3. Тепловой баланс печи

Толщину печных стенок принимают с учётом требований строительной прочности и температуры в рабочем пространстве печи. С точки зрения строительной прочности необходимо принимать во внимание высоту вертикальных стен и ширину пролёта, перекрываемого лучковым сводом, а также кривизну последнего, характеризуемую центральным углом. В таблице 3 даны рекомендации для нагревательных печей [3].

Таблица 3

Рекомендуемые толщины кладки нагревательных печей

Элементы кладки	Температура внутренней поверхности кладки, С	Толщина огнеупорного слоя, мм	Толщина теплоизоляционного слоя, мм
Стены высотой до 1 м	1000-1200 выше 1200	232 232	232 348
Стены высотой 1-2 м	до 1200 выше 1200	232 232-348	232 348
Стены высотой 3 м	1000-1200	348	232
Своды лучковые пролетом до 1 м и центральным углом	до 1200 выше 1200	116 232	65-230 65-230
Своды лучковые пролетом до 3.5 м и центральным углом	до 1200 выше 1200	232 300	65-230 65-230
Своды лучковые пролетом более 5 м и центральным углом	до 1200 и выше	300	65-230

В зависимости от температуры внутренней поверхности кладки стенки нагревательных печей могут быть выложены из различных материалов. При температуре внутренней поверхности свода до С его можно выкладывать из шамотного кирпича классов А и Б. При более высоких температурах - из шамотного кирпича класса А или из динасового кирпича.

Тепловую изоляцию стен в ряде случаев можно проектировать из диатомитового кирпича, вермикулитовых плит, минерального войлока, асбестового картона. При расчёте кладки необходимо помнить, что температура на поверхности кожуха печи не должна превышать 60 ^оС в соответствии с нормами по технике безопасности.

Произведём расчет кладки

Исходные данные: температура внутренней поверхности кладки печи составляет ; температура окружающего воздуха .

В расчёте принимаем двухслойную кладку: огнеупорный слой - шамот Б( =1350-1400 С), толщиной 232 мм; изоляционный слой - диатомит( =900 С), толщиной 232 мм (рис. 5).

При расчёте потерь кладкой трудно определить коэффициент теплопроводности слоёв кладки, зависящий от температуры. Поэтому его рассчитывают, исходя из средней температуры слоя. Определим температуру на границе слоя:

где - температура внутренней поверхности кладки, С;

- температура воздуха, С.

Рис. 5. Распределение температуры

по толщине кладки

Средняя температура слоя шамота:

;

Средняя температура слоя диатомита:

;

Коэффициент теплопроводности шамота и диатомита определяют из следующих выражений (приложение 3):

;

;

Определим количество тепла, передаваемого теплопроводностью через 1 кладки, по формуле:

где - температура кладки печи, С;

- температура окружающего воздуха, С;

- толщина шамотного и диатомитового слоёв, м;

- коэффициенты теплопроводности шамота и диатомита, ;

- коэффициент теплопередачи от стенки к воздуху, равный 19.8 ,

тогда .

С другой стороны, на основании закона Фурье (для граничных условий 1-го рода)

Отсюда

Используя это выражение, найдём температуру на границе огнеупорного и изоляционного слоёв:

;

Температура на поверхности кладки:

Учитывая, что температура на поверхности кожуха печи будет ещё ниже, делаем вывод, что толщина огнеупорного слоя и слоя изоляции выбрана верно.

Тепловой баланс печи состоит из приходной и расходной частей, которые необходимо рассчитать, чтобы определить потребное количество теплоносителя (топлива или электроэнергии).

Статьи приходной части теплового баланса:

• химическое тепло топлива (для электрических печей - тепло, выделяемое на нагревателях);

• тепло подогретого воздуха;

• тепло подогретого топлива;

• тепло экзотермических реакций.

Статьи расходной части:

• полезное тепло, затраченное на нагрев изделий;

• потери тепла с уходящими газами;

• потери тепла теплопроводностью через кладку печи;

• потери тепла на нагрев приспособлений и транспортирующих устройств;

• потери тепла, обусловленные «тепловыми короткими замыканиями»;

• потери тепла с охлаждающей водой;

• аккумуляция тепла кладкой.

После расчёта отдельных статей баланса, их вносят в сводную таблицу. Затем определяют удельный расход условного топлива или электроэнергии, вычисляют коэффициент использования тепла, к.п.д. печи.

