1.4. Лабораторна робота №3

Складання теплового балансу нагрівальної печі.

Мате роботи – придбання навичок в складанні теплових балансів електропечей та їх аналізу.

Тривалість аудиторної роботи – 6 годин.

Теоретична частина.

Тепловий баланс печі виражається рівнянням, яке зв’язує статті приходу та витрат теплоти. Теплові баланси складаються у двох випадках. В першому випадку – при проектуванні печей, з метою визначення окремих статей витрат теплоти, а також витрат палива або електроенергії, які передбачаються, вибору паливоспалювального обладнання та розрахунків по механіці газів. При випробуваннях печей баланс складається з метою встановлення техніко-економічних показників їх роботи: продуктивність печі, втрати палива та електроенергії, а також розміри втрат теплоти.

Тепловий баланс печі дозволяє оцінити розподіл теплоти в печі на окремі статті витрат, визначити ККД печі та накреслити міри, які зроблять кращою Ії роботу та конструкцію.

Теплові баланси можуть складатися як для окремих частин (топка, робочій простір, обладнання для утилізації теплоти і т.і.), так і для всієї печі в цілому. Частіше всього їх складають тільки для робочого простору. Теплові баланси для печей, які роблять періодично, складають для одного циклу (одна плавка, одна садка, одна нормалізація і т.і.), а для печей, які працюють без перерв – для одної години роботи.

Приходні статті.

В приходну частину теплового балансу включається теплота, яка виділяється електричним нагрівником печі:

(3.1)

де W - витрати електроенергії на період експерименту,

- електричний ККД печі (для печі, яка досліджується ).

Статті витрат.

1. Корисні витрати теплоти на нагрів заготівки:

(3.2)

де - маса металу, який нагрівається, кг;

- питома кількість теплоти металу при температурі, з якою він видається з печі, ; при 300^оС ; при 400 ^оС ; при 500^оС

2. Втрати теплоти теплопровідністю кладки при стаціонарному режимі:

для плоских поверхонь:

(3.3)

де - температура стінки, відповідно внутрішньої та зовнішньої, ^оС;

- товщина шару кладки, м;

- теплопровідність кладки, ;

- розрахункова площа кладки, м²;

- тривалість роботи печі в стаціонарному режимі, с;

для циліндричних поверхонь:

(3.4)

де Н - височина циліндричної поверхні, м;

- радіус циліндра, відповідно внутрішній і зовнішній, м.

3. Втрати теплоти теплопровідністю кладкою за час виходу печі на стаціонарний режим.

До початку стаціонарного стану, як тільки тепловий потік досягне зовнішньої поверхні кладки, будуть спостерігатись втрати теплоти в навколишнє середовище теплопровідністю. Тому треба враховувати втрати теплоти в навколишнє середовище до моменту виходу печі на стаціонарний режим. Величину втрат Q₃ розраховують по формулам (3.3) та (3.4), з врахуванням .

4. Втрати теплоти на її акумуляцію кладкою (коли визначають тепловий баланс печей, які працюють безперервно, цією статтею нехтують):

(3.5)

де V - обсяг кладки, м³;

- густина кладки (для шамоту );

- питома теплота кладки при середній температурі в кінці та початку розігріву,;

- тепловий вміст кладки на початку розігріву (), ;

5. Непогодженість балансу.

При складанні балансу печі внаслідок неточності визначення окремих частин може виявитись, що витратна частина балансу відрізняється від приходної. Це суперечить закону збереження енергії. Тому невідповідність приходу та витрат теплоти враховують непогодженість балансу . не повинна перевищувати 10-15% загальних витрат теплоти.

Весь баланс та окремі його статті зводяться в табл. 1.

Таблиця 1. – Зведена таблиця теплового балансу печі.

Стаття	Означення		%
I. Прихід теплоти Теплота, яка виділяється електричним нагрівачем.			100
II. Витрати теплоти Нагрів металу Втрати теплоти кладкою при стаціонарному режимі Втрати теплоти кладкою за час виходу печі на режим Акумуляція кладкою Непогодженість балансу
Всього втрати теплоти			100

Опис установки.

Муфельна піч опору №1, для якої необхідно скласти тепловий баланс, розрахована на роботу від мережі 220В і укомплектована тепло регулятором, який забезпечує регулювання температури печі в діапазоні 100-1000^оС. Для врахування витрат електроенергії на приладовому щиті встановлено електролічильник типу СЩ-5. Піч (рис. 3) складається з металевого кожуха, всередині якого розміщений шамотний муфель з нагрівальними елементами, виготовленні з ніхрому марки Х20Н80, які розміщуються на зовнішній поверхні муфеля. Між нагрівником та кожухом є теплова ізоляція з шамоту. Муфель закривається шамотною кришкою.

