Тепловой баланс методической печи

3. Тепловой баланс методической печи.

Приход тепла.

1)Определим химическое тепло топлива:

где В(м³/с) – расход газа подаваемого па печь.

 2)Физическое тепло воздуха:

где i_В – энтальпия воздуха при t_В=454 ^оС [3. стр.37].

 3)Тепло экзотермических реакций:

где а=0,012 – доля окисленного металла [4. стр.8];

 5650 – тепловой эффект окисления 1 кг железа,  [3. стр.8];

 G=155 т/ч – производительность печи.

 Общий приход тепла:

 Расход тепла.

 1) Расход тепла на нагрев металла:

где i_к=861(кДж/кг) и i_н=0(кДж/кг) - энтальпия металла в конце и начале нагрева.

2) Потери тепла на нагрев окалины:

где m – количество окалины от окисления 1 кг железа, m=1,38

 С₀ – теплоёмкость окалины, С₀=1  

 t_м=1503(К) и t_н - температура окалины, принимается равной температуре поверхности металла соответственно в начале и конце нагрева.

 3) Потери тепла с уходящими газами:

Энтальпия уходящих газов:

4)Потери тепла через кладку теплопроводностью.

Стены печи двухслойные выполненные:

-  внутренний слой – ША h=348 мм;

-  внешний – диатомитовый кирпич h=116 мм.

Под печи трехслойный:

-  первый (внутренний) слой – хромомагнезитовый кирпич;

-  второй (рабочий) слой – ШБ (шамотный кирпич класса Б);

-  третий слой – Д-500 теплоизоляционный диатомитовый кирпич.

Свод печи однослойный выполнен из каолинового кирпича: ШБ 300 мм.

 Формулы для расчёта теплопроводности материалов кладки:

 Шамотный кирпич ША:

 Хромомагнезитовый кирпич:

 Шамотный кирпич ШБ :

 Диатомовый кирпич Д-500:

Каолиновый кирпич:

где - средняя по толщине температура слоя.

 а)Расчет стены печи:

Толщина стенки, мм

t¢

S2

l2

S1

l1

S2

l2

l1

S1

t1

Рис.1 Схема стенок печи.

 

 Расчёт ведётся методом последовательных приближений.

 Первое приближение.

 Предварительно находим тепловое сопротивление кладки при температуре ,где - на границе слоев (ШБ) и  - наружных слоев.

 Тепловое сопротивление слоя:

 Принимаем коэффициент теплоотдачи равным a₀=15, .

 Внешнее тепловое сопротивление:

 Общее тепловое сопротивление:

 Плотность теплового потока при t_п=1330^оС и t_в=20^оС:

Так как разница между предыдущим и полученным значениями

 q> 5%,расчет необходимо повторить.

 Второе приближение.

Находим температуру на границах слоев кладки:

 Средняя температура слоя:

 

 Теплопроводность слоя:

 

 Тепловое сопротивления слоя:

 Коэффициент теплоотдачи:

 Внешнее тепловое сопротивление:

 Общее тепловое сопротивление:

 Плотность теплового потока при t_к=1330^оС и t_в=20^оС:

Так как разница между предыдущим и полученным значениями q > 5%, расчет

необходимо повторить: dq=|q¢-q₀|/ q¢×100%=(1341-896)/1341×100%=33,18%.

 Третье приближение.

 Этот расчёт выполняется по аналогии с предыдущим, поэтому приведём только его результаты:

t¢=922,3^оС; t_н=124,4^оС; `t<sub>1</sub>= 1126,1<sup>о</sup>C; `t₂=523,379^оC;

R₁=0,305 (м²×К)/Вт; R₂=0,598 (м²×К)/Вт;

a=15,31 Вт/(м²×К); R_н=0,065 (м²×К)/Вт;

R₀=0,968 (м²×К)/Вт; q²=1353, 305

 Так как разность q¢ и q² меньше ±5%, пересчёта не требуется.

Тепловое сопротивление пода больше, чем стен. Отсюда можно принять удельные потери через под 0,75 от потерь через стены, т. е.:

q_n.n=0,75×q_cт=0,75×1353,305=1015 Вт/м².

б)Потери тепла через кладку свода.

 Расчёт проводим методом последовательного приближения аналогично расчёту потерь через кладку стен, поэтому приведём только результаты расчёта: t_н=183,9^оС, a=52, R₀=0,144 , q=9087,81 .

Температура, оС

 

Рис.2 Схема свода печи.

