Потери тепла теплопроводностью через кладку

Потери тепла теплопроводностью через кладку печи () зависят от температуры внутри печи, площади, толщины и коэффициентов теплопроводности материалов стен, пода и свода. Потери теплоты через кладку могут быть значительно уменьшены при хорошей изоляции, поэтому при расчете не только определяются потери через кладку, спроектированную на основе принципов, изложенных в разделе 6.1, но и, при необходимости, корректируют конструкцию футеровки, опираясь на результаты данного расчета.

В целом расчет характеристик футеровки термической печи и ее конструирование производят следующим образом.

1. Исходя из конструктивных соображений и учитывая температуру внутреннего пространства печи, определяют:

– число слоев футеровки;

– материалы слоев;

– толщину слоев;

– расположение и размеры основных отверстий (это является результатом работы проектанта в разделе «Составление эскиза печи»).

В дальнейшем будем рассматривать наиболее сложный из перечисленных выше случаев – трехслойную футеровку.

2. Поскольку все элементы футеровки (под, свод, стены) могут отличаться друг от друга, всю ее необходимо разделить на отдельные части с постоянными числом слоев, материалами и толщинами. Раздел производится по линиям пересечения поверхностей, ограничивающих внутреннее пространство печи, под углом . В результате (рис. 9) футеровка будет разделена на отдельные элементы в виде усеченных многослойных пирамид, у каждой из которых известен размер малого основания ( на рис. 9), количество, материал и толщина каждого слоя (в случае непрямоугольного рабочего пространства печи эти элементы имеют другую форму, но принцип остается тем же).

В дальнейшем каждый из полученных при разделении футеровки элементов рассчитывается отдельно.

Зная размеры меньшего основания пирамиды, можем определить площади границ слоев:

; (7.6)

(7.7)

(7.8)

(7.9)

Рис. 9. Расчетный элемент футеровки.

где: – площадь внутренней поверхности стенки, ;

– площадь границы между 1-м и 2-м слоями, ;

– площадь границы между 2-м и 3-м слоями, ;

– площадь наружной поверхности стенки, .

Предварительные толщины слоев футеровки (для получения минимально возможных толщин слоев), выполненных из кирпича, принимают кратными минимальному размеру кирпича нормального формата по ГОСТ 8691 – 0,065 м, а слоев, выполненных из мягких теплоизоляционных материалов – 0,05 м).

3. Затем определяют средние площади слоев, причем, если , то как среднее арифметическое:

(7.10)

а если , то как среднее геометрическое:

(7.11)

4. Исходя из опыта проектанта, назначают граничные температуры (см. рис. 9). Причем более-менее точно можно назначить только , так как температура на внутренней поверхности стенки обычно на 4-6 ниже, чем температура внутреннего пространства. Остальные () можно назначить произвольно, имея в виду, что .

5. Зная материалы слоев, определяют средние коэффициенты теплопроводности для материала каждого слоя:

, ;

; (7.12)

;

где: , , , , , – справочные величины;

;

, .

6. Определяют потери тепла через футеровку стенки теплопроводностью:

, (7.13)

где: – температура внутреннего пространства печи,;

– температура окружающего пространства (20 );

и – коэффициенты теплоотдачи от внутренней среды печи к стенке и от стенки к окружающему воздуху, соответственно, (коэффициент теплоотдачи от стенки к окружающему воздуху из-за узкого допустимого интервала температуры поверхности стенки от 40 до 60⁰С может быть взят постоянным и равным 12 ).

7. Поскольку в п.4 при выборе граничных температур очень велика вероятность ошибки, необходима проверка правильности назначенных температур. Она проводится следующим образом:

– проверка слева (от внутреннего пространства печи):

(7.14)

– проверка справа (от внешней поверхности печи):

(7.15)

t_окр = 20⁰C

При расчетах принято считать результаты достаточно точными, если все три значения температуры (и ) укладываются в интервал 5 ⁰С (такой же разброс допускается и для температуры ), для температур и допускается разброс трех значений до 10 ⁰С.

Если эти условия не выполняются, то необходимо задаваться новыми значениями граничных температур и повторять расчет до тех пор, пока указанные выше неравенства не будут выполняться.

8. Необходимо проверить, не превышает ли температура каждого из слоев огнеупорность материала, из которого он изготовлен. Если это не так, то необходимо или сменить материал данного слоя, или увеличить толщину предыдущего. В то же время для создания наиболее компактной и экономичной футеровки не следует назначать материалы со слишком высокой (для данного случая) огнеупорностью. Лучше всего, если огнеупорность используемого материала превышает максимальную температуру на 100 – 200⁰С.

Если по результатам расчета приходится изменить материал или толщину хотя бы одного слоя, то расчеты проводятся вновь, начиная, соответственно, с п.5 или п.2.

9. Футеровка печи должна быть спроектирована таким образом, чтобы температура на наружной поверхности не превышала из соображений техники безопасности. В то же время, если , то считается, что футеровка получилась слишком громоздкой и экономически невыгодной.

Таким образом, футеровку можно считать спроектированной правильно, если температура на поверхностях внутренней и наружной стенки вычислена с точностью до , на границах слоев с точностью до и наружная стенка имеет температуру .

Результатами расчета являются:

– толщина слоев футеровки;

– граничные температуры;

– потери тепла теплопроводностью через стенку.

Подобным образом проводится расчет отдельно для свода, боковых и торцевых стенок печи.

Так же рассчитываются потери через кладку пода, если под находится на металлической конструкции. Если же под находится на грунте, то потери через него рассчитываются следующим образом:

(7.16)