 |
3. Тепловой расчет кладки
|
|
|
|
В тепловом расчете определяется тепло, теряемое через кладку, температура на границе слоев, толщина слоев кладки, и окончательно принимается материал кладки.
Расчет обычно ведут при заданной потере тепла в окружающую среду или при заданной температуре на наружной поверхности кладки.
В первом случае расчет может производится как самостоятельное действие, исходя из непосредственно заданных или нормированных потерь тепла, удовлетворяющих производственно-техническим требованиям и соображениям экономики.
Расчет толщины кладки по заданной температуре на поверхности производится обычно в случае, когда ни требования экономики, ни требования технологического процесса не ограничивают тепловых потерь кладки.
Обычно расчетная температура на поверхности принимается равной 60°С при штукатурном покровном слое и 55°С при металлическом. В ряде случаев оказывается рационально иметь повышенную температуру наружной поверхности кладки. При этом на некотором расстоянии от кладки (50-150 мм) устанавливают дополнительно металлический изолированный экран.
Исходными данными для производства теплового расчета кладки являются: 1) предварительный эскиз конструкции кладки с указанием материалов и необходимых размеров; 2) режим тепловой работы печи (непрерывная работа или периодическая); 3) температура внутри рабочего пространства печи; 4) температура окружающего воздуха; 5) максимально-допустимые теплопотери.
А. Расчет стен и свода производится в следующем порядке.
Определяются потери тепла в окружающую среду через кладку стен и свода по зонам, на которые разделено пространство печи. Удельный тепловой поток через стены и свод для отдельно взятой зоны определяется по формуле:
|
|
|
где 
-температура стенки внутренней поверхности кладки в рассматриваемой зоне, °С;
-температура окружающего воздуха, °С;
, 
-толщина отдельных слоев кладки, м;
, 
-коэффициенты теплопроводности соответствующих слоев кладки при их средней температуре, ккал/м час гр.; с учетом газопроницаемости слоев кладки, лишенной кожуха коэффициент теплопроводности материалов умножают на 1, 15-1, 2;
-коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности кладки в окружающий воздух, ккал/м2 час гр.
Температуру стенки принимают по расчету или приближенно на 80-90°С ниже температуры газов в данной зоне печи. Для высокотемпературных пламенных печей температуру можно определить по формуле:
, °С
где 
- температура обрабатываемого материала, К;
- температура газа, средняя по всему объему зоны печного пространства, К;
- множитель, определяемый по формуле Будрина
где 
- степень развития кладки;
- поверхность стен и свода, м2;
- активная поверхность пода, м2;
- коэффициент, обычно равен 0, 85-0, 95;
- степень черноты поверхности обрабатываемого материала;
- степень черноты газов.
Температура окружающего воздуха 
для печей установленных в закрытом помещении может приниматься равной 20°С.
Коэффициенты теплопроводности 
отдельных слоев кладки определяются по среднеарифметической температуре слоев, которая вычисляется на основании предварительно принятого падения температуры в кладке.
Коэффициент теплоотдачи определяется по формуле:
где 
- температура на наружной поверхности кладки, °С;
- коэффициент зависящий от пространственного расположения стенки, равный для вертикальной стенки-2, 2; для горизонтальной поверхности, обращенной к низу-1, 4; для горизонтальной поверхности, обращенной кверху-2, 8;
|
|
|
- степень черноты: для кирпичных стенок =0, 8-0, 9, для стального каркаса или листа =0, 8, при покрытии поверхности светлой алюминиевой краской =0, 2.
Температуры междуслойные и на наружной поверхности кладки определяются следующим образом. Минимальная температура первого от внутренней поверхности слоя или максимальная второго слоя определяется по формуле:
, °C
Минимальная температура второго слоя определяется по формуле:
, °C
Аналогично определяются все остальные пограничные температуры отдельных слоев до температуры наружной поверхности. После этого определяются средние температуры слоев и соответственно им уточняются значения 
и т. д. и значение .
Затем снова определяется значение 
и проверяются температуры при этом новом значении и уточняются и до тех пор, пока значения окажутся соответствующими средним температурам слоев и соответствующей температуре наружной поверхности кладки.
При определении полной потери тепла
поверхность кладки 
находится как средняя геометрическая от внутренней 
и наружной 
поверхностей.
, м2
При расчете вертикальных стен кладки можно пользоваться графиком на рис. 11 и таблицей П-8 (приложения). В табл. Приводятся значения вспомогательного множителя
, м× час× град/ккал
с помощью которого определяется термическое сопротивление слоя 
заданной толщины 
по формуле:
, м2× час× град/ккал
Для печей периодического действия, работающих в условиях нестационарного теплового режима, температуры кладки межслойные и на наружной поверхности, определяются исходя из условий стационарного теплового режима. Расчет производится по формулам, приведенным выше. При этом будет иметь место некоторый запас термического сопротивления и температуры будут несколько ниже расчетных во время выхода печи на режим. При достаточно большом периоде безостановочной работы печи тепловые потери через кладку можно рассчитывать по формуле для стационарного режима.
Рис. 11. График для определения тепловых потерь и температуры на наружной поверхности и между слоями кладки при температуре окружающего воздуха 20°С.
|
|
|
Если время изотермической выдержки мало и кладка печи за междупериодный промежуток полностью охлаждается, то можно считать, что потери тепла в окружающую среду состоят только из тепла аккумулированного кладкой.
