Komina_yakovlev_uchebn

c'рi – средняя удельная теплоёмкость при постоянных давлении

итемпературе t'г i-гокомпонента, входящеговсоставгазовойсме-

си, кДж/м3град. Принимается по таблицам справочной литературы или по табл. 3 прил. II ;

t'г – начальная температура газовой смеси, °С.

формуле (3.11);

c"рв – средняяудельнаятеплоёмкостьвоздухаприпостоянныхдав-

ленииитемпературе t"в , кДж/м3град. Находитсяпотаблицамсправочной литературы или по табл. 1 прил. II;

t"в – температура подаваемого в топочный объём воздуха, °С;

Температура теоретическая

Теоретическая температура tт – это максимальная темпера-

тура, которая определяется аналогично калориметрической tк, но с поправкой на отбор теплоты эндотермическими реакциями (т. е. реакциями диссоциации диоксида углерода и водяного пара, идущего с увеличением объёма и поглощением тепловой энергии) по механизму

CO2 CO 0,5 O2 283 мДж/кмоль

Н2О H2 0,5 O2 242 мДж/кмоль

Привысоких температурахдиссоциация можетпойти идальше, до образования атомарных водорода Н2, кислорода О2, в осо- бенностигидроксогруппы-ОН. Крометого, присжиганиигазавсе-

гда образуется некотороеколичество оксидов азота NOx. Все реакции эндотермичны и ведут к понижению температуры горения.

Теоретическая температура горения, °С, может быть определена по формуле

где qдис – суммарныезатратытеплотыначастичнуюдиссоциацию СО2 и Н2О в продуктах сгорания, кДж/м3г ;

n

¦Vi cтpi – суммапроизведений объёмаисреднейудельнойтепло-

i 1

ёмкости продуктов сгорания с учётом диссоциации. В развёрнутом виде

гдеаиб– степеньдиссоциацииводяногопараидиоксидауглерода, % от исходного их количества. Степень диссоциации возрастает с повышением температуры и снижением их парциального давления в смеси продуктов сгорания и принимается по табл. 7 прил. II.

Дотемпературы1600 °Сстепеньдиссоциацииничтожномала и в расчётах может не учитываться, т. е. в этом случае теоретическая температура горения может приниматься равной калориметрической. При более высоких температурах степень диссоциации можетсущественно снижатьтемпературуврабочемпространстве, поэтому теоретическую температуру горения необходимо определятьтолькодлявысокотемпературныхпечей, работающихнапред-

варительно нагретом воздухе (например, мартеновские). Для котельныхустановокинизкотемпературныхпечейвэтомнуждынет.

Температура действительная (расчётная)

Действительная(расчётная) температураtд – этомаксималь-

ная температура, которая достигается в реальных условиях в наиболее нагретой точке факела. Она значительно ниже теоретической и зависит от потерь теплоты в окружающую среду, степени отдачи теплоты из зоны горения излучением, растянутости процессагорения вовремени идр. Действительныеусреднённыетемпературы в топках промышленных печей и котлов определяются по тепловомубалансуили приближённо по теоретической или калориметрической температуре горения в зависимости от температуры в топках с введением в них экспериментально установленных поправочных коэффициентов:

где – пирометрический коэффициент, который зависит от конструкции топки и принимается по таблицамсправочной литературы или по табл. 9 прил. II.

Глава4. ТЕПЛОВЫЕБАЛАНСЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПЕЧЕЙ

4.1. Тепловые балансы промышленных печей. Определение необходимого расхода газа

Тепловой баланс на печь составляется из отдельных статей прихода (и расхода) тепла, отнесённого к заранее установленной единице: 1 кг (м3) топлива, 1 кг обожжённого металла, 1 ч работы печи.

Если расход газового топлива на печь не известен, то его определяют из уравнений теплового баланса.

Основными потребителями газа на промышленных предприятияхявляютсяпромышленныепечииотопительныепроизводственныекотельныеагрегаты. Расходтопливанакотельныйагрегатопределяется на основании теплового расчета котельного агрегата.

Для вычисления расхода газового топлива, который необходимо обеспечить для нормальной работы печи, составляют тепловой баланс рабочего пространства печи.

Тепловой баланс рабочегопространства промышленнойпечи представляет собой уравнение, связывающее статьи прихода теплоты (поступление, в основном, за счет химической теплоты сгорания топлива) и статьи расхода теплоты(восновном, на технологические нужды – нагрев металла до определенной температуры, плавлениеит. д.). Тепловойбалансможетбытьсоставлендлявсей печи в целом или только для её рабочего пространства, изменяются при этом только отдельные статьи расхода теплоты.

