Классификация стекловаренных печей.

Стекловаренная печь – основной агрегат стекольного производства. В ней протекают процессы тепловой обработки сырьевых материалов, получения стекломассы и выработки из нее изделий. Для варки стекла применяют стекловаренные печи периодического и непрерывного действия.

По устройству рабочей камеры: горшковые и ванные.

Горшковые печи – периодического действия, их применяют для варки высококачественных оптических, светотехнических, художественных и специальных стекол.

Ванные печи – непрерывного и периодического действия. Непрерывного действия имеют преимущества перед печами периодического действия: они более экономичны, производительны и удобны в обслуживании.

По способу обогрева:

1) пламенные: источник тепла – сжигаемое топливо. Шихта и стекломасса в этих печах получают тепло от сжигания жидкого или газообразного топлива. КПД пламенной печи: 18 – 26 % (расход топлива на нагревание огнеупорной кладки печи и компенсацию потерь тепла).

2) электрические имеют ряд преимуществ: меньшие размеры, большая производительность. Они экономичны и легко регулируются. При эксплуатации нет теплопотерь с отходящими газами и лучше условия труда. КПД: 50 – 60 %

3) газоэлектрические

По способу передачи тепла:

Электрические печи подразделяются на дуговые, печи сопротивления и индукционные.

1) Дуговые – излучение от вольтовой дуги.

2) Печи сопротивления: нагревательный элемент – сама стекломасса (стекло при повышенных температурах проводит электрический ток, причем электропроводность увеличивается с повышением температуры. Проходя через стекломассу, электрическая энергия превращается в тепловую, происходит нагревание и варка стекла).

Назначение регенераторов в стекловаренных печей.

Регенераторы используются для предварительного нагрева воздуха и газа. Нагрев газа и воздуха способствует повышению температуры горения газовоздушной смеси и повышению КПД печи.

Назначение металлических каркасов у промышленных печей.

Ванная печь.

Обвязывающий стальной каркас печи воспринимает усилия от распора сводов и давления стекломассы. На нем также подвешивают свод и стены пламенного пространства.

Обвязка печи, кроме того; регулирует напряжения, возникающие при тепловом расширении огнеупорной кладки.

Тепловые балансы печей.

Тепловой баланс печи выражается уравнением, связывающим количество тепла, выделенное во время работы печи, с количеством тепла, израсходованным на технологические процессы и потерянным в окружающее пространство.

Тепло, выделяемое при работе пламенной печи (приход):

- тепло при сгорании топлива (Q_гор): Q_гор = , кВт

 - тепло сгорания топлива, кДж / кг

В – расход топлива, кг / сек

- тепло вносимое с подогретым воздухом (Q_воз): Q_воз = L_α ∙  ∙ В, кВт

L_α – действительное количество воздуха, подаваемое для горения топлива, нм³ / кг

 - теплосодержание (энтальпия) воздуха, кДж / нм³

- тепло вносимое топливом (Q_топ): Q_топ = с_т ∙ t_т ∙ В, кВт

с_т – средняя теплоемкость топлива; с_т^вл = 1,05 – , кДж / кг град; для сухого топлива с_т = 1,05 кДж / кг град

t_т – температура подогрева топлива

Тепло, затраченное на технологические процессы и потери в окружающую среду:

- тепло на нагрев материала (Q_м): Q_м = Р ∙ (с_кt_к – с_нt_н)

Р – производительность печи по обожженному материалу, кг / сек

с_кt_к – энтальпия материала в конце нагрева до конечной температуры обжига, кДж / кг

с_к – средняя массовая теплоемкость материала в интервале температур от 0 до t_к, кДж / кг ∙ град

с_нt_н – энтальпия материала в начале нагрева при начальной температуре t_н, кДж / кг

- тепло на испарение влаги и нагрев водяных паров (Q_исп): Q_исп = (2500 – 4,2 t_н) ∙ W_вл, кВт

2500 – скрытая теплота парообразования, кДж / кг

t_н – температура влажных материалов, поступающих в печь

W_вл – количество влаги, испаряемой из материала

- тепло на химические процессы в материале (Q_хим): Q_хим = q_x ∙ G_x, кВт

q_x – теплота, расходуемая на физико – химические процессы 1 кг исходного химического вещества в необожженном продукте, кДж / кг

G_x – количество исходного химического вещества в материале, загружаемом в печь, кг / сек

- тепло с уходящими газами из рабочего пространства печи (Q_дым): Q_дым = V_дым ∙ i_дым, кВт

