Рекомендуемые толщины кладки нагревательных печей

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФЕДРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра теплофизики

 

 

Тепловой баланс печи

 

 

Методические указания

По курсовому проектированию металлургических печей

 

 

Составители Е.П. Карамышева

И.П. Маклакова

 

Издательство ЛГТУ

УДК 669.04(07)

К 211

 

Карамышева Е.П. Тепловой баланс печи: методические указания по курсовому проектированию металлургических печей /сост.

Е.П. Карамышева, И.П. Маклакова. - Липецк: ЛГТУ, 2009. - 17 с.

 

 

Рассмотрены принципы составления теплового баланса печей непрерывного и периодического действия. Даны пояснения к расчету отдельных статей приходной и расходной частей баланса и характеристик тепловой работы печей.

Методические указания рекомендованы для студентов, обучающихся по направлению «Металлургия», при выполнении курсовых работ по дисциплинам «Теплотехника» и «Общая теория тепловой работы и конструкции печей».

 

 

Рецензент: доцент кафедры промышленной теплоэнергетики Басукинский С.М.

 

 

© Липецкий государственный

технический университет, 2009

 

1. Исходные данные для расчета теплового баланса печи

 

Таблица 1

Рекомендуемые толщины кладки нагревательных печей

Элемент кладки	Температура внутренней поверхности кладки, °С	Толщина слоя, мм
огнеупорного	теплоизоляционного
Стена высотой, м: до 1,0   до 1,0…2,0     до 3,0	до 1000 1000…1200 >1200   до1200 > 1200   1000…1200 >1200	232,348   348,464	116, 232     232,116
Свод арочный с центральным углом 600 с пролётом, м: до 1,0   до 3,5   до 5,0	до 1200 > 1200 до 1200 >1200 >1200	300…350	65, 116, 230 65, 116, 230 65, 116, 230 65, 116, 230 65, 116, 230
Свод подвесной	до 1200 > 1200	250…300 250…350	65, 116 -

 

2. Принцип и задачи составления теплового баланса печи

Тепловой (энергетический) баланс составляется в двух случаях:

а) при проектировании печи с целью определения отдельных статей прихода и расхода тепла (энергии), в конечном счете расхода топлива (электроэнергии), коэффициента полезного действия печи и других характеристик тепловой работы печи;

б) при теплотехнических испытаниях печи с целью установления действительных показателей её тепловой работы и разработки мероприятий по их улучшению.

В данной работе тепловой баланс рассматривается применительно к первому случаю.

Тепловой (энергетический) баланс печи выражается уравнением (1), связывающим статьи прихода и расхода тепла (энергии). Это уравнение является частным выражением закона сохранения энергии.

Тепловой баланс может быть составлен как для отдельных ступеней нагрева или зон печи, так и для всего времени нагрева или печи в целом. Для печи с переменной температурой по времени или по длине тепловой баланс составляется сначала для отдельных ступеней нагрева или зон печи, а затем всего времени нагрева или печи в целом.

Статьи теплового баланса печи выражаются в единицах энергии, отнесенных к единице времени, например: Дж/с (Вт) или кДж/с (кВт) – для непрерывно действующих и кДж/период или кДж/цикл – периодически действующих печей. В некоторых случаях статьи теплового баланса выражают в единицах энергии, отнесенных к единице количества обрабатываемого материала (например, кДж/кг) или в процентах от химического тепла топлива.

Уравнение теплового баланса нагревательной печи может быть записано в следующем виде

(выбрать только те, которые даны в сл.расчетах)

, (1)

где

- физическое тепло воздуха;

-потери тепла с уходящими газами (физическое и химическое тепло уходящих газов);

- потери тепла через кладку теплопроводностью;

- неучтенные потери тепла;

Приход тепла от плазмы

Потери тепла на аккумуляцию кладкой имеют место в периодически действующих печах, где они достигают 25 % и больше.

В зависимости от типа печи некоторые статьи прихода и расхода тепла могут и не учитываться (например, при отсутствии водоохлаждаемых элементов не будет статьи потери тепла с охлаждающей водой ).

