Проект термического участка мощностью 900 т/год в условиях АО Завод РГТО

Основное содержание теплового расчета заключается  в составлении теплового баланса  печи, включающего все статьи расхода и прихода тепловой энергии или тепловой мощности печи.

Рассмотрим, как расходуется  тепло в шахтной печи типа Ц-105А. Примем все тепло за 100%. Это будет  приходная статья теплового баланса  печи. Расходная часть баланса  будет состоять из нескольких статей, представляющих собой расход тепла на нагрев муфеля, нагрев крышки муфеля, нагрев изделий, потери через стены и т.д. Сумма всех расходных статей также равна 100%.

Рассмотрим более подробно статьи расхода теплового баланса  печи и произведем оценку факторов, влияющих на уменьшение расхода тепла втом или ином случае.

Потери через  стены и под печи. Наружная поверхность печи имеет более высокую температуру, чем окружающее пространство, поэтому происходит непрерывная отдача тепла элементами печи окружающему печь воздуху методом конвекции и излучением.

Для снижения потерь тепла  применяют огнеупорные материалы  с лучшими теплоизоляционными свойствами, увеличивая при этом толщину кладки печи и уменьшая поверхность печи.

Потери через окна. В момент открытия загрузочного окна печи из камеры нагрева теплота теряется излучением. Потери теплоты через окна можно снизить путем уменьшения времени открытия.

Потери с охлаждающей  средой. Различные элементы печи могут иметь водяное охлаждение (вентиляторы, газовые вводы, заслонки и т.д.). Потери с водой можно уменьшать экранированием водоохлаждаемых элементов, нанесением обмазок, уменьшающих теплопередачу от  печи.

Уменьшать расход воды нецелесообразно, так как в этом случае вода будет  иметь более высокую температуру, и в результате интенсивного накипеобразования водоохлаждаемые элементы будут перегреваться и выйдут из строя. Расход воды должен быть таким, чтобы температура воды на выходе была не выше 40ºС. Более высокая температура может допускаться, если применяют обессоленную воду.

Математически тепловой баланс электрической печи выражается уравнением:

W=W_{полезн.}+W_вспом+_.W_пот+Wф+W_эл.пот

где   W- суммарный приход энергии за определенный цикл работы печи;

         W_{полезн.} – полезная энергия;

W_вспом – энергия, затраченная на нагрев вспомогательных устройств;

W_пот – суммарные тепловые потери печи;

W_ф – энергия, расходуемая на нагрев футеровки;

W_эл.пот - энергия электрических потерь.

 

3.6.4 Нагрев металла

 

Нагрев деталей. Теплота, затраченная на нагрев деталей, подвергаемых термической обработке, - это единственная полезная составляющая баланса.

Полезное тепло, расходуемое  на нагрев садки, может выражаться в  виде энергии, если речь идет о нагреве  определенного количества материала  в единицу времени.

Определим объем одной садки по формуле:

V_сад=4×V_кор×К=4×П×0,3²×0,4=0,135м³,

Массу садки определяем:

m_сад=7800×10^-3× V_сад=7800×10^-3×0,135=1053кг

Определим тепло, затрачиваемое  на нагрев одной садки по формуле:

         W_полезн=G×c×(t-t₀)=1053×(0.181+0.134)/2×(820-20)=

где G – масса единовременной загрузки печи.

 

3.6.5 Расчет футеровочного слоя

 

Основными статьями тепловых потерь в большинстве конструкций  промышленных электрических печей-сопротивления  являются потери через футеровку  и потери излучения через окна.

Исходными данными для практических расчетов тепловых потерь через футеровку печи служат:

1. конструктивный эскиз футеровки со всеми основными размерами;
2. данные о коэффициентах теплопроводности огнеупорных и теплоизоляционных материалов, применяемых для футеровки;
3. значения коэффициентов теплоотдачи с внешней поверхности печи в окружающую среду.

Внутренний диаметр  футеровки определяем из заданных размеров корзины, т.е. при установке корзины  в печи должен оставаться зазор между  ней и муфелем не менее 100мм для  свободной конвекции воздуха, а расстояние между муфелем и внутренним диаметром футеровки должно быть таким, чтобы крепящиеся нагревательные элементы равномерно прогревали муфель печи и не касались его стенок. Расстояние между муфелем и внутренним диаметром футеровки выбираем 100ммОпределим тепловые потери через боковую стенку цилиндрической шахтной печи  с рабочей температурой 820ºС с размерами стенок согласно рис. При использовании следующих материалов: внутренний (огнеупорный слой) из шамота марки ШБ; внешний (теплоизоляционный) из пенодиатомита марки ПД-350.

