Тепловой баланс и расход топлива

 

Как можно видеть из изложенного выше, расход топлива представляет собой важную характеристику работы печей. На действующей печи расход топлива определяют непосредствен­ным измерением, а для проектируемых печей — расчетным пу­тем, используя тепловой баланс печи.

Тепловой баланс печи состоит из равных между собой приход­ной и расходной частей, каждая из которых складывается из ряда статей. Для печей постоянного действия тепловой баланс состав­ляют на один час (на одну секунду), для печей периодического действия — на один цикл работы.

Статьи приходной части теплового баланса (кДж/с=кВт)

1. Тепло, получаемое в результате сгорания топлива

,кДж/с,

где В - расход топлива, кг/с, или м³/с;

- теплота сгорания топлива, кДж/кг, или кДж/м⁸,

2. Тепло, вносимое подогретым воздухом

,кДж/с,

где t_в - температура подогрева воздуха, °С;

с_в - средняя удельная теплоемкость воздуха в интервале

температур от 0° С до t_в, кДж/(м³ К);

α - коэффициент избытка воздуха;

L_о - количество воздуха, теоретически необходимого для сжига-ния единицы топлива, м³/кг, или м³/м³.

3. Тепло, вносимое подогретым топливом:

кДж/с,

где с _т- средняя удельная теплоемкость топлива в интервале температур от 0° С до t _т, кДж/(м³ °С);

t_т - температура подогрева топлива, °С.

4. Тепло экзотермических реакций. В этой статье при состав­лении теплового баланса учитывают все химические реакции, идущие с положительным тепловым эффектом, кроме реакций горения топлива. В нагревательных печах учитывают тепло, выделяющееся при окислении металла. При окислении 1 кг ме­талла выделяется 5652 кДж/кг тепла, поэтому

= 5652 Ра кДж/с,

где Р - производительность печи, кг/ч;

а - величина угара металла, кг/кг металла.

Статьи расходной части теплового баланса

1. Полезное тепло, необходимое для нагревания и плавления материалов. Если материалы поступают в печь холодными, то

, кДж/с;

если подогретыми, то

, кДж/с;

где G - количество материала, кг/ч;

t_м.к - конечная температура нагрева металла, °С;

t_м.н - начальная температура металла,°С;

с_м - средняя удельная теплоемкость металла в интервале

температур от 0° С до t_м.ккДж/кг К

с'_м - средняя удельная теплоемкость металла в интервале температур от 0° С до t_мн, кДж/кгК.

Для плавильных печей учитывают скрытую теплоту плавления материалов.

2. Тепло, уносимое шлаками:

кДж/с,

где -количество шлаков, кг/с;

t_шл - температура шлака, °С;

с_шл - удельная теплоемкость шлаков, кДж/(кгК).

3. Тепло эндотермических реакций Q₃. Эта статья характерна для плавильных печей. К ней относится, например, тепло, идущее на разложение известняка.

4. Тепло, уносимое отходящими газами:

кДж/с,

где t_ух - температура отходящих из печи дымовых газов, °С;

с_ух - средняя удельная теплоемкость отходящих из печи

газов, кДж/(м³К).

Некоторое количество дымовых газов удаляется из рабочего пространства печи в результате выбивания через окна, щели и др. Поэтому только с некоторым приближением можно рассма­тривать Vу_X как полное количество газов, образующихся при сжигании единицы массы или единицы объема топлива.

5.Тепло от химической неполноты сгорания топлива. При бес­пламенном сжигании потери тепла от химической неполноты сгорания практически отсутствуют. При пламенном сжигании в отходящих газах обычно содержится 0,5-3% несгоревших газов (СО и Н₂). Можно принять, что на 1% СО содержится 0,5% Н₂. Тогда теплота сгорания такой смеси составит 12142 кДж/м³. Если в отходящих газах долю несгоревшего СО принять равной а, то потери тепла будут

а 12 142, кДж/с,

где υ_ух - количество уходящих из печи газов, м³/кг, или м³/м³.

6. Тепло от механической неполноты сгорания. Под механи­ческой неполнотой сгорания понимают различные потери топлива. Например, при сжигании твердого топлива потери составляют 3-5 %, следовательно:

,кДж/с.

В случае газообразного топлива потери тепла от утечки газа составляют

,кДж/с.

В случае жидкого топлива теряется около 1%, т. е,

,кДж/с.

7. Потери тепла в результате теплопроводности через кладку, Потери тепла через свод, стены и под печи определяют по уравне­нию

,кДж/с

где t_кл - температура внутренней поверхности кладки, °С;

t_в - температура окружающего воздуха, °С;

S ₁и S₂ - толщина огнеупорной кладки и изоляции, м;

λ ₁и λ₂ - соответственно коэффициенты теплопроводности

кладки и изоляции, Вт/(мК);

α - коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху, равный

19,8 Вт/(м²К); 1/ α соответственно равно 0,052 м² К/Вт;

F - поверхность кладки, м².

8. Потери тепла излучением через открытые окна печи

, кДж/с

где С_о - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела,

равный 5,768 Вт/(м²К⁴);

Т - средняя температура в печи, К;

F - площадь открытого окна, м²;

Ф - коэффициент диафрагмирования (см. табл.1);

φ - доля времени, когда окно открыто.

9. Тепло, затраченное на нагревание тары. Если тара холод­ная (273 К или 0° С), то количество тепла, требующееся на ее нагрев, составит

, кДж/с,

где G_т - масса тары, кг/ч;

с_т - средняя удельная теплоемкость тары в интервале тем­ператур от 0° С до t_т, кДж/(кгК).

Таблица1 Коэффициенты диафрагмирования

Ширина окна*, мм	Высота окна, мм	Ширина окна 1, мм	Высота окна, мм
	0,70	0,73	0,76	0,78		0,49	0,53	0,56	0,58
	0,78	0,80	0,82	0,84		0,52	0,57	0,60	0,62
	0,79	0,83	0,85	0,87		0,55	0,69	0,63	0,65
	0,81	0,85	0,87	0,89		0,56	0,61	0,64	0,67
	0,82	0,86	0,89	0,91

*- Толщина стенки 230 мм

1 – то же, 460 мм

 

Если тара поступает нагретой, то учитывают только тепло, затраченное на ее дальнейшее нагревание,

10. Тепло, уносимое водой, охлаждающей отдельные части печи Q₁₀.

Для определения потерь тепла на охлаждение пользуются практическими данными. Обычно эти потери составляют 10 -15% всего прихода тепла.

11. Затраты тепла на аккумуляцию его кладкой

кДж/период,

где V_кл - объем кладки, м³;

ρ_кл - плотность кладки, кг/м³;

с_кл - теплоемкость кладки, кДж/(кг К);

t_кл - средняя температура кладки, определяемая на осно­вании расчета прогрева стен, °С.

В печах с выдвижным подом необходимо также учитывать затраты тепла на аккумуляцию огнеупором тележки. В печах периодического действия, кроме аккумуляции тепла кладкой, тепло теряется через стены в результате теплопроводности. За­траты тепла на аккумуляцию его кладкой определяются для печей периодического действия, температура которых меняется во вре­мени. Тепловой баланс таких печей составляется на весь период (цикл) их работы.

12. Неучтенные потери

,кДж/с.

Просуммировав отдельно приходные и расходные статьи теп­лового баланса, следует приравнять Q_прих = Q_расх и получить, таким образом, одно уравнение с одним неизвестным, которым является расход топлива В. Зная величину В, можно окончательно подсчитать все статьи приходной и расходной частей теплового баланса.

Если анализируют тепловую работу действующей печи, то составляют таблицу теплового баланса, которая позволяет выяс­нить, какая статья расходной части баланса чрезмерно высока и, следовательно, обнаружить причину неудовлетворительной работы печи.

Для сравнения качества работы отдельных печей пользуются удельными показателями расхода тепла и топлива. Удельный расход тепла показывает, какое количество тепла затрачивается на нагрев 1 кг металла до необходимой температуры.

Часто удельный расход топлива определяют в единицах услов­ного топлива (у.т.). За условное топливо принимают такое, теплота сгорания которого обычно 29 330 кДж/кг, Таким образом, удельный расход топлива будет равен

при .выраженном в кДж/кг или кДж/м³:

кг/кг;

при , выраженном в ккал/кг или ккал/м³;

кг/кг.

Материалы и элементы печей