + 0,591 · 0,311 = 0,563 + 0,184 = 0,747 кДж/(м·ч·град.).
λ
3
Тепловой поток
P 6889
150,0
95,1116,2
130,0
56,4214,1
113,0
18,7374,0
1
66,31,38
20950
кДж
ч
Новая проверка температуры.
= 950 – 6889 · 0,0356 = 707°C,
t
1,2
= 707 – 6889 · 0,0444 = 405°C,
t
2,3
= 20 + 6889 · 0,00717 = 69°C.
t
н
Результаты расчета удовлетворительны. Округляя числа, получаем:
Тепловые потери через под печи – 6800 кДж/ч;
Температура кожуха пода – 70°С;
Температура между шамотом и диатомитом – 700°С;
Температура на засыпке – 400°С.
Боковая стенка печи
Кладка боковых стенок печи довольно сложна. Нижняя и верхняя части кладок стенки конструктивно отличны от средней части, но в данном
варианте стенка не отделяется на отдельные участки. Для расчета в конструкцию кладки вносят упрощения. Кладку стенки считают состоящей из
двух однородных слоев.
1-й слой – шамотно-легковесный кирпич толщиной
δ1 = 115 мм. Влия-
ние талько-шамотных полочек не учитывается.
2-й слой – диатомитовый кирпич δ
= 65 + 150 = 215 мм.
2
Влиянием пяты свода и диатомитовой засыпки в стенке пренебрегаем (влияния их несколько компенсируют друг друга).
Площади теплопередачи боковой стенки:
Внутренняя поверхность: F
= 0,560 · 2,400 = 1,34 м2.
в
Граница между шамотом и диатомитом:
= (0,560 + 0,150 + 0,180) · (2,400 + 2 · 0,065) = 2,25 м2.
F
1,2
Наружная поверхность F
Средняя площадь 1 слоя: F
= 1,36 · 2,75 = 3,74 м2.
н
=
1
1,34·2,25
= 1,74 м2.
Средняя площадь 2 слоя: F
= 2,25·3,74 = 2,9 м2.
2
Предполагаемое распределение температур:
внутренняя поверхность: t
граница шамота и диатомита: t
наружная поверхность: t
окружающее пространство: t
= 950°С;
в
= 70°С.
н
= 20°С.
о
= 700°С;
1,2
47
Средняя температура 1 слоя: t1 = (950 + 700)/2 = 825°С.
Средняя температура 2 слоя: t
= (700 + 70)/2 = 385°С.
2
Средние коэффициенты теплопроводности:
1-й слой: λ
2-й слой: λ
= 1,13 + 0,00125 · 825 = 2,161 кДж/(м·ч·град).
1
= 0,523 + 0,00113 · 385 = 0,958 кДж/(м·ч·град).
2
Коэффициенты теплопередачи с наружной поверхности: α = 46,5
2
кДж/(м
·ч·град).
Тепловой поток через боковую стенку:
tt
в
P
1
11
0
2
22
1
FFF
нн
115,0
74,1161,2
20950
215,0
9,2958,0
1
74,35,46
8230
кДж
ч
Проверка температур:
= tв – P · R1 = 950 – 8230 · 0,03 = 700°C,
t
1,2
= tо + P · Rн = 20 + 8230 · 0,00575 = 67°C.
t
н
Совпадение с принятыми температурами – удовлетворительно.
Округляя числа, получим:
– тепловые потери через боковую стенку печи: 8000кДж/ч,
– температура кожуха стенки (в среднем) 70°С,
– температура на диатомите 700°С,
– тепловые потери через обе боковые стенки печи
8000 · 2 = 16000кДж/ч.
Торцевые стенки печи
Торцевые стенки печи, опуская мелкие конструктивные детали, так-
же считаются однородными, состоящими из шамотно-легковесного кирпича толщиной δ = 175 мм.
Размеры внутренней поверхности стенки: ширина 670 мм, высота
(средняя) ~ 600 мм.
Площади теплопередачи:
Внутренняя поверхность: F
Наружная поверхность F
= 0,670 · 0,600 = 0,402 м2.
в
= 1,33 · 1,36 = 1,81 м2.
н
Средняя площадь торцевой стенки
F =
=
нв
0,402·1,81
FF
Температуру наружной поверхности стенки предполагаем t
температуру внутренней поверхности – t
температуру окружающей среды – t
Средняя температура стенки: t = (t
= 0,853 м2.
+ tн)/2 = (950 + 100)/2 = 525°С.
в
= 950°С;
в
= 20°С.
о
= 100°С;
н
Средний коэффициент теплопроводности:
λ = 1,13 + 0,00125 · 525 = 1,786 кДж/(м·ч·град).
Коэффициенты теплопередачи с наружной поверхности:
2
α = 52,75 кДж/(м
48
·ч·град).
