Расчет теплового баланса

 

Поскольку расход топлива по зонам печи нам неизвестен, будем составлять позонные тепловые балансы .

Принимаем некоторые упрощения: пренебрегаем переносом тепла излучением из зоны в зоны; пренебрегаем продольным переносом тепла в зоне горения, так как размеры зоны малы (Н’ = 0,1 м) и температура зоны горения принята одинаковой по всей длине печи (t’_ф = 1600 ^оС); не учитываем расходные статьи баланса, не превышающие 5 % от всего расхода.

 

Томильная зона:

Приход тепла

1. Тепло от горения топлива

Q^т_хим = В_т Q^р_н = 35704,75 В_т , кВт

где В_т – расход топлива в томильной зоне, м³/с.

 

2. Приход тепла от окисления металла.

Q^т_окс = Р × Q_экз × 0,01 = 1098,36 кВт

где Q_экз – теплота экзотермических реакция, 5650 кДж/кг,

 

0,01 – степень окисления

 

3. Приход тепла с подогретым воздухом горения

Q^т_возд = 9,49 × 450 × 1,3371 × В_т = 5710,09×В_т , кВт

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист

Расход тепла

1. Тепло, затраченное на нагрев металла

кВт

где – энтальпии стали Ст20 при температуре соответственно, кДж/кг.

 

2. Тепло, уносимое продуктами сгорания в зоне теплообмена при ^оС

, кВт

Энтальпию продуктов сгорания находим при ^оС

СО₂

Н₂О….

О₂……

N₂……

кДж/м³

3. Потери тепла теплопроводностью через футеровку.

 

=

 

;

 

Температура поверхности металла в томильной зоне – 1160 °С

Температура газов – 1210 °С

 

= = 0,256

 

 

= 0,589

 

= 0,97

 

 

= 0,99

 

 

= 1468 К = 1195 °С

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист Лист

Свод. Температура внутренней поверхности t_к = 1195 °С. Принимаем температуру окружающей среды t_ок = 30 °С, температуру наружной поверхности t_нар = 75 °С. Площадь свода (с учетом толщины стен):

 

 

 

= 26,12 м

 

= 15,88 м

 

= 337,61 м²

 

=103,48 м²

 

Средняя температура шамотного слоя равна

 

°С

 

 

При этой температуре находим теплопроводность

 

Вт/(м К)

 

Находим коэффициент конвективной теплоотдачи

 

Вт/(м² К)

 

Рассчитываем потери тепла через свод по формуле

кВт

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист

Стены. Температура внутренней поверхности t_к = 1195 °С. Принимаем температуру наружной поверхности t_нар = 75 °С. Площадь стен с учетом футеровки:

Боковой наружной

 

= 26,12 × 3,14 × (1,8 + 0,3 + 0,56) = 218,16 м²

Боковой внутренний

 

= 15,88 × 3,14 × (1,8 + 0,3 + 0,56) = 132,64 м²

 

Общая площадь боковых стен

 

F_нар = 218,16 + 13264 = 3350,8 м²

 

= 1 м²

 

Для вычисления коэффициентов теплопроводности, зависящих от температуры, определяем среднее значение температуры каждого слоя:

средняя температура слоя шамота ,

средняя температура слоя диатомита ,

где t’ – температура на границе раздела слоев

 

Коэффициенты теплопроводности материалов

 

Вт/(м К)

 

 

Вт/(м К)

 

При стационарном режиме

 

 

t’ = 440 °С

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист

Тогда

°С

 

°С

 

Вт/(м К)

 

Вт/(м К)

 

Учитывая, что

 

Вт/(м² К)

 

Рассчитываем потери тепла через стены печи

 

кВт

 

Под. Температура внутренней поверхности t_к = 1195 °С. Принимаем температуру наружной поверхности t_нар = 75 °С. Площадь пода равна площади свода F_нар = 103,48 м²

Для вычисления коэффициентов теплопроводности, зависящих от температуры, определяем среднее значение температуры каждого слоя:

средняя температура слоя высокоглиназемистого кирпича

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист

средняя температура слоя диатомита

где t’ – температура на границе раздела слоев

 

Коэффициенты теплопроводности материалов

 

Вт/(м К)

 

Вт/(м К)

 

При стационарном режиме

 

 

t’ = 474 °С

 

Тогда

 

°С

 

°С

 

Вт/(м К)

 

Вт/(м К)

 

Учитывая, что

 

Вт/(м² К)

 

Рассчитываем потери тепла через стены печи

кВт

 

Общие потери тепла теплопроводностью через футеровку печи равна

Q^т_тепл = 388,88 + 148,60+148,8 = 686,28 кВт

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист

Потери теплоты излучением через окно выдачи

Принимая F_окн = 1,8 м², Ф = 0,78, ψ =0,5

 

= 297,17 кВт

 

Потери тепла с окалиной составят:

 

 

где 0,01 – степень угара,

1,38 – коэффициент увеличения веса окалины за счет поглощения кислорода

 

= 401,3 кВт

 

Неучтенные потери принимаем равными 10 % от тепла горения топлива

 

Q^т_пот = 0,1 Q^т_хим = 0,1 × 35704,75 × В_т =3570,48 В_т кВт

 

Уравнение теплового баланса томильной зоны:

 

35704,75 В_т + 1098,36+5710,09Вт= 1234,44 + 2011,55В_т + 686,28 + +297,19 +401,3 + 3570,48 В_т

 

В_т = 0,086 м³/с

 

Сварочная зона:

Приход тепла

1. Тепло от горения топлива

Q^св_хим = В_св Q^р_н = 35704,75 В_св кВт

 

где В_св – расход топлива в сварочной зоне, м³/с.

 

2.Тепло, вносимое продуктами сгорания из томильной зоны

 

Q^св_пг = Q^т_ух = 20111,55 В_т кВт

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист

3. Приход тепла с подогретым воздухом горения

 

Q^св_возд = 5710,09 В_св кВт

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист

4. Приход тепла от окисления металла.

Q^св_окс = Р × Q_экз × 0,01 = 1098,36 кВт

 

Расход тепла

1. Тепло, затраченное на нагрев металла

 

кВт

 

где – энтальпии стали СТ.20при температурах в сварочной зоне соответственно

 

2. Тепло, уносимое продуктами сгорания в зоне теплообмена при °С

 

, кВт

 

Энтальпию продуктов сгорания находим при °С

СО₂

Н₂О….

О₂……

N₂……

кДж/м³

 

3. Потери тепла теплопроводностью через футеровку.

Свод. Температура внутренней поверхности t_к = 1195 °С. Принимаем температуру окружающей среды t_ок = 30 °С, температуру наружной поверх-ности t_нар = 75 °С. Площадь свода (с учетом толщины стен):

=159,3 м²

Средняя температура шамотного слоя равна

°С

При этой температуре находим теплопроводность шамота

 

Вт/(м К)

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист

Находим коэффициент конвективной теплоотдачи по формуле

 

Вт/(м² К)

 

Рассчитываем потери тепла через свод по формуле

 

кВт

 

Стены. Температура внутренней поверхности t_к = 1195. Принимаем температуру наружной поверхности t_нар = 75 °С.

