Расходные статьи теплового баланса

Расходная часть теплового баланса топливных печей, описываемая уравнением (1.3), включает статьи, определяемые затратами теплоты как на полезный технологический процесс, так и на сопутствующие непроизводительные потери.

1.3.1 Теплота технологического продукта

Данная статья расходной части баланса характеризует количество теплоты (кВт), которое заключено в материале в конце тепловой обработки при выдаче его из печи.

(1.13).

где Р — производительность печи, кг/с;

— угар металла, %;

• -теплоемкость технологического продукта при конечной температуре продукта, кДж/кг*К;
• — конечная температура продукта, °С.
• — энтальпия технологического продукта в конце нагрева, определяемая по средней по массе температуре продукта, кДж/кг.
• 1.3.2 Теплота, уносимая уходящими газами

Данная статья потерь вторая по величине в расходной части теплового баланса. Величина потерь (кВт) определяется расходом топлива В, выходом продуктов сгорания на единицу сжигаемого топлива V_n, теплоемкостью продуктов сгорания, температурой покидающих печь газов t_ух (продуктов сгорания) и рассчитывается по формуле.

. (1.14).

Для печей, работающих по методическому режиму и имеющих относительно низкую (700…900°С) температуру уходящих газов, потери составляют 30 — 40% от общего прихода теплоты.

Наибольшие тепловые потери этого вида приходятся на печи, работающие по камерному режиму. В этом случае их величина может достигать 70 — 80% от теплоты, поступающей в рабочее пространство печи. Значительного снижения потерь с уходящими газами можно добиться, если в комплексе печи предусмотреть использование теплоты (рекуперацию) этих газов путем установки между рабочим пространством печи и дымовой трубой теплообменного аппарата. Таким способом осуществляют подогрев не только воздуха, идущего на горение, но и газообразного топлива (иногда и того, и другого). Благодаря такой схеме теплоиспользования удается вернуть в рабочее пространство печи значительное количество теплоты и, как следствие, за счет уменьшения потерь существенно снизить удельные расходы топлива.

При проектировании методических печей должна определяться из условий рационального использования топлива. Данная величина, с точки зрения экономичного расхода топлива, составляет. Такой уровень температуры уходящих газов рекомендовался в сороковых годах прошлого столетия. Однако в настоящее время в практике проектирования и эксплуатации методических печей наблюдается рост величины t_ух до 1000…1100°С и даже 1200 °C. Повышение объясняется стремлением интенсифицировать работу печей, чтобы обеспечить растущую производительность прокатных станов.

1.3.3 Потери теплоты с охлаждающей жидкостью

Потери теплоты с охлаждающей водой связаны с необходимостью принудительного охлаждения некоторых элементов печи, эксплуатирующихся при высоких температурах. Значительные потери теплоты наблюдаются в методических толкательных печах при охлаждении глиссажных труб. В металлургических печах охлаждению подвергаются отбойники, балки окон загрузки и выгрузки металла, пятовые балки и др.

, (1.15).

где F_в — площадь поверхности водоохлаждаемой детали, м²;

— плотность теплового потока на поверхность водоохлаждаемых деталей, кВт/м².

Значения можно выбрать по табл. 1.1.

1.3.4 Потери теплоты с технологическими отходами

Кроме целевого продукта, любая печь выдает из рабочего пространства целый ряд твердых или жидких веществ, которые рассматриваются или как побочные продукты (если они используются в тех или иных целях), или как отходы (если они выбрасываются в отвалы или уничтожаются). Так, в нагревательных печах с окислительной атмосферой в окалину переходит от 0,8 до 2% металла. Масса окалины стали (если считать ее низшим окислом железа) в 1,38 раз превосходит массу угара металла, средняя теплоемкость окалины составляет 0,8 кДж/кг*К. Температуру окалины можно принять равной температуре поверхности металла при выдаче из печи. Тогда потери теплоты с окалиной (кВт) определятся как.

. (1.16).

1.3.5 Потери теплоты в окружающую среду

Эта статья теплового баланса учитывает потери теплоты теплопроводностью через кладку, излучением через окна и щели, потери теплоты с выбивающимися газами, на нагрев подсасываемого из окружающий среды в рабочее пространство печи холодно го воздуха. Сюда же должны быть включены затраты теплоты на нагрев тары, используемой иногда для размещения обрабатываемых в печи изделий, на нагрев элементов загрузочного и разгрузочного оборудования и т. п.

. (1.17).

Таблица 1.1 Значения плотности теплового потока q_B (кВт/м²) на поверхность водоохлаждаемых деталей.