Для печей непрерывного действия: шахтных, вращающихся, туннельных, кольцевых – баланс тепла принято составлять по отдельным зонам: тепловой баланс для зоны подогрева и обжига, из которого определяют расход топлива; тепловой баланс для зоны охлаждения, изкоторогоопределяютрасходвоздуханаохлаждение.

Тепловой баланс для печей периодического действия составляется применительно к одномурабочему циклу (для одной плавки, для одного обжига и т. д.), тепловой баланс для печей непрерывного действия – применительно к одному часу работы печи.

Далее мы будем рассматривать тепловой баланс промышленной печи непрерывного действия для 1 ч её работы.

Вобщемвидеуравнение тепловогобалансадлялюбой тепловой установки имеет вид

где ¦Qпр – статьи часового прихода теплоты в тепловую установку, кДж/ч;

¦Qрасх – статьи часового расхода теплоты из тепловой установки, кДж/ч.

4.2.Определение часовых приходов теплоты в печь

Всумму часовых приходов теплоты в промышленную печь

¦Qпр входит часовой приход теплотыс металлом, который перед

загрузкой в печь имеет температуру выше 0 °С, поскольку приход теплоты отсутствует только в случае, если температура металла равна0 °С; часовой приходтеплоты сподогретым воздухоми топливом, подаваемым в печь, которые имеют температуру выше 0 °С; часовой приход теплоты, выделяющейся в результате прохождения химических реакций горения топлива. Согласно изложенномупринципууравнениечасовогоприходатеплотывпромышленную печь, кДж/ч, принимает вид

где Qм' – часовой приход теплоты с загружаемыми в печь деталями, кДж/ч;

Qв' – часовой приход теплоты с подаваемым воздухом, кДж/ч; Qг' – часовой приход теплоты с газовым топливом, кДж/ч;

Qхт – часовой приход теплоты, выделяющейся в результате химических реакций горения газового топлива, кДж/ч.

1.Часовой приход теплоты

сзагружаемыми в печь деталями

Часовой приход теплоты с загружаемыми в печь деталями определяется как произведение часового расхода металла на его энтальпию при температуре загрузки, кДж/ч:

где Gм – часовой расход металла, подаваемого в печь, кг/ч; Iм' – начальная энтальпия металла, кДж/кг.

Энтальпия загружаемого металла определяется из уравнения

где c'м – теплоёмкость металла при температуре в момент его загрузки, кДж/кгчград. Принимается по таблицам справочной литературы или по табл. 10 прил. II, зависит от вида металлаи его температуры;

tм' – температура металла в момент его загрузки, °С.

2. Часовой приход теплоты с подаваемым в зону горения вторичным воздухом

Часовой приход теплоты с подаваемым в зону горения вторичным воздухом определяется как произведение часового расхода воздуха на энтальпию при его начальной температуре. Начальнаятемпературавоздуханаходитсяизусловийзаборавоздуха. Если осуществляетсязабор воздуха из помещения цеха, то его температура принимается равной внутренней температуре воздуха в цехе. Если воздух забирается с наружной стороны здания, то его температура зависит от времени года и принимается равной температуре наружного воздуха.

где Vв – часовой расход воздуха, м3в/ч;

где с"в – удельнаятеплоёмкостьподаваемоговоздуха, кДж/м3град.

Определяется по таблицам справочной литературы или по табл. 1 прил. II, зависит от температуры воздуха и его влагосодержания;

t"в – температура подаваемого воздуха, °С;

Часовой расход воздуха, м3в / ч, находится по формуле

Определяетсяпорасчётамматериальногобалансагорениятоплива; Vг – часовой расход газового топлива, м3г/ч.

3. Часовой приход теплоты с газовым топливом

Часовой приход теплоты с газовым топливом, кДж/ч, определяется из уравнения

где qфизг – физическая теплота подаваемого в топочный объём газового топлива, кДж/м3г . Вычисляется по формуле (3.22).