 

Общая площадь боковых стен

 

= 165,48 м²

 

Для вычисления коэффициентов теплопроводности, зависящих от температуры, определяем среднее значение температуры каждого слоя:

средняя температура слоя шамота

средняя температура слоя диатомита

где t’ – температура на границе раздела слоев

 

Коэффициенты теплопроводности материалов

 

Вт/(м К)

 

Вт/(м К)

 

При стационарном режиме

 

t’ = 440 °С

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист

Тогда

 

°С

 

°С

 

Вт/(м К)

 

Вт/(м К)

 

Учитывая, что

 

Вт/(м² К)

 

Рассчитываем потери тепла через стены печи

кВт

 

Под. Температура внутренней поверхности t_к = 1195 °С. Принимаем температуру наружной поверхности t_нар = 75 °С. Площадь пода равна площади свода F_нар = 159,3м²

Для вычисления коэффициентов теплопроводности, зависящих от температуры, определяем среднее значение температуры каждого слоя:

средняя температура слоя высокоглиназемистого кирпича

 

средняя температура слоя диатомита

 

 

где t’ – температура на границе раздела слоев

 

Коэффициенты теплопроводности материалов

 

Вт/(м К)

 

Вт/(м К)

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист

При стационарном режиме

 

 

 

t’ = 474 °С

 

Тогда

 

°С

 

°С

 

Вт/(м К)

 

Вт/(м К)

 

Учитывая, что

 

Вт/(м² К)

 

Рассчитываем потери тепла через стены печи

кВт

 

Общие потери тепла теплопроводностью через футеровку печи равна

 

Q^т_тепл = 598,66+232,17+229,12 = 1060,05 кВт

 

Потери тепла с окалиной составят:

где 0,01 – степень угара,

1,38 – коэффициент увеличения веса окалины за счет поглощения кислорода

 

= 401,3 кВт

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист

Неучтенные потери принимаем равными 10 % от тепла горения топлива

 

Q^т_пот = 0,1 Q^т_хим = 0,1 В_св =3570,48 В_св кВт

 

Результаты расчетов сводим в таблицы 3.2 – 3.4.

Таблица 2 – Тепловой баланс томильной зоны
Наименование статьи	кВт	%	Наименование статьи	кВт	%
Тепло от сгорания топлива	3070,01	65,9	Тепло с металлом	1234,44	26,51
Тепло подогрева воздуха	491,8	10,54	Тепло с уходящими газами	1729,59	37,15
Тепло экзотермических реакций	1098,36	23,56	Тепло через ограждающие поверхности	686,28	14,74
			через окно	297,17	6,39
			С окалиной	401,3	8,62
			Неучтённые потери	307,06	6,59
Итого	4659,55			4656,38
Таблица 3 – Тепловой баланс сварочной зоны
Наименование статьи	кВт	%	Наименование статьи	кВт	%
Тепло от сгорания топлива	7248,06	64,51	Тепло с металлом	2604,96	23,17
Тепло подогрева воздуха	1159,14	10,32	Тепло с уходящими газами	6449,89	57,38
Тепло экзотермических реакций	1098,36	9,78	Тепло через ограждающие поверхности	1060,05	9,43
Тепло от томильной зоны	1729,59	15,39	С окалиной	401,3	3,57
			Неучтённые потери	724,8	6,45
Итого	11235,15

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист

Уравнение теплового баланса сварочной зоны:

35704,75 В_св +5710,09 В_св +1729,59 + 1098,36= 2604,96 + 22317,97 (В_св + В_т ) +

 

+ 1060,05 +401,3 + 3570,48 В_св

 

В_св = 0,203 м³/с

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист

Общий расход газа на печь составит:

 

0,086+0,203 = 0,289 м³/с = 1040,4 м³/ч

 

В методической зоне металл обогревается теплом уходящих газов из сварочной и томильной зон.

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист

Таблица 4 –Общий тепловой баланс печи

Наименование статьи	кВт	%	Наименование статьи	кВт	%
Тепло от сгорания топлива	10318,67	72,84	Тепло с металлом	3839,4	24,61
Тепло подогрева воздуха	1650,22	11,65	Тепло с уходящими газами	8179,48	52,43
Тепло экзотермических реакций	2196,72	15,51	Тепло через ограждающие поверхности	1746,33	11,19
			С окалиной	802,6	5,15
			Неучтённые потери	1031,86	6,62
Итого	15895,2			15599,67

 

Удельный расход газа составил :