Поток тепловых потерь через торцевую стенку
P
tt
0
в
1
175,0
FF
н
853,0817,1
20950
7530
1
81,175,52
кДж
ч
Проверка температуры стенки:
= tо + P · Rн = 20 + 7530 · 0,0105 = 97,5°C.
t
н
Совпадение хорошее, пересчета не требуется.
Надо иметь в виду, что расчетом получена средняя температура поверхности. Температура около муфеля может быть значительно выше
средней температуры. Уменьшение площади стенки вследствие наличия
муфеля незначительно и учитываться не будет.
Округляя полученные результаты, имеем: тепловые потери через
торцевую стенку печи – 7500 кДж/ч.
Температура кожуха
на торцах печи – 100°С.
Тепловые потери с обеих торцевых стенок составляют
7500 · 2 = 15000 кДж/ч.
Суммируем тепловые потери через различные части кладки печи:
свод, под, стенки боковые, стенки торцевые.
Потери через стык основания и свода
Металлоконструкции свода глубоко входят в кладку печи и дают
тепловое короткое замыкание. Наличие металлических листов в кладке
сильно усложняет картину распределения температур (температурное поле) и затрудняет точный расчет потерь тепла. Оценим порядок величины
тепловых потерь через стальные листы в стыке основания и свода печи.
Ради упрощения пренебрегаем вертикальными косынками, не
будем считаться также с теплообменом между боковыми поверхностями листов
и кладкой.
Определяем тепловой поток через горизонтальные листы на стыке
основания и свода печи. Толщина листа δ = 10 мм, ширина листа В =
250 мм, длина листа L = 2750 мм.
Коэффициент теплопроводности стали
= 125 кДж/(м
2
ч
град).
Температуры на внутреннем крае листа и на кожухе печи неизвестны
и определить их трудно. Ориентировочно можно считать, что температура
внутренней кромки листа близка к температуре в том же месте кладки.
Примем t
= 150°С. Тепловой поток через лист:
t
н
P = (L·δ/B) · λ · (t
= 800°С. Температуру на кожухе оценим приближенно
в
– tн) = (2,75 · 0,010/0,250) · 125 · (800 – 150) = 8750кДж/ч.
в
Через оба листа (в правой и левой боковой стенках) тепловые потери
составят: 8750 · 2 = 17500 кДж/ч.
49
Таким образом, потери через стык основания печи и свода значи-
тельны.
Потери через выступающие из печи концы муфеля
Концы вращающегося муфеля выступают из торцевых стенок печи.
На переднем конце муфеля находится загрузочный барабан. На задний конец муфеля насажено приводное колесо.
Передний конец муфеля
Через передний конец муфеля тепло из печи передается путем излучения и теплопроводности. Поскольку муфель мало выступает из печи,
температуру стенки его выступающей части можно считать постоянной.
Излучение тепла из рабочего пространства муфеля происходит через
отверстие в его винтовой поверхности.
Диаметр отверстия: d = 150 мм.
Площадь отверстия: F
= (π·d2)/4 = (3,14 · 0,1502)/2 = 0,0177 мм2.
1
Коэффициент диафрагмирования, т.к. толщина ребра мала по сравнению с диаметром отверстия, Φ ~ 1. Коэффициент излучения из отвер-
2
стия: С = 20,76 кДж/(м
·ч·град4).
Передача тепла теплопроводностью происходит через стенку муфеля: средний диаметр муфеля Д = 340 мм, толщина стенки муфеля
δ = 20 мм.
Площадь поперечного сечения муфеля:
2
S = π · Д · δ = 3,14 · 0,340 · 0,020 = 0,0214 м
.
Длина участка муфеля, передающего тепло теплопроводностью:
l = 300 мм.
2
Коэффициент теплопроводности стенки: λ = 50 кДж/(м
·ч·град).
С наружной поверхности муфеля тепло рассеивается излучением
и конвекцией. Площадь наружной поверхности муфеля:
2
/4 + π · Дн · Lн = 3,14 · 0,352 /4 + 3,14 · 0,35 · 0,20 = 0,315 м2;
н
где Д
F = π · Д
= 350 мм – наружный диаметр муфеля, Lн = 200 мм – длина высту-
н
пающей части муфеля.
Коэффициент теплоотдачи с поверхности муфеля зависит от температуры поверхности. Для температуры окружающей среды t
= 20°С зна-
о
чения общего коэффициента теплоотдачи (конвекцией и лучеиспусканием)
вычисляются по [4].
Определение тепловых потерь через выступающий конец муфеля
связано с определением температуры его поверхности. Прямое вычисление
тепловых потерь через температуру рабочего пространства печи и окружающей среды очень сложно. Поэтому поступают следующим образом:
задаются значениями температуры поверхности муфеля и вычисляют
тепловые потоки из рабочего пространства печи на эту поверхность и с нее –
в окружающую среду.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]