4. Часовой приход теплоты, поступающий в результате химических реакций горения газового топлива

Произведение часового расхода топлива на его низшую теплоту сгорания даст количество теплоты, которое выделится в топке при данном часовом расходе топлива за 1 чеё работы. Заметим, чтоесливедётсярасчёттехнологическойсхемытепловойустановки с утилизационными установками и в составе этой схемы присутствуют теплообменные аппараты контактного типа (контактные экономайзеры, конденсационныетеплообменники), тосоставление теплового баланса необходимо вести по высшей теплоте сгорания

рабочегосоставатоплива Qвр . Есливсоставетехнологическойсхемы такие утилизаторы не присутствуют, то расчёт производится

по низшей теплоте сгорания рабочего состава топлива Qнр :

где Qнр – низшая теплота сгорания газового топлива, кДж/м3г ;

Qвр – низшая теплота сгорания газового топлива, кДж/м3г .

4.3. Определение часовых расходов теплоты из печи

Уравнение часовых расходов теплоты, кДж/ч, имеет вид

где Qм" – часовой расход теплотыснагретым металлом, выгружаемым из печи при температуре термообработки, кДж/ч;

Q2 – часовой расход теплоты, уносимой из камеры сгорания с отходящими газами, кДж/ч;

Q3 – часовые потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания газового топлива, кДж/ч;

Q5 – часовой расход теплоты, затрачиваемойнакомпенсацию теплопотерь через наружные ограждения печи, кДж/ч;

Qл – часовые потери теплоты в виде тепловой лучистой энергии черезоткрытыезагрузочныеокнапечивмоментзагрузкидеталей, кДж/ч;

Qнеуч – часовой расход теплоты, затрачиваемой на компенсацию неучтённых теплопотерь, кДж/ч.

1.Часовой расход теплотыс нагретыми до температуры термообработки деталями, выгружаемыми из печи

Часовой расход теплоты с нагретыми до температуры термообработкидеталями, выгружаемымииз печи, кДж/ч, определяется из уравнения

где Gм – часовой расход металла, кг/ч;

Iм" – энтальпия металлапри температуретермообработки, кДж/кг.

Энтальпияметаллапритемпературетермообработки, кДж/кг, определяется из уравнения

где t"м – температура термообработки металла, °С;

c"м – удельная теплоёмкость металла при температуре термообработки, кДж/кг ч град.

2.Часовой расход теплоты, уносимой из камеры сгорания

сотходящими газами

Этот расход теплоты является самой большой потерей теплоты в любом промышленном тепловом агрегате. Повышение температуры уходящих газов на каждые100 °С понижает КПДтеплоагрегата приблизительно на 5 %. Следовательно, если, к примеру, на выброс в атмосферу идут продукты сгорания с температурой 1200 °С, то КПД теплоагрегата будет не выше 1015 %, что говорит о необходимости снижать температурууходящих газовза промышленными печами. Снижение температуры обычно осуществляется установкой рекуперативных, регенеративных, контактных, конденсационныхтеплообменныхаппаратов. Этиаппаратыпозволяют передавать тепловую энергию отходящих газов либо путём её возврата обратно в топку при помощи подогрева воздуха, используемогодлягорячегодутьяилитоплива(обычноприменяется длятвёрдоготоплива, длягазовогоиспользуетсязначительнореже), чтосущественноснижаетегорасходиповышаетКПДустановкив целом, либо вторичного использования (т. е. для других технологическихинетехнологическихцелей), чтовцеломповышаетКПД всей технологической схемы (энергетический КПД) и эффективность использования топлива.

Расходтеплоты спродуктами сгорания определяетсякакпроизведение расхода газа на конечную энтальпию такого количества продуктовсгорания, котороевыделитсяприполномсжигании1 м3 газа с учётом избыточного количества воздуха и всех балластных включений:

где Vг – часовой расход газа, м3г/ч;

Iп" .с – энтальпия продуктов сгорания, покидающих топочную камеру установки, кДж/м3г .

Энтальпия продуктов сгорания Iп".с , кДж/м3г , находится из уравнения

где Vi – объёмная доля i-го компонента, входящего в состав продуктовсгорания, м3/м3п.с. Определяетсяпоформуламматериального баланса горения топлива;

с"рi – теплоёмкость i-гокомпонента, входящеговсоставпродуктов

сгорания, кДж/м3град. Зависит от вида компонента и его температуры, равной температуре газовой смеси, определяется по таблицам справочной литературы или по табл. 1 прил. II;

t"п.с – температурапокидающихтопочнуюкамерутепловойустановки продуктов сгорания, °С. Температура отходящих газов численно равна действительной температуре в топочной камере: t"п.с tд .

