Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

3.5 Расчет теплового баланса печи

Составление теплового баланса заключается в определении количества тепла, введенного в печь в определенный промежуток времени (в час, в секунду, в определенный период нагрева), и количества тепла, расходуемого печью за тот же промежуток времени, приравнивая эти количества, мы можем определить расход топлива за принятый промежуток времени, а по нему удельный расход топлива, статьи теплового баланса, КПД печи.

Тепло в печи получается за счет сгорания топлива, в виде физического тепла подогретого воздуха, а также за счет экзотермической реакций, проходящих в печах.

Полученное тепло затрачивается в некоторой части на нагрев металла до определенной температуры по технологическому процессу. Это полезная затрата тепла. Часть тепла теряется с нагреваемыми газами, часть расходуется на нагрев стен печи (аккумуляцию) и на отдачу тепла стенками в окружающую среду; наконец, остальная часть теряется с дымовыми газами. Это бесполезная трата тепла.

Уравнение теплового баланса определяется формулой:

(13)

где - тепло, полученное за счет расхода электрической энергии

Q_экз-тепло экзотермических реакций, не связанных с горением топлива

- полезно используемое тепло

потери тепла в окружающее пространство

- расход тепла на разогрев кладки и других составных частей печей

- расход тепла на нагрев приспособлений для загрузки, выгрузки и транспортировки

Приходные статьи:

1) Тепло полученное в результате расхода электроэнергии:

(14)

где N – затраченная электрическая мощность, кДж/ч;

Z – время технологического процесса, ч.

Q_э=5, 58·N кВт/ч=5, 58·N кДж/ч

2) Тепло экзотермических реакций. Здесь учитываются все химические реакции, идущие с положительным тепловым эффектом (отрицательным значением энтальпии), кроме реакций горения топлива. В нагревательных печах учитывается только тепло, выделяющееся при окислении сплава. При окислении железоуглеродистых сплавов выделяется 5652 кДж/кг, поэтому:

(15)

где а– общий угар сплава, % (для термических и нагревательных печей он равен 0, 5... 1, 0 % от массы садки);

G – масса садки, кг/ч, кг/период.

Q_экз=5652·10722· =484806 кДж/ч

Q_прих.=5, 58 ·N+484806

Расход тепла печью

1) Полезно израсходованное тепло на нагрев металла

=G·

(16)

где G-масса садки, кг/ч;

с_с–средняя теплоемкость материалов в интервале от начальной до конечной температур нагрева, кДж/(кг·⁰ С)

Q₁=10722·0, 550·(1250-20)=7253433 кДж/ч

2) Потери тепла в окружающее пространство для непрерывно работающих печей складываются из следующих составляющих:

(17)

где Q_кл-потери через кладку печи, кДж/ч;

Q_ок- потери излучением через открытые окна печи, кДж/ч;

Q_в-потери тепла уносимого водой, охлаждающей отдельные части печи, кДж/ч.

Общие потери тепла через кладку печи составят:

+ Q_пд

(18)

где -потери тепла через стенки печи, кДж/ч;
Q_св-потери тепла через свод печи, кДж/ч;

Q_пд-потери тепла через под печи, кДж/ч.

Потери тепла через стенку печи определяется по формуле:

(19)

где q-удельная плотность потока для плоской стенки, Вт/м²;

F_ф-площадь стен печи, м².

Удельный поток для двухслойной стенки (см. рис.? )рассчитывается по формуле:

(20)

где δ _i – толщина i-го слоя огнеупорной футеровки, м;

λ _i – коэффициент теплопроводности i-го слоя футеровки при средней температуре (t_ср.), Вт/(м·⁰С);

– коэффициент теплоотдачи от стенки печи окружающей среде Вт/(м²·⁰С).

(21)

t_нар-наружная температура стенки печи, ⁰С

Далее считая внутреннюю температуру кладки печи заданной (t_вн), а наружную температуру принятой (t_нар) и принимая в первом приближении распределение температуры по толщине кладки линейным из геометрических соотношений, найдем температуры на границах раздела слоев.

Рисунок 13 - Схема теплового потока через двухслойную стенку Для предварительного расчета можно принять:

t₂=

(22)

где - температура печи, ⁰С; =1300 ⁰С

= - наружная температура стенки печи, ⁰С; =80 ⁰С

t₂= =690 ⁰С

t_{ср. 1}= = =995 ⁰С

t_{ср. 2}= = =385 ⁰С

Коэффициент теплопроводности огнеупорных и теплоизоляционных материалов при заданной температуре λ _i(t) можно определить по формуле:

λ _i(t)= λ ₀+b· t_{ср. i}_,

(23)

где λ ₀ – коэффициент теплопроводности материала слоя при 0⁰ С, Вт/(м·⁰С)

b- температурный коэффициент, ⁰ С^-1.

Коэффициент теплопроводности для шамота класса А:

λ ₁= 0, 7+ 0, 00055· 995=1, 25 Вт/(м·⁰С)

Коэффициент теплопроводности для динасового кирпича марки ДЛ-1, 2:

λ ₂= 0, 81+ 0, 00065· 385=1, 06 Вт/(м·⁰С)

Найдем коэффициент теплоотдачи от стенки печи:

=10+0, 06·80=14, 8 Вт/(м²·⁰С).

Удельный поток равен:

q= , =2585 Вт/м²

Зная величину удельного теплового потока, необходимо определить температуры на стыке слоев кладки, температуру на наружной поверхности кладки и средние температуры в слоях кладки:

=1124-2585· =648

=648-2585· =79

Выполняем проверку:

t_{ср. 1}= = =975 ⁰С,

t_{ср. 2}= = =364 ⁰С,

Проведенная проверка установила, что температура на стыке слоев кладки найдена верна.