Коэффициенты теплопроводности:

для шамота ШБ λ₁=0,9+0,3×10^-3t_ср; для пенодиатомита λ₂=0,081+0,186×10^-3t_ср.

Температуру окружающей среды принимаем равной t₀=20ºС.

Определяем расчетные  поверхности внутреннего и внешнего слоев боковой стенки:

F₁=П×D₁×H₁=3,14×1,0×1,61=5,06м²;

F₂=П×D₂×H₂=3,14×1,2×1,746=6,58м²;

F₃=П×D₃×H₃=3,14×1,73×2,28=12,39м²;

F₁₂=(F₁+ F₂)/2=(5,06+6,58)/2=5,82м²;

F₂₃=(F₂ +F₃)/2=(6,58+12,39)/2=9,49м².

 

3.6.6 Расчет тепловых потерь

 

В первом приближении задаем температуру внешней поверхности футеровки t₃=60ºC и температуру граничной поверхности между слоями футеровки t₂=800ºС. Для этих условий определяем коэффициенты теплопроводности огнеупорного и теплоизоляционного слоев футеровки:

 

λ`₁=0,9+0,3×10^-3(t₁-t₂)/2=0,9+0,3×10^-3(950-800)/2=0,116Вт/м⁰С

 

Тепловые потери в первом приближении  определяем:

 

Для проверки принятой предварительно температуры t`₃ определяем теплоотдачу с внешней поверхности F₃:

Q`<sub>0</sub>=q`₀ F₃=482×12.39=5972Вт,

т.к. Q`<sub>0</sub>› Q`, то температура внешней поверхности футеровки должна быть ниже предварительно принятой t₃=60ºC.

Для расчета потерь во втором приближении  примем температуру внешней поверхности  футеровки равной t``₃=50ºС, а также уточним температуру граничной поверхности между слоями футеровки для корректировки коэффициента теплопроводности.

Перепад температуры  в огнеупорном слое футеровки  определяем:

Δ t₁= Δ t`R`_T1/ R`_T= (950-50)×00,0095/0,1375=62ºС.

Температура граничной поверхности

 t``₂= t₁-Δ t₁=960-62=888ºС.

Коэффициенты теплопроводности огнеупорного и теплоизоляционного слоев футеровки во втором приближении определяем:

λ``<sub>1</sub>=0,9+0,3×10<sup>-3</sup>(t<sub>1</sub>- t``₂)/2=0,9+0,3×10^-3(950-888)/2=0,037Вт/м⁰С;

λ``<sub>2</sub>=0,081+0,186×10<sup>-3</sup>(t<sub>2</sub>- t``₃)/2=0,081+0,186×10^-3(888-50)/2=0,112Вт/м⁰С.

Тепловые потери во втором приближении определяем:

 

 

 

При температуре внешней  поверхности футеровки t``₂=50ºС удельная теплоотдача в окружающую среду будет составлять q`₀=340Вт/м², а теплоотдача с поверхности F₃:

Q``₀=340×12,39=4242,6Вт.

Учитывая малое различие значений Q``<sub>0</sub> и Q`` дальнейшего уточнения не проводим, а тепловые потери Q``=5294Вт принимаем за окончательные.

 

3.6.7 Потери через под печи

 

δ₁=0,2м; 

δ₂=0,2м;

F₁=Пd₁/4=3,14×1,0²/4=0,79м²;

F₂=Пd₂/4=3,14×1,07²/4=0,9м²;

F₁=Пd₃/4=3,14×1,730²/4=2,35м²;

F₁₂=0,5(F₁+ F₂)=0,85м²;

F₂₃=0,5(F₂+ F₃)=1,63м²;

В первом приближении  задаем температуру внешней поверхности  футеровки t₃=60ºС и температуру граничной поверхности между слоями футеровки t`₂=850ºС. Для этих условий определяем коэффициенты теплопроводности огнеупорного и теплоизоляционного слоев футеровки:

λ`<sub>1</sub>=0,9+0,3×10<sup>-3</sup>(t<sub>1</sub>- t`₂)/2=0,9+0,3×10^-3(950-850)/2=0,117Вт/м⁰С;

λ`<sub>2</sub>=0,081+0,186×10<sup>-3</sup>(t`₂- t`₃)/2=0,081+0,186×10^-3(850-60)/2=0,17Вт/м⁰С;

Тепловые потери в  первом приближении определяем:

 

 

q₀=482Вт/м²;

F₃=2,35;

Для проверки принятой предварительно температуры t`₃ определяем теплоотдачу с внешней поверхности F₃:

Q`<sub>0</sub>= q`₀ F₃=482×2,35=1130Вт,

т.к Q`<sub>0</sub>› Q`, то температура внешней поверхности футеровки должна быть ниже предварительно принятой t₃=60ºС.