Тепловой баланс печи

Статьи приходной части теплового баланса:

1.Тепло получаемое в результате сгорания топлива, кДж/ч

, В- расход топлива, кг/ч или м³/ч

- теплота сгорания топлива кДж/кг или кДж/м³

= 17313,029кДж/м³

=17313,029В кДж/ч

2. Тепло вносимое подогретым воздухом, кДж/ч

, кДж/ч

-температура подогрева воздуха, равная 400⁰С

средняя теплоёмкость в интервале температур от 20 ⁰С до 400 ⁰С, кДж/м^{3 0}С

- коэффициент расхода воздуха

- количество воздуха, теоретически необходимого для сгорания единицы топлива, м³/м³

= 1,3095кДж/(кг⁰С)

=4,266 м³/м³

=1,15

, кДж/ч

3. Тепло экзотермических реакций

, кДж/ч

Р- производительность печи, кг/ч

а- величина угара, кг/кг металла, равная 0,01 кг/кг

кДж/ч

, кДж/ч

Статьи расходной части теплового баланса:

1. Полезное тепло, необходимое для нагрева металла

, кДж/ч

-температура нагрева металла, равная 1113К

средняя теплоёмкость металла в интервале температур от 20 ⁰С до 890 ⁰С, кДж/(кг К)

=0,486 кДж/(кг К)

, кДж/ч

2. Тепло уносимое уходящими газами

, кДж/ч

-температура уходящих газов, равная 890⁰С

средняя теплоёмкость уходящих газов из печи. 1,4657 кДж/(кг⁰С)

, кДж/ч

3. Теплоты от химической неполноты сгорания топлива:

кДж/ч

- количество уходящих газов из печи, м³/м³

а=0,03

, кДж/ч

4. Тепло от механической неполноты сгорания :

, кДж/ч

, кДж/ч

5. Потери тепла в результате теплопроводности через кладку:

- температура кладки печи, С;

- температура окружающего воздуха, С;

- толщина шамотного и диатомитового слоёв, м;

- коэффициенты теплопроводности шамота и диатомита, ;

- коэффициент теплопередачи от стенки к воздуху, равный 19.8 , тогда .

- площадь поверхности кладки, равная 13,8

, кДж/ч

6. Потери тепла через открытые окна печи, потери тепла излучением.

, кДж/ч

С_о - 5,7 коэффициент лучеиспускания.

F - площадь открытого окна, в связи с тем что окно будет открыто значительное время, применим асбестовую занавеску АТ-7, в два слоя толщиной в 5 мм., следовательно F=0,06м²

- коэффициент диафрагмирования, равный 0.7

- доля времени (ч), в течении которого окно открыто 23 мин

кДж/ч

6. Неучтённые потери

кДж/ч

+ кДж/ч

Q_расх=115748,31,4+ + + + + + + =17272,7В+781122 кДж/ч

Составим баланс.

Q_расх=Q_прих

10272,7В+1157483,14=

В=120,34м³/ч

Коэффициент полезного теплоиспользования ( ) может быть найден из следующего выражения:

где - количество тепла, получаемое от теплоносителя, кДж

- тепловые потери, кДж

Для современных печей % , для электрических %.

К.п.д. печи определяют из следующего выражения:

где - полезное тепло, затраченное на нагрев металла, кДж

Мощность (тепловую или электрическую) рассчитывают по формуле:

где К- коэффициент запаса, учитывающий форсированный режим работы печи, понижение напряжения в сети, ухудшение тепловой изоляции; для камерных печей К=1,3 5,0; для проходных печей К=1, 2 1,3.

- продолжительность нагрева, ч.

Приход				Расход
1.	Тепло получаемое в результате сгорания топлива, кДж/ч	2083450	86,93%	1.	Полезное тепло, необходимое для нагрева металла		20,76%
2.	Тепло вносимое подогретым воздухом, кДж/ч	309239	12,9%	2.	Тепло уносимое уходящими газами		54,44%
3.	Тепло экзотермических реакций, кДж/ч	39564	0,165%	3.	Теплоты от химической неполноты сгорания топлива		7,6%
				4.	Тепло от механической неполноты сгорания		1,6%
				5.	Потери тепла в результате теплопроводности через кладку		14,05%
				6.	Потери тепла через открытые окна печи, потери тепла излучением		0,168%
				7.	Неучтённые потери		1,39%
100%				100%