Далее необходимо найти площадь поверхности кладки.

Боковая стенка печи имеет вид:

Рисунок 14- Эскиз боковой стенки печи.

Площадь поверхности боковой стенки рассчитывается по формуле:

F=H·L

(24)

где Н-габаритная высота печи, м;
L-габаритная длина печи, м.

F_{б. ст.}=5, 540·2, 489=13, 79 м²

Площадь задней и передней стенки равна:

F_{з. п. ст.}=2, 57·2, 489=6, 40 м²

Площадь пода и свода равна:

F_{п. св.}=5, 540·2, 57=14, 24 м²

Так как, толщина футеровки одинакова во всех направлениях, для расчета потери тепла можно найти общую площадь:

F_общ.=2· F_{б. ст}+2· F_{з. п. ст}+2· F_{п. св}=2·13, 79+2·6, 40+2·14, 24=68, 86 м²

Общие потери тепла через кладку печи составят:

2585·68, 86=178003 Вт/ч=640811 кДж/ч

Далее найдем потери тепла, через открытую дверцу печи.

Потери тепла излучением через открытые окна печи:

;

(25)

где – коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5, 768 Вт/(м²·К⁴ );

– коэффициент диафрагмирования, значения которого приведены в приложении;

– время открытого состояния окна за весь период работы печи, ч;

– средняя температура внутри печи, К;

– средняя температура окружающего пространства, К;

– площадь открытого окна/дверцы, м².

Так как, окно имеет прямоугольную форму, его площадь рассчитывается по формуле:

F=H·B

(26)

где Н-высота окна, м; H=1, 94 м

B-ширина окна, м; B=1, 65 м

F=1, 94·1, 65=3, 20 м²

=200903 Вт/ч=723252 кДж/ч

Так как, расчетная температура на поверхности печи менее 100 ⁰С, то предлагается не использовать водоохлаждение корпуса печи.

𝑄 _в=0

Потери тепла в окружающее пространство равны:

𝑄 ₅=640811+723252=1363063 кДж/ч

3) Расход тепла на разогрев кладки и других составных частей печей:

(27)

где – объем i-го слоя кладки, м³;

Чтобы найти объем теплоизоляционного слоя, необходимо площадь кладки динаса умножить на толщину слоя δ. Площадь рассчитывалась ранее.

Чтобы найди объем огнеупорного слоя, необходимо найти площадь кладки шамота.

В_ш.=В_общ.-460=2567, 5-460=2107, 5 мм=2, 12 м

Н_ш=Н_общ-460=2489-460=2029 мм=2, 03 м

L_ш=L_общ-460=5540-460=5080 мм=5, 08 м

F_общ.=2· F_{б. ст}+2· F_{з. п. ст}+2· F_{п. св}=2·(5, 08·2, 03)+2·(2, 12·2, 03)+2·(5, 08·2, 12)=

=50, 77 м²

50, 77·0, 23=11, 68 м³

-плотность i-го слоя кладки, кг/м³;

=1820 кг/м³;

=1920 кг/м³.

– средняя удельная теплоёмкость i-го слоя кладки, кДж/(кг·⁰ С);

=865+0, 210·t=865+0, 210·((1124+648)/2)=1051=1, 051 кДж/ (кг·⁰ С);

870+0, 193·t=870+0, 193·((648+79)/2)=940=0, 94 кДж/ (кг·⁰ С).

, – соответственно средняя конечная и начальная температура i-го слоя кладки печи, ⁰ С;

- время разогрева кладки, ч

Время разогрева кладки находится исходя из скорости нагрева, которая составляет 100-150 .

=1300/150=8, 7 ч

= = 1222376 кДж/ч

=15, 84 ∙ 1920∙ 0, 94∙ (648-79)/8, 7 = 1848476 кДж/ч

= =1222376+1848476=3070852 кДж/ч

4) Неучтенные потери, кДж/ч, кДж/период:

Q₇=(0, 10... 0, 15) (

)

(28)

где 0, 10... 0, 15 – доля неучтенных потерь от суммы расходных статей теплового баланса.

Q₇=0, 10· ( + + =

=1168735 кДж/ч

Q_расх.= кДж/ч

Q_прих.= Q_расх.

5, 58·N+484806=

5, 58·N=

5, 58·N=12371277

N=2217075 кДж/ч

N=616 кВт/ч

Результаты расчета теплового баланса приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Сводная ведомость теплового баланса

Приход тепла			Расход тепла
Наименование статей	Q, кДж/ч	%	Наименование статей	Q, кДж/ч	%

1. Тепло полученное в результате расхода электроэнергии		96, 2	1. Полезно израсходованное тепло на нагрев металла		56, 4
2. Тепло экзотермических реакций		3, 8	2. Потери тепла в окружающее пространство		10, 6
			3. Расход тепла на разогрев кладки		23, 9
			4. Неучтенные потери		9, 1
Всего приход:			Всего расход:

Невязка 12856085-12856083 =2 кДж/ч

Относительная погрешность (2/12856085)·100=0, 00001≤ 0, 1%, что допустимо в технических расчетах.

Тепловой КПД печи:

η =

*100%

(29)

где Q₁ – полезно используемое тепло, кДж/ч;

Q_э – тепло, полученное за счет расхода электрической энергии кДж/ч.

η =7253433/12371279·100%=58, 6%

3. 6 Расчет электронагревателей.

Исходными данными для расчета нагревателей для печей сопротивления являются: мощность печи, геометрические размеры печи, напряжение питающей сети, начальная и конечная температура металла.

Расчет нагревателей производится в следующей последовательности:

1. Находится рабочая температура нагревателя по формуле: