Способи зменшення теплових втрат через стінки печі

Втрати через стінки (огорожу) печі – основна складова втрат під час їх експлуатації. Це втрати, які практично не залежать від завантаження простору печі. Їх іноді називають тепловими втратами неробочого ходу печі. Якщо піч прогріти до усталеної робочої температури і всі конструктивні частини набудуть усталену температуру, то споживана з електромережі енергія буде витрачатися на поповнення теплових втрат. Їх величина може сягати 20-40% номінальної потужності. Внаслідок таких втрат коефіцієнт корисної дії (ККД) печі не перевищує 60-80%. Особливо це стосується печей застарілої конструкції.

Зменшення величини ККД відбувається з таких причин:

– збільшення теплових втрат внаслідок старіння термоізоляції;

– недоліки експлуатації (підвищені втрати через завантажувальні отвори, щілини, теплові короткі замикання), які проявляються втратами акумульовонного тепла;

– неповне завантаження печі тощо.

Теплові втрати через огорожу (обудову) печі залежать від її конструкції, використаних матеріалів, температури технологічного процесу та інших чинників.

Обудова низькотемпературних печей (до 200⁰С) виконується у вигляді одношарової стінки захищеної металевим кожухом (або без нього). Високотемпературні печі можуть мати дво- чи тришарові стінки, що виготовляються з вогнетривких та теплоізоляційних матеріалів.

Тепловий потік, що має напрям від середовища з вищою температурою до зовнішньої атмосфери, залежить від різниці температур  та сумарного опору стінки  і визначається рівнянням Фур’є:

 (Вт/м²)

Сумарний тепловий опір  складається з опору переходу від внутрішньої атмосфери до стінки (), опору теплопровідності шарів стінки () та опору переходу від зовнішньої поверхні стінки до газу атмосфери (). У товщі стінки теплопередача здійснюється теплопровідністю і характеризується коефіцієнтом λ (Вт/м·⁰С), який відображає фізичні властивості матеріалу, з якого виготовлена стінка. Коефіцієнт λ дорівнює тепловому потоку, що проходить через 1м² стінки товщиною 1м за одиницю часу при різниці температур 1⁰С.

На рис. 3.2. подані варіанти виконання стінок.

а)	б)	в)

Рис. 3.2. Варіанти виконання стінок печі: а – одношарова; б – тришарова; в – тришарова зі змінною площею поверхні шарів стінки

 

Таблиця 3.1.

Основні види вогнетривких матеріалів та їх властивості

Матеріал	Вид виробу	Густина, кг/м^3	Коефіцієнт теплопровідності, Вт/м·^0С	Вогнетривкість, ^0С	Максимальна робоча температура, ^0С	Примітка
Динас	Цегла блоки	1900	0,93+0,7·10^-3tср	1700	1650	Склепіння, арки, стіни дугових електропечей
Електродинас	Цегла блоки	2000	0,93+0,7·10^-3tср	1720	1700
Магнезит	Набивки прямокутні і фасоні цегли	2600-2800	6,15+2,67·10^-3tср	2000	1500-1600	Стіни, подини, склепіння дугових електропечей
Хромомагнезит		2800-2900	1,8+2,0 (від 0 до 700^0С)	1920	1500
Плавлений магнезит		2700-2800	–	2800	1800
Шамот класу А	Прямокутні цегли	1800-1900	0,7+0,64·10^-3tср	1730	1450	Кладка вогнетривкого шару резистивних печей
Шамот класу Б		1800-1900	0,7+0,64·10^-3tср	1670	1350
Шамот легковаговик БЛ–1,3		1300	0,5+0,163·10^-3tср	1670	1300	Дугові печі – теплова ізоляція
Шамот легковаговик БЛ–1,0		1000	0,5+0,163·10^-3tср	1670	1300
Високоглиноземний вогнетрив ВГО-62		2300	1,4+2,5 (600 –1000^0С)	1830	1600	Кладка вогнетривкого шару резистивних печей
Високоглиноземний легковаговик ВКЛДС-0,8		800	0,43+0,125·10^-3tср	1700	1300
Корунд		2600-2900	2,08+1,85·10^-3tср	1900	1700	Деталі високотем-пературних печей
Графіт	Фасонні вироби	1600-1700	55-25(1700-2000^0С)	3000	2800	Тиглі, муфелі, деталі печі

 

Тепловий опір стінки  залежить також від площі її поверхні. Тому для вказаних на рис. 3.2. варіантів тепловий опір обчислюється за такими формулами:

– для варіанта а, коли

;

– для варіанта б, коли

;

– для варіанта в, коли

; де , ,  – середні площі поверхні стінок.

Для зменшення втрат тепла необхідно збільшити сумарний тепловий опір, тому стінки, або їх частини виконують з матеріалів з малим значенням коефіцієнта теплопровідності. Характеристики вогнетривких та теплоізоляційних матеріалів подані в у табл. 3.1. і табл. 3.2.

 

Таблиця 3.2.

Види та властивості деяких теплоізоляційних матеріалів

Назва та вид матеріалу	Густина, кг/м^3	Коефіцієнт теплопровідності, Вт/м·^0С	Максимальна температура застосування, ^0С
Діатомітовий порошок (засипка)	600-400	0,1+244·10^-3 tср	900
Діатомітова цегла марки 500	500	0,131+0,314·10^3 tср	900
Діатомітова цегла марки 700	700	0,159+0,314·10^3 tср	950
Пінодіатомітова цегла	400	0,078+0,314·10^-3 tср	900
Шлакова (мінеральна) вата марки 1500	150	0,05+0,151·10^-3 tср	750
Шлакова вата марки 250	250	0,059+0,128·10^-3 tср	750
Зоноліт (вермикулит)	150	0,072+0,255·10^-3 tср	1100
Перліт (засипка)	300-400	0,45+0,163·10^-3 tср	900
Перліт ПК-350 (блоки)	350	0,087+0,185·10^-3 tср	900
Скляна вата	200	0,037+0,256·10^-3 tср	600
Мінераловатні плити КЧ	200-600	0,075+0,23·10^-3 tср	600
Каолінове волокно	0,2-0,6	При t=800÷1200^0C, λ=0,23÷0,42	1200

 

Вогнетривкі матеріали мають більше значення λ, але вони мають більшу механічну міцність ніж теплоізоляційні і використовуються для виконання внутрішнього шару багатошарових стінок. Менше значення λ мають матеріали пористі та волокнисті.

Перехідний (контактний) опір між поверхнями стінки і газовим середовищем атмосфери визначається коефіцієнтом тепловіддачі α, який дорівнює тепловому потоку, що передається через 1м² стіни при різниці температур стінки і газу, що дорівнює 1⁰С. Він характеризує сумарну теплопередачу конвекцією і випромінюванням та залежить від різниці температур і ступені чорноти тіла ε. Теплові опори  і  визначаються за формулами:

; .

Значення коефіцієнта α наведені у табл. 3.3.

 

 

Таблиця 3.3.

Коефіцієнт тепловіддачі α (Вт/м²·⁰С)

t ст ^0С		40	60	80	100	120	150	200	250	300	400	500
Цегляна та пофарбована металева стіна	t пов=0^0С	11,2	12,3	13,5	14,4	15,5	17,2	19,9	23,0	26,5	34,3	44,4
	t пов=20^0С	10,5	12,1	13,4	14,5	15,6	17,4	20,2	23,5	27,1	35,1	45,4
Стіна, пофарбована алюмінієвою фарбою	t пов=0^0С	9,1	10,0	10,9	11,6	12,3	13,6	15,5	17,4	19,5	24,3	30,2
	t пов=20^0С	8,3	9,6	10,6	11,5	12,3	13,6	15,6	17,7	19,8	24,7	30,6

 

Для довідки зазначимо, що ступінь чорноти цегляної стінки складає ε_ц≈0,8, а стінки, пофарбованої алюмінієвою фарбою ε_аф≈0,3÷0,65. У зв’язку з цим коефіцієнт теплопередачі α, у пофарбованої алюмінієвою фарбою стінки зменшується, а тепловий перехідний опір збільшується.

 

Приклад 1: Оцінимо температурні перепади у тришаровій стінці, виконаній з таких матеріалів:

– вогнетривкий шар – шамот класу А

– теплоізоляційний шар – шамот лежоваговик ШЛ-0,4

– теплоізоляційний шар – вермикуліт

Товщина кожного шару 200мм.

Внутрішня температура печі – 1200⁰С.

Температура атмосфери довкілля – 20⁰С.

Після проведених розрахунків середні температури шарів стінки складають:

– вогнетривкий шар ⁰С

– теплоізоляційний шар (шамот) ⁰С

– теплоізоляційний шар (вермикуліт) ⁰С

Складовими сумарного термічного опору є:

– опір переходу від внутрішньої атмосфери до стінки (за умови α_вн=300 Вт/м²·⁰С)

;

– опір вогнетривкого шару

;

– опір шару шамоту теплоізоляційного

;

– опір шару вермикуліту

;

– перехідний опір від кожуха до атмосфери довкілля (за умови α_вн=12,1 Вт/м²·⁰С)

Сумарний опір .

Тепловий потік через 1м² стінки складає

 (Вт/м²)

Температури кожуха та на границях шарів (див рис. 3.2,б) ⁰С; ⁰С; ⁰С; ⁰С.

Значення температур не перевищують допустимих для прийнятих матеріалів.

Вирішальними за величиною у складі сумарного теплового опору є опір теплоізоляційних матеріалів , що складає 88% сумарного опору . Механічна міцність теплоізоляційних шарів мала, тому основне механічне навантаження приймає вогнетривкий шар шамоту класу А.

Якщо розміри стіни (товщина) близькі за значенням до лінійних розмірів печі, то розрахунок сумарного термічного опору треба проводити за варіантом, що відповідає рис. 3.2,в.

Розрахунок показує, що за прийнятих параметрів стінки температура кожуха складає 64⁰С, що призводить до втрат тепла – 535,4 Вт/м².

Для аналізу стану теплоізоляції печі достатньо поміряти температуру кожуха печі.

Вона повинна складати (якщо температура довкілля 10⁰С):

– для печей з робочою температурою 700–800⁰С – приблизно 30–40⁰С

– для печей з робочою температурою 800–1200⁰С – приблизно 40–50⁰С

У табл. 3.4. наведені питомі теплові втрати залежно від температури кожуха (за умови, що t _зн=10⁰С).

Таблиця. 3.4.

Питомі теплові втрати залежно від температури кожуха

Температура кожуха печі,^0С		30	40	50	60	80	100	150
Стіна з цегли, чи металева пофарбована	Вт/м^2	200	320	460	610	940	1300	2400
Стіна, пофарбована алюмінієвою фарбою	Вт/м^2	155	250	360	470	730	1000	1800

Якщо поверхню кожуха печі пофарбувати алюмінієвою фарбою, то сумарний термічний опір зросте внаслідок збільшення  (зменшується – див. табл. 3.3.). сумарні втрати тепла знизяться приблизно на 4-6%, а температура кожуха підвищиться.

Якщо вимірювання показали, що температура кожуха перевищує 60-70⁰С, то необхідно здійснити заходи для зменшення втрат. Такими заходами може бути фарбування поверхні алюмінієвою фарбою, або додаткова теплоізоляція.

Нижче наведені розрахунки стосовно печі, у якій стіна виконана з двох шарів:

– шамот – 130мм

– діатомітова цегла марки 600 – 200мм.

Внутрішня температура  =1000⁰С, температура зовнішньої атмосфери – 20⁰С.

Варіант заходів	Теплові втрати, Вт/м^2	Температура кожуха, ^0С
Без додаткових заходів	700	88
Фарбування кожуха алюмінієвою фарбою	687	104
Ізолювання кожуха вермикулітовими плитами товщиною 25мм	580	245 (77)

У дужках подана температура зовнішнього шару вермикуліту.

Ізолювання призвело до зменшення втрат на 17%, але температура кожуха зросла майже у три рази, що може викликати недопустиме збільшення температури теплоізоляційного шару.

Кращим виходом була б заміна діатомітової цегли на термоізоляцію з меншим значенням λ.

На практиці може виникнути потреба визначення втрат тепла через футерування діючої печі. Для цього достатньо розрахувати площі поверхні окремих стінок та виміряти температуру їх поверхні. Далі за табл. 3.4. визначити значення питомих теплових потоків через стінки. Наприклад, піч з площею поверхні кожуха  м² складається з поверхонь, що відрізняються температурою

–  м² з температурою ⁰С,

–  м² з температурою ⁰С,

–  м² з температурою ⁰С.

За табл. 3.4 знаходимо Вт/м², Вт/м², Вт/м².

Тепловий потік втрат через футерування печі складе

 кВт.

За 8 годину виробничу зміну втрати електроенергії дорівнюють  кВт·год.

Вимірювання температури окремих ділянок кожуха дає змогу оцінити стан теплоізоляції і накреслити шляхи зменшення втрат.

Як вище зазначалося в усталеному режимі термічного обладнання у печі споживана з мережі електроенергія витрачається на підтримання температури печі, тобто на поповнення втрат тепла у довкілля. В ході спостереження за роботою печі можна вимірювати такі характеристики роботи печі:

 

– споживану кількість електроенергії  за час спостереження ;

– величину струму І та напруги U у момент увімкнення печі терморегулятором;

– сумарний час увімкнення  печі протягом часу спостереження.

За цим даними можна встановити середню потужність втрат – Р _ср:

а) ;

б) ;

в) максимальну потужність ,

г) відсоток потужності втрат від максимальної потужності печі .

Наприклад, якщо протягом часу спостереження =30 хв піч споживала енергію з мережі протягом =10 хв, відносна потужність втрат становить

.

Таке значення втрат знаходиться на межі допустимого, тому треба приймати рішення про реконструкцію термоізоляції.

Оцінювати можливість виводу з роботи енергоємного обладнання необхідно на підставі порівняння витрат електроенергії на запуск (доведення до робочої температури) обладнання після перерви з витратами за такий же період в режимі неробочого ходу печі. Очевидно, що чим триваліша перерва (вимкнення печі) тим більше енергії буде потрібно для досягнення робочих параметрів та й збільшиться власне час на досягнення потрібної температури.

Якщо на графіку зобразити залежність кількості енергії (кВт·год) необхідної для пуску від тривалості Т перерви у роботі (вимкнення), то отримаємо нелінійну функцію (рис. 3.3.), де приріст потрібної енергії зі збільшенням Т зменшується. Якщо на тому ж графіку навести залежність енергії втрат у режимі неробочого ходу від часу Т (тобто лінійну функцію ), то точка перетину цих графіків матиме координату Т_кр – тривалість перерви, менше якої піч вимикати недоцільно, а за більшої тривалості витрати неробочого ходу перевищують пускові, тому на час перерви піч треба вимикати.

Наведені залежності треба визначати вимірюванням параметрів для конкретної печі.

Рис. 3.3. Оцінка критичної тривалості перерви у роботі печі