V_дым – объем продуктов горения, уходящих из рабочего пространства печи, с учетом подсосов окружающего воздуха, нм³ / сек

i_дым = с_дымt_дым – энтальпия продуктов горения при температуре уходящих газов, кДж /нм³

- потери тепла вследствие неполноты горения топлива (химической и механической) (Q_неп):

Q_неп = Q_хим + Q_мех, кВт

Q_хим – потери от химической неполноты сгорания, кВт

Q_мех – механические (провал, унос, утечка) потери топлива

- потери тепла через кладку в окружающее пространство (Q_кл): Q_кл =  , кДж / ч

 - разность температур газов рабочего пространства печи и окружающего воздуха

α₁ – коэффициент теплоотдачи от печных газов к стенкам внутри рабочего пространства, Вт / м² ∙ град

 - сумма тепловых сопротивлений отдельных слоев кладки:

s – толщина слоя, м

λ – коэффициент теплопроводности, Вт / м ∙ град

α₂ – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенок в окружающую среду, Вт / м² ∙ град

- потери тепла излучением через щели (Q_луч): Q_луч = 0,0057[(  - ( ] ∙ F ∙ φ ∙ z, кВт

Т_пр, Т_окр – температуры печного пространства, откуда происходит излучение, и окружающей среды

F – площадь сечения отверстия, м²

φ – коэффициент диафрагмирования, который определяется по графику

z – продолжительность открытия окна, ч

- потери тепла с газами, проходящими через неплотности рабочего пространства печи (Q_выб):

Q_выб = V_выб ∙ i_газ, кВт

V_выб – количество газов, выходящих их отверстия, нм³ / сек

i_газ – энтальпия выбивающихся газов при данной температуре, кДж / нм³

- тепло на нагрев транспортирующих устройств (Q_тр):

Q_тр = ) …, кВт

,  - масса слоев футеровки вагонетки, кг / сек

,  - начальное теплосодержание соответствующих слоев футеровки при входе в печь, кДж / кг

,  - теплосодержание соответствующих слоев футеровки вагонеток в конце рассматриваемого периода нагрева при средней температуре, кДж / кг

- тепло, отводимое из рабочего пространства печи на сторону (Q_суш): Q_суш = V_воз ∙ i_воз

i_воз – энтальпия при температуре отводимого из печи горячего воздуха, кДж / нм³

V_воз – объем воздуха, нм³ / сек

- потери с конвекционными потоками стекломассы (для стекловаренных печей) (Q_конв):

Q_конв = G_ст (с₁t₁ – c₂t₂) n, кВт

G_ст – количество сваренной стекломассы, кг / сек

t₁, t₂ – температуры потоков стекломассы, попадающих и возвращающихся в варочную часть печи

с₁, с₂ – средние теплоемкости стекломассы между 0 и t₁ и между 0 и t₂, кДж / кг ∙ град

n – коэффициент потока стекломассы

!!! неучтенные потери: Q_неучт = (0,03 – 0,05) Q_гор ∙ В, кВт

Способы передачи тепла.

1. Конвективный режим работы печей.

Конвективный режим характеризуется преимущественным конвективным теплообменом и обязательным движением теплоносителя (печной атмосферы) в ее рабочем пространстве. Передача теплоты излучением при данном режиме выражена слабо и может быть учтена с помощью поправочного коэффициента к конвективному коэффициенту теплоотдачи.

Конвективный режим свойственен только низкотемпературным печам, в которых температура теплоносителя не превосходит 600˚C.

Роль конвективного режима тепловой работы возрастает в печах, где нагреваемые изделия распределены по всему их рабочему объему, а также в печах, где происходит нагрев изделий, поверхность которых имеет достаточно низкую степень черноты (ε < 0,4).

В первом случае изделия, подвергаемые нагреву взаимно экранируются от излучающей составляющей тепловой энергии, что почти исключает ее роль в общем теплообмене. Во втором случае, из-за малого значения степени черноты, незначительна поглощающая способность лучистой составляющей теплового потока. Это также снижает роль радиационной составляющей в общем теплообмене.

В печах с конвективным режимом работы стремиться достичь развитого движения печных газов в рабочем пространстве, их циркуляцию и часто, рециркуляцию. Этим обеспечивается:

- увеличение теплового потока к поверхности материала и равномерное его распределение по ней;

- более равномерный нагрев материала;

- повышение теплового к.п.д. печи.

На рис. 1.6. показана схема печи, работающей по конвективному режиму теплообмена с циркуляцией и рециркуляцией печных газов.

Рис. 1.6. Схема печи с конвективным режимом тепловой работы:

1 – нагреваемое изделие; 2 – экран; 3 – поток теплоносителя;