Для контролю температур та складання теплового балансу в піч вмонтовані термопари типу ХА. Всі термопари з’єднані з потенціометром МПЩПр-54М за допомогою багато позиційного перемикача.

Рисунок №3 – Ескіз печі.

1 – перший шар шамоту; 2 – другий шар шамоту.

Експериментальна частина.

1. Зважити заготівку завантажити її в піч №1, записати показання лічильника з точністю до другого знаку. Ввімкнути піч на температуру, яку вказує викладач, зафіксувати час ввімкнення печі.

2. Розігріти піч до стаціонарного теплового стану, для чого виміряти температуру внутрішніх і зовнішніх шарів з інтервалом в 10 хвилин (після того, як піч набере задану температуру). Якщо протягом цього періоду зміни температури не буде, режим вважається стаціонарним.

3. Зафіксувати час виходу на стаціонарний режим .

температуру вимірюють вмонтованими в футеровку термопарами:

1. зовнішня температура кришки;

2. внутрішня температура кришки;

3. зовнішня температура стінки;

4. внутрішня температура стінки;

5. зовнішня температура черені;

6. внутрішня температура черені.

4. Після виходу печі на стаціонарний режим зробити затримку на протязі хвилин (по вказівці викладача), зафіксувати показання лічильника.

5. Розрахувати температури необхідні для обчислення і занести їх в таблиці 2 та 3.

Таблиця 2 – Дані для розрахунку плоских поверхонь печі.

Грань печі
Склепіння						0,02
Черінь						0,02

Таблиця 3 – Дані для розрахунку циліндричних поверхонь.

Грань печі
Стінка								0,02

В таблицях 2 і 3:

- початкова температура;

- температура внутрішнього шару після виходу на режим;

- температура зовнішнього шару після виходу на режим;

- середня температура внутрішнього шару за час виходу на режим: ;

- середня температура зовнішнього шару за час виходу на режим: .

6. Розрахувати складові частини теплового балансу:

а) прихід теплоти по формулі (3.1);

б) корисні затрати теплоти по формулі (3.2);

в) втрати теплоти кладкою (склепіння, черінь, стінки) при стаціонарному режимі, використовуючи формули (3.3) та (3.4) і температури та , а також ;

г) втрати теплоти кладкою за час виходу печі на стаціонарний режим, використовуючи формули (3.3) і (3.4) і температури та ;

д) втрати теплоти на акумуляцію кладкою по формулі (3.5).

Питома кількість теплоти шамотної кладки розраховують по рівнянню:

де - середня температура кладки,

7. Скласти тепловий баланс, дані занести в таблицю 1.

Виконання розрахунків на ЕОМ.

Для виконання розрахунків теплового балансу на ЕОМ необхідно присвоїти змінним слідуючи значення:

- температура внутрішнього шару склепіння після виходу на режим Т1(2),^оС;

- температура зовнішнього шару склепіння після виходу на режим Т1(3),^оС;

- температура внутрішнього шару черіні після виходу на режим Т2(2),^оС;

- температура зовнішнього шару черіні після виходу на режим Т2(3),^оС;

- температура внутрішнього шару бокової стінки після виходу на режим Т3(2),^оС;

- температура зовнішнього шару бокової стінки після виходу на режим Т3(3),^оС;

- маса завантаженого металу ;

- теплоємність металу,;

- час роботи печі на стаціонарному режимі ;

- час за який піч виходила на стаціонарний режим ;

- товщина склепіння ;

- товщина черені ;

- товщина стінки ;

- площа склепіння ;

- площа черені ;

- об’єм кладки стін ;

- височина циліндричної частини печі ;

- внутрішній радіус печі ;

- зовнішній радіус печі ;

- густина кладки ;

- ККД печі ;

- витрати електроенергії по лічильнику ;

Дані, які підготували, вводять в ЕОМ по програмі “L3”.

Зміст звіту.

1. Мета роботи.

2. Схема та опис експериментальної установки.

3. Обробка експериментальних даних.

4. Результати розрахунку на ЕОМ (за вказівкою викладача).

5. Висновки по роботі.

Контрольні питання.

1. Як визначити потужність електричної печі при її проектуванні?

2. Який ККД печі?

3. Запропонуйте шляхи підвищення ККД цієї печі.

4. Як визначають теплові втрати печі крізь черінь, склепіння, стінки?

5. Перерахуйте статті витрат промислової електропечі опору.