3. Часовой расход теплоты, затрачиваемой на компенсацию теплопотерь через наружные ограждения

тепловой установки

Часовой расходтеплоты, затрачиваемой накомпенсацию теплопотерь через наружныеограждения тепловой установки, кДж/ч, определяется по уравнению теплопередачи. Это расход теплоты, котораятеряетсячерезнаружныеограждениязасчётразноститемператур в цеховом помещении и в топочном пространстве печи:

где k – коэффициент теплопередачи ограждения топочной камеры, кДж/ч м2 град. Принимается согласно теплотехническому расчёту топочной камеры;

F – площадь топочной камеры по внутреннемуобмеру, м2; tд – действительная температура в топочной камере печи, °С; tн – температура наружного воздуха в помещении цеха, °С.

4. Часовые потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания газового топлива

Часовые потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания газового топлива образуются в результате химического недожога топлива. В продуктах сгорания присутствуют горючие компоненты (оксид углерода, водород, метан и др.). Эти потери могут возникнуть в результате неправильных наладочных работ горелочного устройства или вообще их отсутствия. При правильной наладке газогорелочных устройств потери теплоты от химического недожога отсутствуют.

где СО, Н2, СН4,… – процентное содержание несгоревших газов в продуктах сгорания;

Vпп.с – полный расход продуктов сгорания, м3п.с/м3г . Определяется по формуле (3.16).

5.Часовые потери теплоты через открытые окна

ввиде тепловой лучистой энергии, выбивающейся в момент загрузки и выгрузки деталей

Эти потери, кДж/ч, определяются по формуле

где Tд – абсолютная действительная температура в печи, K. Рас-

считывается как tд + 273;

F – площадь поверхности открытых окон и щелей промышленной печи, м2; – доля времени, в течение которого окно остаётся открытым

(т. е. отношение времени, в течение которого окно открыто, Wоткр кполномувременипребыванияматериалавтепловойустановке Wполн ):

\ WWоткр ; (4.19)

полн

Ф – коэффициент диафрагмирования. Зависит от размеров и конфигурации загрузочных окон, определяется по формуле

где M – коэффициент прямого излучения: для больших окон

M = 0,650,85, для малых окон M = 0,350,60.

6. Часовой расход теплоты, требуемой для компенсации неучтённых теплопотерь

Егопринимаютравным1015 % отсуммыстатейрасхода, исключая потери теплоты с уходящими газами Q2 . Этот расход име-

ет место практически во всех тепловых агрегатах. В основном в него входит расход теплоты на подогрев присасываемого воздуха через неплотности из-за различного рода дефектов изготовления оборудования и др.

Послеопределениявсехприходовирасходовтеплотыихприравнивают и выражают из равенства (4.1) Vг, т. е. расход газового

значение рекомендуется увеличивать на 1015 %.

4.4. Определение КПД промышленной печи

Полный(термический) КПДпечит, %, показывает, какаядоля тепла, введенного в рабочую камеру, полезно используется на нагрев металла и определяется по формуле

где Qм" – часовой расход теплоты с выгружаемыми из печи нагретыми деталями, кДж/ч. Вычисляется по формуле (4.12);

Qм' – часовой приход теплоты с загружаемыми в печь деталями,

кДж/ч. Определяется по формуле (4.3).

ЗначенияполноготермическогоКПДнекоторыхгазовыхпромышленных печей приведены в табл. 1.

Коэффициентиспользованияхимическойэнергиитопливан.т показывает, какую долю тепла, полученногоот сжиганияединицы топлива, газы отдают до выхода из рабочего пространства печи.

где Qраб.п – часовой расход теплоты, отдаваемой продуктами сго-

рания до выхода из рабочего пространства печи, кДж/ч, определяется по формуле

Таблица 1

Технические характеристики и значения термического КПД некоторых газовых промышленных печей

где Q2 – часовой расход теплоты, выносимой с продуктами сгорания из рабочего пространства печи, кДж/ч. Находится по формуле

(4.14);

Q3 – химическоетепло(недожог) вдымовыхгазахнаединицутоплива, кДж/ч. Определяется по формуле (4.17).

Общийчасовойприходтеплотывтопкупромышленнойпечи, кДж/ч, вычисляется по формулам

где Qфиз – часовой расход физической теплоты, подаваемой в то-

почное пространство с воздухом и газом, кДж/ч. Определяется по формуле

где qфиз – физическая теплота, подаваемая в топочное простран-

ствосвоздухоми газом, кДж/м3г . Определяетсяпо формуле(3.21). Коэффициентиспользованиятоплива количественноучитыва-

ниякоэффициентаиспользованиятопливадляприродногогазавзависимости от температуры продуктов сгорания, коэффициента из-

Величину коэффициента и.т определяют следующие основные факторы:

1) . Как показываетанализ формул (4.24) и (4.25), и.т выше у газов, имеющих большую теплоту сгорания;

Таблица 2

Значения коэффициента использования топлива и.т в зависимости от коэффициента избытка воздуха и температуры его подогрева

2)подогрев воздуха и топлива. Как видно из формулы (3.21)

итабл. 2, подогрев является самым эффективным средством для

повышения . Подогрев воздуха на 200 °С обеспечивает увели-

чение и.т в 1,11,2, а на 400 °С в 1,21,4 раза;

3)обогащениевоздухакислородом. Обогащениеприблизитель-

но до 50 % дает такой же эффект, как нагрев воздуха до 1000 °С. Обычноиспользуетсявмартеновских печах, гдеприменяетсяобогащение кислородом подаваемого в зону горения воздуха;

4)недожог топлива. По своей силе этот фактор даже превос-

ходит два предыдущих, оказывает отрицательное действие на и.т, ухудшая его (см. табл. 2);

5)избыток воздуха. Нагретый до температуры отходящих газоввоздух увеличиваетколичество тепла, уносимогосуходящими

газами. Избыточный воздух попадает в печь либо через горелки

(таккак коэффициент расхода воздуха почти всегдабольше1,0), либо через различные неплотности (рабочие окна, гляделки, пе-

сочныезатворыипр.). Дляувеличенияи.т необходимостремиться к сжиганию газа с минимальными избытками воздуха и уменьшению присосов холодного воздуха в печь;

36

6) увеличение температуры отходящихгазов t"п.с . Это приво-

дит к уменьшению коэффициента и.т. Но необходимо учитывать, что увеличение температурыв тепловой установке(а следователь-

но, и t"п.с ) способствует интенсификации процесса нагрева, т. е.

повышению производительности установки, хотя при этом и.т несколько снижается. Одновременно возрастает возможность получения более высоких температур подогрева воздуха, что увеличиваети.т. Всвязисэтимтемпературувтепловыхустановкахследует определять исходя из потребностей технологического процесса.

ПРИМЕР РАСЧЁТА КАМЕРНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕЧИ

Необходимовыполнитьтепловойрасчёткамернойтермическойпечи, предназначенной для нагрева деталей из Ст. 45. Термическая обработка стали про-

изводится при температуре t"м 1200 θC . Начальнаятемпература загружаемых впечьизделий t'м 16 θC . Средняяудельнаятеплоёмкостьсталивобластидан-

ныхтемператур cм 0,51 кДж/кг град. Производительность печипо изделиям

ваемого газа dг 12 г/м3 . В печи установлена дутьевая горелка, работающая

на горячем дутье. Температура подаваемого вторичного воздуха t"в 340 θC . Подогрев воздуха осуществляется рекуперативным теплообменником. Влаго-

щадь наружных ограждений F 12,4 м2 . Печь имеет малые окна общей пло-

щадью Sок = 0,188 м2. Отношение времени открытия окон к времени полного пребывания материала в печи = 0,1.

Необходимо составить тепловой баланс печи и определить часовой расход теплоты с продуктамисгорания на выходеизтопки; часовой расход газово-

37

го топлива, который необходимо обеспечить для поддержания рабочей температурыврабочемпространствепечи; термическийкоэффициентполезногодействия и коэффициент использования топлива печи при условии, что подогрев воздуха осуществляется сторонним воздухоподогревателем.

РЕШЕНИЕ

Расчётная схема камерной термической печи изображена на рис. 1. Низшая теплота сгорания природного газового топлива заданного соста-

ва определяется по формуле (3.4):

Теоретическийобъёмвлажноговоздухарассчитываетсяпоформуле(3.10):

Действительныйобъёмвлажноговоздухаопределяетсяпоформуле(3.11):

Объём содержащегося в продуктах сгорания диоксида углерода рассчитывается по формуле (3.12):

VCO2 0,01 CО СО2 СН4 2 С2Н4 ¦m CmНn 0,01 0,8 84,5

Объём содержащихся в продуктах сгорания водяных паров вычисляется по формуле (3.13):

Объём содержащегося в продуктах сгорания азота определяется по фор-

муле (3.14):