1.3.5.1 Потери теплоты через кладку печи

При установившемся режиме работы между газами в рабочем пространстве печи, футеровкой и окружающей средой (воздухом) устанавливается стационарный теплообмен при граничных условиях третьего рода. При известной температуре газов в печи плотность теплового потока (кВт) через многослойную стенку кладки можно определить по формуле.

. (1.18).

При известной температуре внутренней поверхности кладки потери теплоты (кВт) через многослойную стенку определяются по формуле.

(1.19).

где — температура газов в печи, °С;

— температура внутренней поверхности кладки, °С;

— температура воздуха, °С;

— сумма тепловых сопротивлений слоев кладки, (м²· К)/Вт;

S_i — толщина соответствующего слоя, м;

л_i — коэффициент теплопроводности слоя, Вт/(м*К);

б_г — коэффициент теплоотдачи от газов к внутренней поверхности кладки, Вт/м²· К;

б_в — коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности кладки в окружающую среду, Вт/(м²*К);

F_нар — наружная поверхность кладки, м².

По практическим данным б_в ? 20 Вт/(м²*К) и в пределах сезонного и суточного изменения температуры воздуха в производственных помещениях изменяется незначительно. Тогда величину теплового сопротивления 1/б_в можно принять равной 0,05…0,06 (м²*К)/Вт.

1.3.5.2 Потери теплоты через окна и щели

В общем случае отверстия в футеровке могут быть открыты (долю времени нахождения отверстий открытыми обозначают) и закрыты экранами или заслонками. Потери теплоты находят раздельно для открытого и закрытого состояния и складывают.

. (1.20).

Лучистый поток теплоты (кВт) через открытое отверстие обычно подсчитывается по закону Стефана-Больцмана.

(1.21).

где — коэффициент диафрагмирования, является функцией от отношения размеров отверстия, ширины отверстия и определяется по графику, представленному на рис. 1.1;

— живое сечение окна, м²;

n_ок — количество окон печи одинакового размера;

— доля времени, когда окно открыто,.

;

— температуры соответственно печи и цеха, где «печь» и «цех» (окружающая среда) считаются абсолютно черными телами.

Рис. 1.1 Коэффициент диафрагмирования:

1 — узкие щели; 2 — прямоугольники: а: b=0,2; 3 — то же: а: b=0,5; 4 — квадратное отверстие: а: b=1; 5 — круглое отверстие тепловой печь нагревательный Если площадь отверстия мала по сравнению с размерами рабочего пространства печи, то такое допущение практически не вносит погрешности.

Потери теплоты с выбивающимися газами через открытые окна и щели (кВт) определяются количеством газов (м³/ч), фильтрующихся через неплотности и окна (в том числе продуктов горения). можно оценить по известному полю давления газов на ограждения рабочего пространства и геометрическим характеристикам щелей, воспользовавшись формулами гидравлики.

; (1.22).

; (1.23).

; (1.24).

(1.25).

где , — объемы выбивающихся газов, м³/с;

и с_г — соответственно температура и теплоемкость выбивающихся газов, ⁰С;

• — высота и ширина отверстия, м;
• — коэффициент расхода.

Для окон, закрытых заслонками, расчет проводится аналогично расчету потерь теплоты через футеровку печи. При этом следует учесть, что доля времени, когда окно закрыто, составляет (). Тогда потери теплоты через крышки (кВт) можно рассчитать по формуле.

(1.26).

где s_фк — толщина слоя футеровки крышки окна, м;

л_фк — коэффициент теплопроводности материала футеровки крышки, ;

n — количество однотипных окон.

1.3.5.3 Потери теплоты, затраченной на нагрев тары

Детали сложной формы при их термообработке в печи нагревают уложенными (и пересыпанными порошком или песком) в контейнеры. Контейнер и песок нагреваются практически до конечной температуры термообработки металла. Масса «тары» сопоставима с массой самих деталей и рассматриваемая статья расхода окажется существенной для теплового баланса печи.

. (1.27).

1.3.5.4 Потери теплоты, затраченной на нагрев оборудования

Для транспортировки деталей через низкотемпературные проходные печи используются конвейеры (ленточные и пластинчатые). Несущие (рабочие) элементы конвейера прогреваются до одной температуры с деталями. Возвратная ветвь конвейера выносится из рабочего пространства для охлаждения рабочих элементов и лучшего сохранения ими механической прочности и жесткости.

кВт (1.28).

где — общая масса конвейера, кг;

ф_об — время оборота конвейера, мин;

— энтальпия материала конвейера соответственно на входе и на выходе из печи, кДж/кг.

Для некоторых конструкций печей часть из перечисленных статей баланса может не рассматриваться. Так, на некоторых печах отсутствуют детали, охлаждаемые водой, для многих печей загрузка металла осуществляется без ввода элементов машин в рабочее пространство печи.

