3. Определение температур и установленной мощности печи

3.1. Определение температур в тепловых зонах

После разделения рабочего пространства печи на тепловые зоны необходимо оценить температуру печи в каждой из зон, температуру загрузки в начале и в конце каждой из зон, а также выполнить проверку по предельному тепловому потоку и температурным перепадам в загрузке по методике [2].

Под температурой печи понимается усредненная температура всех участвующих в облучении загрузки поверхностей нагревателей, футеровки, жароупорных элементов конструкции и т.п.

Для печи с одной зоной нагрева определяется удельный тепловой поток, Вт/м²

q_п= 2,7810^4(t_нг.к.– t_нг.н.)C_зS/ [ _нг – 0,3S²/(a3600)], (6)

где t_нг.к. и t_нг.н. – конечная и начальная температура нагрева загрузки, ºC; C_з – удельная теплоемкость загрузки, Дж/(кгºC); – плотность материала загрузки или объемная масса насыпной загрузки, кг/м³; S – толщина загрузки, м, при одностороннем относительно загрузки размещении нагревателей или половина толщины – при двухстороннем; a – температуропроводность загрузки, м²/с, определяемая как /(C_з);  – теплопроводность загрузки, Вт/(мºC). Начальная температура нагрева t_нг.н. принимается равной комнатной температуре (20 ºC).

Если загрузка обращена к футеровке главным образом не плоской, а цилиндрической поверхностью, то выражение (6) перепишется

в виде:

q_п= 1,3910^4(t_нг.к.– t_нг.н.)C_зR/ [ _нг – 0,25R²/(a3600)], (7)

где R – радиус изделия. При расчете барабанных печей за радиус R и степень черноты загрузки _з принимаются радиус и степень черноты (0,8) барабана, а за теплоемкость, плотность и теплопроводность загрузки – соответствующие параметры насыпной загрузки.

По удельному тепловому потоку рассчитывается температура печи, ºC:

, (8)

где C_пр – приведенный коэффициент лучеиспускания, Вт/(м²·ºC⁴), определяемый как

, (9)

где _п – степень черноты печи (принимается равной 0,9); _з – степень черноты загрузки.

Для печи с несколькими зонами нагрева температура печи и температура загрузки в начале и в конце каждой из зон рассчитываются путем последовательных приближений. Предварительно температуры всех зон печи принимаются одинаковыми и на 50 ºC выше конечной температуры нагрева загрузки.

Удельный тепловой поток в конце последней зоны нагрева, Вт/м², определяется как

, (10)

где t_п – принятая температура печи (зоны), ºC; – температура загрузки в конце зоны, ºC (для последней зоны нагрева равна заданной конечной температуре нагрева).

Удельный тепловой поток не должен быть больше предельного значения, определяемого температурой печи и материалом загрузки (см. [2], табл. 5.2), иначе произойдет перегрев нагревателей. Если удельный тепловой поток, рассчитанный по ф. (10), оказался выше предельного значения, то его следует уменьшить до этого значения, что соответствует снижению температуры печи. Новое значение температуры печи определяется согласно ф. (8).

По удельному тепловому потоку определяем температуру загрузки в начале последней зоны нагрева

t’=t’’– _зоны 3600q_зоны/(C_зS), (11)

где _зоны – время нахождения загрузки в зоне, ч (при одинаковой длине зон определяется делением заданного времени нагрева на количество зон нагрева). Для случая цилиндрической поверхности загрузки выражение (11) принимает вид

t’=t’’– _зоны 7200q_зоны/(C_зR). (12)

Зная температуру печи и температуру загрузки в начале последней (N-ой) зоны, т.е. в конце (N–1)-ой зоны, находим температуру загрузки в начале (N–1)-ой зоны, и т.д. до температуры в начале первой зоны нагрева (у загрузочного конца печи). При этом температуры печи в зонах, изначально принятые одинаковыми и на 50 ºC выше конечной температуры нагрева, могут корректироваться с целью снижения удельного теплового потока, превышающего предельное значение.

Температуру загрузки в начале каждой из зон нагрева, кроме первой зоны, определяют по ф. (11) или (12), подставляя в выражение температуру загрузки в конце рассматриваемой зоны и удельный тепловой поток этой зоны, рассчитанный по ф. (10). Температура в начале первой зоны (т.е. в начале печи) определяется как

t_нг.н= t’’– [ _нг – 0,3S²/(a3600)]3600q_зоны/(C_зS), (13)

или, для случая цилиндрической поверхности загрузки

t_нг.н= t’’– [ _нг – 0,25R²/(a3600)]7200q_зоны/(C_зR). (14)

Расчетное значение t_нг.н, полученное по ф. (13) или (14), должно быть близко к комнатной температуре (20 ºC). Если расчетное значение существенно ниже комнатной температуры, то необходимо уменьшить температуру печи и, соответственно, удельный тепловой поток, и повторить расчет. Если расчетное значение t_нг.н существенно выше комнатной температуры, то следует увеличить температуру печи и повторить расчет по ф. (10), (11), (13), а для случая цилиндрической поверхности загрузки – по ф. (10), (12), (14). Увеличивать температуру печи и, следовательно, тепловой поток бесконечно невозможно, ограничением является предельное значение удельного теплового потока по табл. 5.2 [2].

Необходимо проверить, не превышает ли перепад температуры в загрузке в конце любой зоны нагрева допустимое значение. Перепад температуры, ºC, определяется как

t= q_зоныS/(2), (15)

где  – теплопроводность загрузки, Вт/(мºC). Для случая цилиндрической поверхности загрузки в ф. (15) вместо S подставляется радиус R.

Если перепад температуры в загрузке недопустимо большой, то требуется корректировка задания в части увеличения заданного времени нагрева. То же самое необходимо делать, если тепловые потоки во всех зонах достигли предельного значения, а начальная температура нагрева по ф. (13), (14) все равно существенно выше 20 ºC.

Зная температуру загрузки в конце каждой из зон, переходим к расчету полезной мощности печи.