Тепловой баланс печи

Целью работы является ознакомление с тепловые балансом печи и экспериментальное определение коэффициента полезного действия электрической нагревательной печи.

Тепловой баланс печи представляет собой частный случай закона сохранения энергии:

,

Приходная часть теплового баланса D_прих топливной печи складывается из следующих статей:

, (13)

где Q_топл - теплота, полученная в результате сжигания топлива;

Q_в, Q_т - теплота, внесенная в печь подогретым воздухом и топливом;

Q_экз - теплота экзотермических реакций, не связанных с горением топлива.

Расходная часть теплового баланса Q_расх состоит из следующих статей:

, (14)

где Q₁ – полезная теплота на нагревание или плавление и перегрев материалов в печи;

Q₂ – потери теплоты с уходящими газами;

Q₃ – потери теплоты от механической и химической неполноты горения;

Q₄ – потери теплоты в окружающую среду;

Q₅ – расход теплоты на разогрев кладки;

Q₆ – расход теплоты на эндотермические реакции.

Для электрических печей выражение теплового баланса принима­ет вид:

(15)

где Q_эл – теплота, полученная при преобразовании электрической энергии в тепловую.

Для печей непрерывного действия тепловой баланс составляет на единицу времени работы, для печей периодического действия – на один цикл или период работы.

При экспериментальном составлении теплового баланса действующих печей обычно имеет место неувязка теплового баланса, которая относится, как правило, к неучтённым потерям.

Составление теплового баланса при проектировании печей необ­ходимо для определения расхода топлива или электроэнергии. Для действующих печей составление теплового балансе служит для анали­за потерь теплоты и выявления путей повышения технико-экономичес­ких показателей работы печей.

К технико-экономическим показателям работы печи относятся:

- термический коэффициент полезного действия

;

- эффективный коэффициент полезного действия

или ;

- производительность печи кг/ч, т/сутки и т.д.;

- расход теплоты при электроэнергии на единицу произведенной продукции кДж/кг или кВт -ч/т.

Отдельные статьи теплового баланса находятся следующим образом.

Приходная часть теплового баланса.

1. Теплота за счет сжигания топлива,

,

где В - расход топлива в единицу времени или за период работы;

- низшая теплота сгорания.

В электрических печах

,

где W - мощность печи.

2. Теплота, внесенная подогретым воздухом,

,

где V - действительное количество воздуха для сжигания единицы топлива;

c_в - средняя объемная теплоемкость воздуха в интервале температур от 0°С до температуры его подогрева t_в, ⁰С

3. Теплота, внесенная подогретым топливом,

,

где с_Т – средняя теплоемкость топлива в интервале температур от 0°С до температуры его подогрева t_Т,°С.

4. Теплота экзотермических реакций,

,

где А_i – тепловой эффект окисления компонента;

ΔG_i – массовый угар.

При реакции С → СО выделяется 11900 кДж/кг, Si → SiO₂ — 28400 кДж/кг, Р → P₂0₅ – 21400 кДж/кг. В нагревательных печах Q_экз – в основном теплота окисления железа. Поскольку окалина – это смесь окислов железа, принято, что при ее образовании выделяется 5650 кДж/кг.

Расходная часть теплового баланса.

1. Полезная теплота,

,

где G - производительность печи или масса садки;

i₂, i₁ - энтальпия металла в конечном и начальном состояниях.

Для плавильных печей,

,

где С_тв - средняя массовая теплоемкость в интервала температур от 0°С до температур солидуса t_сол;

С_ж - средняя массовая теплоемкость жидкого металла для перегрева ; L_эф - эффективная теплота плавления.

В полезную теплоту обычно включают и теплоту на образование шлаков.

2. Потери теплоты с уходящими газами,

,

где V_ух - количество продуктов сгорания при сжигании единицы топлива;

C_ух - средняя теплоемкость продуктов сгорания в интервале температур от 0°С до температуры уходящих продуктов сгорания t_ух, °С.

3. Потери теплоты от механической неполноты имеют место при сжигании твердого топлива. Их оценивают величиной 3 – 5 % от Q_топл. Потери теплоты от химической неполноты находятся в пре­делах 2 – 6 % oт Q_топл. В производственные условиях химическую неполноту определяют по результатам химического анализа уходящих продуктов сгорания.

4. Потери теплоты в окружающую среду состоят из потерь теп­лоты теплопроводностью через стенки печи Q_4,1, лучеиспусканием через открытые окна; отверстия Q_4,2 и с охлаждающей водой Q_4,3.

,

где t_кл, t_о - температуры внутренней поверхности кладки и окружающей среды;

- термическое сопротивление стенки печи (для многослойной стенки );

α_о - коэффициент теплоотдачи от стенки печи в окружающею среду;

F - поверхность стен печи.

,

где С_о – коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,67 Вт/(м²·К⁴);

Т_печ, То - температура печи в окружающей среды, К;

F - площадь окна или отверстия в стенке;

Ф - коэффициент диафрагмирование. В зависимости от геометрических размеров определяется по специальным таблицам иди графикам.

,

где D - количество (расход) охлаждающей воды;

- разность энпальпий воды.

5. Потери теплоты на разогрев кладки имеют место при разогреве печи или при работе печи периодического действия.