1.3.6 Потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива

При проектировании печей расчет горения проводится с допущением окисления топлива до конечных продуктов горения. Однако при высоких температурах горения топлива (более 1500° С) получают заметное развитие процессы диссоциации продуктов сгорания. Кроме этого, на величине потерь сказывается и неудовлетворительное смешение топлива с воздухом, подаваемым для горения. Внешне влияние этих процессов проявляется в том, что в уходящих газах при пламенном сжигании газа содержатся оксид углерода и водород в небольших количествах (0,5—3,0%). Принимается, что на каждую единицу объема СО в продуктах сгорания содержится 0,5 объема Н₂. Низшая теплота сгорания такой смеси равна 12 140 кДж/м³.Тогда.

кВт, (1.29).

где — объемная доля СО в продуктах сгорания;

• — выход продуктов сгорания, м³/ м³.
• 1.3.7 Потери теплоты от механической неполноты сгорания

Под механической неполнотой сгорания понимают вывод из процесса горения части топлива, происходящий, например, для твердого топлива за счет уноса мелких его частиц с газами и золой. В этой статье расходной части баланса целесообразно учитывать потери теплоты, связанные с утечкой жидкого и газообразного топлив через неплотности трубопроводов и топливосжигающих устройств. Обычно эти потери находятся экспериментально. Если тепловой баланс рассчитывается, то величина этих потерь определяется по литературным (справочным) данным. Для нагревательных печей, отапливаемых газовым и жидким топливом, их величина весьма незначительна, и их можно отнести к неучтенным потерям.

(1.30).

гдекоэффициент потерь с механическим недожогом.

Коэффициент потерь в основном зависит от вида топлива и может быть принят в соответствии со следующими рекомендациями:

• — для твердого топлива 0,03…0,05;
• — для жидкого топлива 0,01;
• — для газообразного топлива 0,002…0,003.
• 1.3.8 Неучтённые потери в рабочем пространстве

При проектировании печи ряд мелких потерь теплоты (тепловые потоки «короткого замыкания» через металлические штыри для электрических нагревателей, потери с измерительными приборами, с фильтрацией газов через пористые огнеупоры и т. п.) часто не подсчитывается. Эти потери называют неучтёнными.

=(0,1…0,15)Q_ос. (1.31).

Для электрических печей, как следует из сопоставления уравнений тепловых балансов (1.2), (1.3) и (1.4), число слагаемых меньше. Из-за отсутствия горючих газов не представлены статьи,. Иногда исключается и статья, если технологический режим в электропечи не связан с удалением образующихся газов. Статья заменяется затраченной электрической мощностью. В остальном физический смысл статей теплового баланса для обоих типов печей одинаков, за исключением некоторых специфических видов потерь, таких как нагрев циркулирующей в рабочем пространстве печи атмосферы, утечки теплоты через выводы нагревателей и некоторые другие.

Приведенные структуры теплового баланса широко используются при проектировании металлургических печей. С помощью уравнений теплового баланса можно определить расход топлива (или энергии), удельный расход топлива (или энергии), если известны остальные составляющие приходных и расходных частей. К составлению балансовых уравнений прибегают при исследовании тепловой работы печей для изучения источников и доли потерь теплоты в реальных условиях функционирования печи. Анализ и сопоставление этих показателей с показателями хорошо работающих печей позволяют наметить пути улучшения теплового режима и совершенствования конструкции печи. Иногда на основе этих данных решается вопрос о замене данной печи печью другого типа. Тепловой баланс металлургической печи обычно представляется в табличной форме (табл. 1.2).

Таблица 1.2 Тепловой баланс металлургической печи.

№ п/п.	Статьи теплового баланса.	Обозначение.	кВт.	%.
1.1.	Химическая теплота горения топлива.
1.2.	Теплота, вносимая подогретым воздухом.
1.3.	Теплота, вносимая подогретым топливом.
1.4.	Теплота экзотермических реакций.
1.5.	Теплота, вносимая подогретыми материалами.
ИТОГО ПРИХОД ТЕПЛОТЫ.
2.1.	Теплота технологического продукта.
2.2.	Теплота, уносимая уходящими газами.
2.3.	Потери теплоты с охлаждающей жидкостью.
2.4.	Потери теплоты с технологическими отходами.
2.5.	Потери теплоты в окружающую среду.
2.6.	Потери теплоты от химической неполноты сгорания.
2.7.	Потери теплоты от механической неполноты сгорания.
2.8.	Неучтенные потери.
ИТОГО РАСХОД ТЕПЛОТЫ.