Для расчета потерь во втором приближении примем температуру  внешней поверхности футеровки  равной t``₃=55ºС, с также уточним температуру граничной поверхности между слоями футеровки для корректировки коэффициента теплопроводности.

Перепад температуры  в огнеупорном слое футеровки  определяем:

Δ t₁= Δ t R`<sub>Т1</sub>/ R`_Т=(950-55)×0,0268/0,246=98ºС.

Температура граничной  поверхности:

t``₂= t₁- Δ t₁=950-98=852ºС.

Коэффициенты теплопроводности огнеупорного и теплоизоляционного слоев футеровки во втором приближении определяем:

λ``<sub>1</sub>=0,9+0,3×10<sup>-3</sup>(t<sub>1</sub>- t``₂)/2=0,9+0,3×10^-3(950-852)/2=1,17Вт/м⁰С;

λ``<sub>2</sub>=0,081+0,186×10<sup>-3</sup>(t<sub>2</sub>- t``₃)/2=0,081+0,186×10^-3(852-50)/2=0,2Вт/м⁰С.

Тепловые потери во втором приближении определяем:

 

При температуре внешней  поверхности футеровки t``₂=55ºС удельная теплоотдача в окружающую среду будет составлять q`₀=411Вт/м², а теплоотдача с поверхности F₃:

Q``₀=411×2,35=965,85Вт.

Учитывая малое различие значений Q``<sub>0</sub>  и Q`` дальнейшего уточнения не проводим, а тепловые потери принимаем Q``=1100Вт.

 

3.6.8 Потери через крышку печи

 

Потери через крышку печи принимаем равным потерям через  под печи, т.е. Q_кр=1100Вт.

Общие потери через футеровку печи определяем суммируя все потери:

W_пот= Q_б.с.+ Q_под+ Q_кр=5294+1100+1100=7494≈7,5кВт.

Тепло необходимое для  разогрева печи рассчитывается по формуле:

W_ак= W_акт - W_ак0.

где W_акт – суммарное теплосодержание печи при ее рабочей температуре,

Вт×ч; W_ак0 – тоже при температуре печи в начале разогрева.

 

3.6.9 Расчет тепла на нагрев футеровки

 

Определим количество тепла, необходимого для разогрева холодной футеровки.

1.Боковая стенка печи.

G_огн=F₁₂ δ₁γ₁=5,82×0,1×1300=756,6кг;

t_1ср=900ºС;

С₁=0,9+0,3×10^-3×900=1,17Вт×ч/кг׺С;

G_из=F₂₃ δ₂γ₃=9,49×0,25×500=1186,25кг;

t_2ср=430ºС;

С₂=0,081+0,186×10^-3×430=0,16Вт×ч/кг׺С;

W ^б_акк= G_огн С₁ t_1ср + G_из С₂ t_2ср

2.Под печи.

G_огн=F₁₂ δ₁γ₁=0,85×0,2×1300=221кг;

t_1ср=0,5(950+852)=901ºС;

С₁=0,9+0,3×10^-3×901=1,171,17Вт×ч/кг׺С;

G_из=F₂₃ δ₂γ₃=1,63×0,2×500=163кг;

t_2ср=(852+55)/2=453,5ºС

С₂=0,081+0,186×10^-3×453,5=0,2Вт×ч/кг׺С;

W ^п_акк= G_огн С₁ t_1ср + G_из С₂ t_2ср

W ^п_акк=221×901×1,17+163×453,50,2=247,8кВт×ч.

3.Крышка печи.

Примем W ^п_акк= W ^кр_акк=247,8кВт×ч

Теплосодержание печи при ее рабочей температуре составляет:

W _акк= W ^б_акк+ W ^кр_акк+ W ^п_акк=878+247,8+247,8=1373кВт.

W _эл.пот составляет 21% от W _пол следовательно W _эл.пот=0,21× W _пол

W _эл.пот=0,21×152,46=32кВт.

Тепловой баланс печи определяется:

Σ W= W_пол+ W_потτ_р.ц.+ W_акк+ W_эл.пот

Σ W=152,6+7,3×16+1373,6+32=1675кВт×ч, где τ_р.ц- время рабочего цикла печи (24 часов, т.е. при двухсменном режиме).

Определяем потребную мощность печи с помощью формулы:

Р`=Σ W/ τ_р.ц=1675/16=104,6кВт

Определяем коэффициент избытка мощности по формуле:

К=Р/Р`=105/104,6=1,003, где Р - паспортная мощность печи.