,

где V_кл – объем кладки;

ρ_кл – плотность материала кладки;

– разность энтальпий кладки в конечном и начальном состояниях.

6. Потери теплоты на эндотермические реакции определяются так же, как и Q_экз.

Кроме перечисленных, расходная часть теплового баланса может включать в себя потери с выбивающимися газами, затраты теплоты на нагрев различных приспособлений, транспортирующих устройств и т.п.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Установка состоит из муфельной электрической печи сопротив­ления 1 (рис. 5), предназначенной для нагрева небольших образ­цов 2.

Превращение электричес­кой энергии в тепловую осуществляется в нихромовых элементах сопро­тивления 3. Мощность печи измеряется ваттметром 4. Температура образца 2 измеряется термоэлектрическим пре­образователем (термопарой) 5 и пирометричес­ким милливольтметром 6, а температура поверхнос­ти печи термоэлектри­ческим преобразователем пирометрическим милливольтметром 8.

Рис.5. Схема лабораторной установ­ки к работе 3

Порядок выполнения работы.

При выполнении работы необходимо соблюдать правила техники безопасности (приложение).

Определяется масса образца М, его размеры и материал об­разца по плотности. Затем образен загружается в печь, в центр его устанавливается термоэлектрический преобразователь (термопара) и печь включается. Через каждые 3 мин регистрируются мощность W, температура образца и температура поверхности печи t_пов. Результаты измерений заносятся в табл. 5.

Таблица 5

Исходные данные для расчета теплового баланса

Время, мин	Мощность, кВт	Температура образца, 0С	Температура поверхности печи, 0С
и т.д.

Продолжительность опыта 30 мин.

Тепловой баланс электрической печи при отсутствии экзтермических реакций запишется в виде:

,

Теплота за счет преобразования электрической энергии в тепловую

, кДж,

где τ - продолжительность опыта, ч;

W - мощность, кВт.

Полезная теплота на нагрев образна

, кДж,

где М - массе образца;

с₁, с₂ - средние массовые теплоемкости в интервале температур 0 – t₁ и 0 – t₂;

t₂, t₁ - конечная и начальная температуры образца.

Средние массовые теплоемкости материалов приведены в табл. 6.

Таблица 6

Средние массовые теплоемкости материалов в интервале температур 0 – t, ⁰С

Материал	с, кДж/(кг·К), в интервале температур
Углеродистая сталь Алюминий Медь	0,46 0,895 0,389	0,472 0,913 0,394	0,488 0,938 0,398	0,518 0,955 0,402	0,538 0,979 0,406	0,571 0,996 0,410	0,592 1,022 0,414

Потери теплоты в окружающее пространство:

, КДж

где F - наружная поверхность печи, м²;

g_u - плотность теплового потока от наружной поверхности печи в зависимости от температуры.

t, 0C
gu, Вт/м2

Расход теплоты на разогрев кладки:

, кДж

где М_кл - масса теплоизоляционного материала;

с_кл - средняя массовая теплоемкость, можно считать равной 0,9 кДж/(кг·К);

t₁, t₂ - средняя температура теплоизоляционного материала в конце и начале нагрева. Для соответствующих момен­тов времени определяется как среднее арифметическое из значений температур образца и поверхности.

Результаты расчетов статей теплового баланса сводятся в табл.7.

Таблица 7

Статьи теплового баланса

Статьи теплового баланса	кДж	%
Приход Электрическая энергия Qэл Расход Полезная теплота Q1 Потери в окружающую среду Q4 Расход на разогрев кладки Q5 Невязка ΔQ

Указания к составлению отчета:

Отчет по работе должен включать:

- цель работы;

- схему установки;

- табл. 5 с экспериментальными данными;

- необходимые расчетные выражения;

- табл. 7 с результатами расчетов.

Контрольные вопросы.

1. Цель составления теплового баланса.

2. Тепловой баланс топливной печи.

3. Тепловой баланс электрической печи.

4. Технико-экономические показатели работы печи.

Л И Т Е Р А Т У Р А

[3, с. 259 – 266].

Приложение

ВЫПИСКА ИЗ ПРАВИЛ

техники безопасности при выполнении лабораторных работ

1. Без инструктажа по технике безопасности студенты к выполнению лабораторных работ не допускаются.

2. Каждый студент при выполнении работа обязан соблюдать все меры предосторожности, необходимые для предотвращения несчастных случаев.

3. О всяком происшествии необходимо немедленно сообщить препода­вателю или лаборанту.

4. Нельзя снимать или перевешивать предупреждающие и запрещающие плакаты.

5. При работа с электропечами образцы разогреты до температур 400 - 600°C, поэтому во избежание ожогов требуется особое внимание.

6. Ни в коем случае не открывать крышки измерительных приборов.

7. Включение и выключение электропечей, вентиляторов, приборов производится только лаборантом или преподавателем.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.: – Энергия, 1969. 440 с.

2. Арутюнов В.А., Миткалинный В.И., Старк С.Б. Металлургическая теплотехника. Ч.I. – М.: Металлургия, 1974. 672 с.

3. Скворцов А.А., Акименко А.Д., Кузелев М.Я. Нагревательные устройства. – М.: Высшая школа, 1965. 444 с.