 

3. Формулы для расчета статей прихода и расхода тепла

Каждую формулу напишем дважды: сначала для непрерывно действующей, а затем периодически действующей печи.

 

3.1. Статьи прихода тепла

 

Физическое тепло топлива

(3)

, (3а)

где энтальпия топлива при его температуре кДж/кг или кДж/м³.

 

Физическое тепло воздуха

(4)

, (4а)

где энтальпия воздуха при его температуре кДж/м³.

удельный расход воздуха, м³/кг, или топлива м³/ м³ (определяется при расчёте горения топлива).

Температуры подогрева топлива и воздуха определяются при расчёте горения топлива или принимаются по согласованию с преподавателем.

При курсовом проектировании физическое тепло жидкого топлива и неподогретых газов и воздуха обычно не учитывается.

3.2. Статьи расхода тепла

Потери тепла с уходящими газами
– физическое тепло, уносимое из печи горячими продуктами сгорания:

(8)

(8а)

где энтальпия уходящих газов при их температуре , кДж/м³.

удельное количество продуктов горения, м³/кг или м³/ м³ топлива (определяется при расчёте горения топлива);

СО – содержание СО в уходящих газах, %.

121,42 – тепловой эффект горения смеси 1% СО и 0,5% Н₂, отнесённый к 1% СО, кДж/(м³∙%);

При проектировании печи предусматривается сжигание топлива с избытком воздуха, что исключает возможность потерь тепла от химической неполноты горения.

Потери тепла через кладку теплопроводностью.

(9)

(9a)

где n – число элементов кладки печи (стены, свод, под), шт.;

q_i – плотность теплового потока, теряемого в окружающую среду с i -го элемента кладки, Вт/м²;

– то же, средняя за период нагрева t, Вт/м²;

10^-3 – коэффициент пересчёта Вт в кВт;

3,6 – то же, Вт в кДж/период;

F_i – расчётная плотность i -го элемента кладки, м².

Расчётная поверхность элемента кладки может быть определена как среднеарифметическая между внутренней и наружной.

Трудность расчёта Q_к связана с определением q для каждого элемента конструкции печи:

(10)

или

(11)

где t_k – температура внутренней поверхности кладки, которую можно принимать равной температуре печи или газов на данной ступени нагрева или зоны печи (t_k » t_г), °С;

t_в – температура окружающего воздуха в цехе, °С;

R₀ – общее тепловое сопротивление кладки, м²∙К/Вт;

`α₀ – средний за период нагрева коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности кладки, в окружающий воздух, Вт/(м²∙К);

` t – средняя за период нагрева температура наружной поверхности кладки, °С.

Общее тепловое сопротивление кладки

(12)

где m – число слоёв кладки данного элемента конструкции печи;

R_j – тепловое сопротивление j -го слоя, м²∙К/Вт;

R_в – внешнее тепловое сопротивление, м²∙К/Вт.

В свою очередь, R_j=S_j/l_j, а R_B=1/ α₀. Здесь S_K - толщина j -го слоя кладки (табл. 1), м; l_j - коэффициент теплопроводности j -го слоя, Вт/(м∙К).

Коэффициент теплоотдачи α₀ может быть определён по эмпирической зависимости

. (13)

Приближенно коэффициент теплоотдачи может быть принят α₀ = 12…15 Вт/(м²∙К).

Так как коэффициенты l_j и α₀ зависят от температуры, то значения q находят методом последовательного приближения.

Неучтённые потери тепла

Эти потери относительно небольшие и трудно определимые расчётом (например, через заслонки рабочих окон, закладные металлические элементы кладки), их оценивают ориентировочно. Поэтому при проектировании вводят статью неучтённых потерь тепла, равную 10 – 15 % от суммы отдельных статей расходной части теплового баланса.

(19)

(19а)

После определения всех статей прихода и расхода тепла (часть из них является функцией В или ` В) их значение подставляется в уравнение (1), из которого находится расход топлива В или` В. Затем определяется количественное значение статей, включающих расход топлива.

Результаты расчёта теплового баланса представляется в виде таблицы (например, табл. 3).

 

Таблица 3