Расчет аккумулированного двухслойной кладкой тепла в условиях нестационарного режима на участках с одинаковым отношением толщин первого и второго слоев и условиями теплообмена на внешней поверхности, производятся по уравнению:
, ккал/м2
где 
- теплоемкость материала внутреннего слоя, ккал/кг× град;
- удельный вес материала внутреннего слоя, кг/м2;
- толщина внутреннего слоя, м;
- коэффициент температуропроводности материалов внутреннего и наружного слоев, м2/час (значения в табл. 5);
- температура внутренней поверхности кладки при изотермической выдержке, °С;
- температура окружающего воздуха, °С;
, час;
где 
- продолжительность нагрева, час;
- продолжительность выдержки, час;
Функция 
определяется по графикам на рис. 12 для 
и на рис. 13 для 
. Здесь - толщина наружного слоя кладки.
При возможны следующие варианты толщин слоев (исходя из кратности размерам нормального кирпича):
и т. д.
При могут быть варианты:
и т. д.
При необходимости проведения более точного расчета прогрева многослойной кладки следует пользоваться методом конечных разностей, который применительно к этому случаю изложен в (Л. 7). Там же приводится пример расчета.
Б. Расчет пода и фундамента. Температура, которая устанавливается через 
часов после начала работы печи в том или ином месте пода, опирающегося на фундамент и на грунт при нестационарном поле температур, определяется при помощи графика на рис. 14.
Рис. 12. График для расчета теплопоглощения двухслойной стенкой с отношением
Этот график построен на основе уравнения, которым описывается нестационарное поле температуры в фундаменте и грунте:
, °C
Рис. 13. График для расчета теплопоглощения двухслойной стенкой с отношением
Причем для упрощения температура грунта в начальный момент работы печи принимается равной 0°С, тогда уравнение преобразуется в расчетное:
|
|
|
, °С
где множитель - 
В этих формулах:
- температура в точке, находящейся на расстоянии 
от горячей поверхности, °С;
- температура на горячей поверхности пода, °С;
- температура грунта, °С;
- коэффициент температуропроводности;
- функциональная зависимость.
График на рис. 14, по которому определяется величина 
имеет две шкалы: одна (I) для коэффициента температуропроводности 
и другая (II) для любого значения 
.
Переход от шкалы (I) к шкале (II) производится с помощью табл. 4, откуда берется соответствующая данному поправка .
Рис. 14. График для определения температуры в поде печи.
Таблица 4
Поправки к коэффициенту температуропроводности
| Коэффициент
температуро-
проводности , м2/час
| Поправка
| Коэффициент
температуро-
проводности , м2/час
| Поправка
|
| 0, 0010 | 1, 58 | 0, 0026 | 0, 98 |
| 0, 0012 | 1, 42 | 0, 0028 | 0, 95 |
| 0, 0014 | 1, 33 | 0, 0030 | 0, 91 |
| 0, 0016 | 1, 25 | 0, 0032 | 0, 88 |
| 0, 0018 | 1, 16 | 0, 0034 | 0, 85 |
| 0, 0020 | 1, 11 | 0, 0036 | 0, 84 |
| 0, 0022 | 1, 06 | 0, 0038 | 0, 81 |
| 0, 0024 | 1, 02 | 0, 0040 | 0, 78 |
При этом по шкале (II) берется значение, равное произведению поправки на значение шкалы (I).
Средние значения коэффициента температуропроводности некоторых материалов в пределах температур наиболее частого их применения приведены в табл. 5.
Многослойную кладку следует рассматривать как однородную с эквивалентными теплофизическими характеристиками:
; 
; 
; 
Таблица 5
| Наименование материала | , м2/час
|
| Огнеупорный кирпич | 0, 0020 |
| Красный (глиняный) кирпич | 0, 0018 |
| Диатомовый кирпич | 0, 0012 |
| Минеральная вата | 0, 0014 |
| Бетон | 0, 0028 |
| Железобетон | 0, 0030 |
| Грунт сухой | 0, 0025 |
| Грунт влажный | 0, 0034 |
Количество тепла , теряемого 1 м3 площади пода через фундамент в грунт, в зависимости от времени непрерывной работы печи , определяется при помощи графика на рис. 15.
Рис. 15. График для определения тепловых потерь через под в грунт при .
По графику определяются потери тепла в грунт
приходящиеся на 1° разности температур 
при 
.
Величина 
определяется по формуле
где - поправочный множитель, вводится при значениях отличающихся от 0, 0025; величина берется из табл. 4.
Приведенный метод расчета пода и фундамента может быть использован как для печей периодического действия, так и для непрерывно работающих.
Кроме того, в некоторых случаях для непрерывно работающих печей, при небольшом заглублении фундамента (на 1, 0-1, 5 м от уровня пола) можно пользоваться при расчете формулой:
|
|
|
где - температура окружающего воздуха, °С;
- термическое сопротивление 1-го слоя кладки пода, м2 час град/ккал;
- то же, второго слоя;
- то же грунта;
- то же, теплоотдачи в окружающий воздух;
- средний путь теплового потока в грунте, м; определяется приближенно по дуге полуокружности путем замера его на чертеже;
- коэффициент теоплопроводности грунта, ккал/м× час× град;
- коэффициент теоплоотдачи от поверхности земли окружающему воздуху, ккал/м2× час× град.
Далее определяется температура в плоскости соприкосновения 1-го и 2-го слоев кладки
, °C;
температура в плоскости соприкосновения 2-го и 3-го слоев
, °C, и т. д.
Дальнейшие действия аналогичны таковым при расчете стен и сводов в случае стационарного режима.
|
|
|