Потери тепла через кладку вычисляем по формуле:

где - плотность теплового потока в окружающую среду (через стены, под и свод печи);

 - расчетная поверхность i-го элемента кладки, м².

 Расчётная поверхность пода:

где В_п=9,6 (м) – ширина печи,

 L – длина пода при торцевой загрузке:

L=L^расч×1,045=1,045×.

 Расчётная поверхность свода:

где `H_м=H₀+d=1,23 м,

 H_св=H¢₀+d=1,93 м,

 H_т=1,5+d=1,73 м.

Определение активной длины пода по зонам:

методическая – L_м= L×t₁/St=34,03×1,105/3,469=10,84 м;

сварочная – L_св= L×t₂/St=34,03×1,949/3,469=19,12 м;

методическая – L_т= L×t₃/St=34,03×0,414/3,469=4,07 м.

Конструктивно принимаем две сварочные зоны с L_св=9,56м.

Следовательно потери тепла через кладку:

5) Потери тепла через окна:

Принимаем, что окно посада открыто всё время (j₁=1) на h₀=2×d=0,46 м

 Площадь открытия окна посада:

 Толщина кладки стен d_ст=0,464 м.

 Коэффициент диафрагмирования окна Ф=0,7 [5. рис.1].

 Температура газов:

-  у окна задачи  =1273К;

-  у окна выдачи  =1533К.

 Потери тепла через окно задачи:

 Потери тепла через окно выдачи:

 Общие потери тепла излучением:

6) Потери тепла с охлаждающей водой.

 В табл.1 [4] указаны водо-охлаждаемые элементы методических печей и потери в них.

 Расчётом определяем только потери в продольных и поперечных трубах, так как это составляет 80-90% от всех потерь. Остальные потери учитываются увеличением полученных потерь в трубах на 10-20%.

 Максимальное расстояние между продольными трубами:

 С учётом запаса прочности расстояние между трубами принимаем на 20-30% меньше максимального:

 Диаметр и толщина подовых труб: 127´22 мм.

 Количество продольных труб:

где l_з – длина заготовки, м.

 Свешивание заготовки:

 Общая длина продольных труб:

 Поверхность нагрева продольных труб:

Плотность теплового потока принимаем равной q_пр=100  [3.табл.1].

 Потери тепла с охлаждающей водой продольных труб:

Принимаем конструкцию сдвоенных по высоте поперечных труб. По длине сварочной зоны и 1/3 методической расстояние между поперечными трубами принимаем равным =2,32 м. На остальной части длины методической зоны продольные трубы опираются на продольные стенки.

 Количество сдвоенных поперечных труб:

 Общая длина поперечных труб:

 Поверхность нагрева поперечных труб:

Плотность теплового потока принимаем равной [3.табл.1]:

q_пп=150 .

 Потери тепла с охлаждающей водой поперечных труб:

 Общие потери с охлаждающей водой подовых труб:

а потери тепла с теплоизоляцией:

 Потери тепла с охлаждающей водой всех водо-охлаждаемых элементов печи без теплоизоляции подовых труб:

а с теплоизоляцией подовых труб:

7)Неучтённые потери тепла составляют (10-15)% от суммы статей Q_к+Q_п+Q_в:

Общий расход тепла:

 

Приравнивая расход тепла к приходу, получим уравнение теплового баланса:

или

, тогда расход топлива с термоизоляцией

Выбираем трубы без изоляции.

Таблица 3

Тепловой баланс печи

Статья	Приход тепла		Статья	Расход тепла
	кВт	%		кВт	%
Химическое тепло топлива Qx Физическое тепло воздуха Qв Тепло экзотермических реакций Qэ	106930,7 16884,7 2919,16	84,37 13,32 2,30	Расход тепла на нагрев металла Qм Потери тепла с окалиной Qo Потери тепла с уходящими газами QУ Потери через кладку Qк Потери тепла излучением Qл Потери с охлаждающей водой Qбв Неучтённые потери Qбн	36625,98 1071,630  61090,04  3771,379 1435,846  20199,47  2540,670	28,89  0,845 48,20 2,975 1,133 15,93 2,004

Всего 126734,6 100 126735,03 100

Невязка составляет – 0,00033%

Определим другие показатели.

 Коэффициент полезного действия печи:

 Удельный расход тепла:

 Удельный расход условного топлива:

где Q_у=29300 кДж/кг – теплота сгорания условного топлива.

Для дальнейших расчетов:

- расход воздуха:

- расход продуктов горения: