Лекция № 5. Общие принципы конструирования печей: тепловой баланс печи и определение расхода топлива

Перед составлением теплового баланса составляют матери­альный баланс процесса. По данным материального баланса, для действующего агрегата составляют тепловой баланс, поз­воляющий оценить качество работы печи как теплового агрега­та. При конструировании печей тепловой баланс составляют для определения расхода топлива или электроэнергии, для чего предварительно делают расчет горения топлива и устанавлива­ют время нагрева или плавления материала и т. д. Ниже приве­дена методика составления теплового баланса топливной печи в целях определения расхода топлива.

Учитывая статьи прихода и расхода тепла и приравнивая их друг к другу, легко найти расход топлива.

Обычно статьи баланса тепла относят к единице времени - часу (печи непрерывного действия) или к периоду нагрева (пе­чи периодического действия), но иногда и к единице массы на­греваемых предметов.

Приход тепла от сжигания топлива в печах складывается из следующих статей, вт или кДж/ч:

Химическое тепло топлива ……………………………………….Q_x

Тепло, вносимое, подогретым воздухом………………………… Q_в

Тепло, вносимое подогретым топливом………………………… Q_т

Итого: ………………………………………………. Q_np

Статьи расхода тепла, вт или кДж/ч:

На нагревание и плавление материалов ……………………….. Q_{1 мат}

Тепло, уносимое шлаками……………………………………….Q_{1 шл}

Тепло технологических реакций.................................................. Q_{1 тех}

Тепло, уносимое отходящими газами.......................................... Q₂

Тепло от химической неполноты сгорания топлива…………...Q₃

Тепло от механической неполноты сгорания топлива ………… Q₄

Потери тепла через кладку теплопровод­ностью ……………… Q_{5 кл}

Поток тепла лучеиспусканием через откры­тые окна и щели… Q_{5 луч}

Тепло, уносимое выбивающимися газами через окна,

щели и кладку…………………………………………………… Q_{5 выб}

Тепло на нагревание тары (вагонеток, ящиков,

поддонов и т. д.) ………………………………………………… Q_{5 тр}

Тепло, уносимое водой, охлаждающей отдельные

элементы печи ­ ………………………………………………… Q_{5 охл}

Тепло на аккумуляцию тепла кладкой (учитывается

для печей периодического действия)…………………………… Q_{5 акк}

Итого: ………………………………………………. Q_pасх

Рассмотрим более подробно каждую из статей прихода и расхода тепла применительно к печам непрерывного действия.

А. Приход тепла

1. Тепло от горения топлива:

Q_x = BQ^р_н, вт или кДж/ч,

где B - расход топлива, кг/ч или м³/ч;

Q^р_н -теплота сгорания топлива, кДж/кг или кДж/м³.

2.Тепло, вносимое подогретым воздухом:

Q_в = Bс_b t_B α L^в₀

где с_в - средняя теплоемкость воздуха кДж/(м³ • град);

t_B - температура подогрева воздуха, °С;

L^в₀ - количество влажного воздуха, теоретически необхо­димого для горения топлива, м³/кг или м³/м³ (из рас­четов по горению топлива);

α - коэффициент расхода воздуха.

3.Тепло, вносимое подогретым топливом:

Q_T = Bc_Tt_T

где с_т - средняя теплоемкость топлива (газа), кДж/(м³ •град);

t_T - температура подогрева топлива, °С.

Б. Расход тепла

1. Тепло, необходимое для нагревания и плав­ления материалов:

Q_{1 мат} = Gc_Mt_M

где G - количество материала, кг/ч;

с_м - средняя теплоемкость материала, кДж/(кг • град);

t_{M -} средняя по массе температура нагрева материала, °С;

2. Тепло, уносимое шлаками:

Q_{1 шл} = G_шлc_шлt_шл

где G_шл - количество шлаков, кг/ч;

с_шл - теплоемкость шлаков, кдж/(кг • град);

t_шл - температура шлака, °С.

В нагревательных печах количество шлаков, удаляемых из печи, невелико, поэтому эту статью расхода топлива в большин­стве случаев можно не учитывать.

3. Тепло технологических реакций. Технологиче­ские реакции состоят из эндотермических и экзотермических. Последние входят в расходную часть баланса со знаком минус (Q_1тех=Q_энд–Q_экз). Эндотермические реакции присущи глав­ным образом плавильным печам. Сюда входит, например, тепло разложения известняка, тепло испарения влаги из руды и т. д. К экзотермическим реакциям относятся все химические ре­акции, сопровождающиеся выделением тепла, за исключением реакций горения топлива.

Например, при расчете нагревательных печей с высокой тем­пературой (кузнечных и прокатных) учитывают тепло от окис­ления железа. В этом случае задаются процентом угара метал­ла и определяют приход тепла по уравнению

Q_экз=nBa

где n - суммарное количество тепла от окисления железа, кдж/кг (n=5650 кдж/кг );

G- производительность печи, кг/ч;

а— угар металла, кг/кг.

Для расчета плавильных печей учитывают тепло всех экзо­термических реакций.

4.Тепло, уносимое уходящими газами:

Q₂= BV_ухc_ухt_ух

где с_ух - средняя теплоемкость уходящих из печи газов, кДж/ (м³ • град);

t_yx - температура уходящих газов, °С.

Температура уходящих газов различна и зависит от кон­струкции печи и температуры нагрева металла. Если темпера­тура металла меняется, то и температура уходящих газов будет переменной. Величина средней за период температуры уходя­щих газов зависит от способа ее усреднения.

При определении потерь тепла с уходящими газами необхо­димо учитывать, что часть газов теряется через окна и щели пе­чей, а если происходит подсос воздуха, то количество дымовых газов соответственно увеличивается.

5.Тепло от химической неполноты сгорания топлива. Если топливо сжигается беспламенным способом, то потери тепла от химической неполноты сгорания отсутству­ют. При пламенном сжигании топлива в уходящих газах часто содержится 0,5-3% несгоревших газов СО и Н₂.

Можно принять, что на 1 % СО содержится 0,5 % Н₂; тогда теплота сгорания такой смеси составит 12140 кдж/м³. Если в уходящих газах долю несгоревшего СО принять равной Р, тогда потери тепла выразятся следующим уравнением:

Q₃ = BV_yх ∙12140Р кДж /ч,

где V_yx - количество уходящих из печи газов, м³/кг или м³[м³.

6.Тепло от механической неполноты сгорания. Под механической неполнотой сгорания понимают потери тепла, обусловленные тем, что удаляемое вместе с золой твердое топливо не участвует в горении.

В этой статье также удобно учитывать потери тепла, свя­занные с утечкой жидкого и газообразного топлив через неплот­ности трубопроводов, горелок, форсунок и т. д.

Если долю потерь от механической неполноты сгорания обозначить через К, тогда:

Q₄ = KBQ_н^р кДж/ч.

Значение К при сжигании твердого топлива берется равным 0,03-0,05, жидкого 0,01.

7. Потери тепла через кладку теплопровод­ностью. Потери тепла теплопроводностью через свод, стены (исключая окна) и под печи определяют по уравнению

Q_{5 кл}=F_кл(t_кл- t_в)/(х₁/λ₁+ х₂/λ₂+0,05) кДж /ч

где t_кл - температура внутренней поверхности кладки, °С;

t_в - температура окружающего воздуха, °С;

х₁ - толщина огнеупорной кладки, м;

х₂ - толщина слоя изоляции, м;

λ₁ иλ₂ - соответственно коэффициенты теплопроводности кладки и изоляции, вт/ (м • град);

- 0,05(0,06) - внешнее тепловое сопротивление от стенки к воз­духу при коэффициенте теплоотдачи α_Σ = 19,8 вт/(м²•град);

F_кл - поверхность кладки, м².

Температуру внутренней поверхности кладки определяют из расчета теплообмена в рабочем пространстве печи или прини­мают по практическим данным.

Коэффициенты теплопроводности берут из таблиц или вы­числяют по формулам. Необходимо иметь в виду, что теплопро­водность кладки за счет швов больше теплопроводности отдель­ных кирпичей. Поэтому коэффициенты теплопроводности, взя­тые из таблиц или формул, нужно увеличивать примерно на 20 %. Коэффициент теплопроводности можно определить по средним температурам кладки.

Так как толщина свода стен и пода различна, то потери теп­ла для них рассчитывают отдельно.

За поверхность кладки для больших печей принимают на­ружную поверхность. Для печей небольших размеров, а также с изогнутой поверхностью среднюю поверхность определяют по логарифмическому или геометрическому усреднению:

F_cp = √ F_нapF_вн м ²,

Где F_вн и F_нap - соответственно внутренняя и наружная по­верхности кладки, м².

Если под печи расположен на фундаменте (без воздушной прослойки), то потери тепла можно определить приблизительно, задаваясь температурами кладки на границе с фундаментом.

Потери через открытое окно учитывают отдельно.

8.Потери тепла лучеиспусканием через от­крытые окна и щели печи

Q_{5 изл} =С(Т/100)⁴FФ(1-ψ) вт

где С - коэффициент излучения, равный 5,7 вт/(м² • град⁴);

Т - средняя температура в печи, °К;

F - площадь открытого окна или щели между окном и стенкой, м²;

Ф - коэффициент диафрагмирования.

Температура окружающей среды практически не влияет на лучеиспускание через окно, и поэтому ее не учитывают.

Необходимо иметь в виду, что чем меньше печь, тем относи­тельно большее значение имеют потери тепла в окружающую среду и, в частности, потери через окна и щели.

9.Тепло, уносимое выбивающимися газами. Если на поду печи давление будет равно давлению окружаю­щей печь среды или если статическое давление будет равно ну­лю, то потери тепла с выбивающимися газами будут равны

Q_{5 выб =}V₀c_гt_г (1-ψ) вт

где V₀ - количество выбивающихся газов при нормальных ус­ловиях, м³/ч;

c_г - средняя теплоемкость выбивающихся газов кДж/(м³• град);

t_г - температура выбивающихся газов, °С.

11.Тепло, затраченное на нагревание тары:

Q_{5 тр}= G_трc_трt_тр вт

где G_тp - масса тары (вагонетки, поддоны, ящики и т. п.), кг/ч;

c_тр- средняя теплоемкость тары, кдж! (кг • град);

t_тр - температура, до которой нагревается тара, °С. Если тара входит в печь нагретой, то учитывается только тепло, затраченное для дальнейшего ее нагревания.

12. Тепло, уносимое водой, охлаждающей от­дельные элементы печи. Потери тепла, обусловленные водяным охлаждением, Q_5охл определяют расчетом теплообмена или используют практические данные, взятые из справочников. Зная расход тепла, можно определить и расход воды, затрачи­ваемой на охлаждение.

13.Затраты тепла на аккумуляцию его клад­кой

Q_{5 акк} = V_кл ρ_клc_клt_кл вт

где V_кл - объем кладки, м ³;

ρ_кл - объемная масса кладки, кг/м³;

с_кл - средняя теплоемкость кладки, кдж/(кг • град);

t_кл - средняя температура кладки, определяемая на осно­вании расчета прогрева стен, °С.

В печах, где под состоит из тележки, выкатываемой вместе с материалом после его нагрева, необходимо также учитывать затраты тепла на аккумуляцию его тележкой.

После определения всех статей баланса приход тепла при­равнивают расходу:

BQ^р_н + Bс_b t_B α L^в₀ + Bc_Tt_T= Q_{1 мат} + Q_{1 шл} + Q_1тех+ BV_ухc_ухt_ух+ BV_yх ∙12140Р+ KBQ_н^р+Σ Q₅

где Σ Q₅= Q_{5 кл}+ Q_{5 изл} +Q_{5 тр}+ Q_{5 выб} + Q_5охл +Q_{5 акк}

Для сравнительной оценки отдельных статей прихода и рас­хода тепла обычно результаты расчета сводят в таблицу, выра­жая их в абсолютных цифрах и процентах.

Если топливо и воздух для горения подаются к печи в холод­ном состоянии (как это происходит обычно), то к. п. д. печи или коэффициент полезного теплоиспользования (η_к.п.т.) может быть найден из следующего выражения:

η_к.п.т.= Q_{1 мат} + Q_{1 шл} + Q_1тех/ Q_х

Литература: 4 осн. [40-52].

Контрольные вопросы:

1. Перечислите статьи прихода тепла.

2. Расчет тепла, уносимого со шлаками

3. Расчет тепла, уносимого уходящими газами

4. Расчет тепла (потерь) через кладку печи.

5. Расчет тепла через окна и щели печи.

Дата добавления: 2014-12-10