Лекция 8

План лекции:

Показники теплової роботи печей.

Основні показники роботи печей: продуктивність, витрата теплоти (умовного палива) на одиницю продукції, КПД печі, їх взаємозв’язок. Складання теплових балансів печей, особливості запису для печей безперервної і періодичної дії. Заміна в печі одного палива іншим.

8  Показатели тепловой работы печей

8.1  Основные показатели работы печей: производительность, расход теплоты (условного топлива) на единицу продукции, КПД печи, их взаимосвязь

8.1.1  Производительность печи

Масса готовой продукции, выдаваемая из печи за единицу времени, называется производительностью печи Р (т/ч, т/сутки, т/год, кг/с). Если ёмкость печи, т.е. масса материалов, находящихся в рабочем пространстве, равна Е (кг), а продолжительность обработки материалов в печи (длительность плавки или нагрева металла) равна t (с), то

                                                       .                                                  (8.1)

Продолжительность обработки материалов в печи t включает в себя время теплотехнического процесса t_тепл, необходимое для нагрева или плавления, а также время технологических операций t_техн, если эти операции проводятся в рабочем пространстве печи, т.е. t = t_тепл + t_техн. Если же технологический процесс происходит за пределами печи (внепечная обработка жидкого металла в ковше, прокатка, ковка, штамповка), то t = t_тепл.

Удельная производительность печи показывает, сколько продукции (кг) получается с единицы площади пода или с единицы объема рабочего пространства за единицу времени (кг/(м²ч); т/(м³сутки)). Такие термины, как «съем металла», «напряженность пода» выражают удельную производительность печи. Иногда, например, при выплавке чугуна в доменной печи пользуются обратным показателем – КИПО – коэффициент использования полезного объема, который показывает, какой полезный объем печи требуется для выплавки 1 т чугуна в сутки.

8.1.2  Расход теплоты на единицу продукции

Сущность энергосберегающих мероприятий при эксплуатации  печей состоит в сокращении расхода энергии на единицу продукции, который мы называем удельным расходом энергии "b". Чтобы вычислить "b" в печи непрерывного действия, нужно М_общ разделить на производительность

                                               b, Дж/кг.                                         (8.1)

Рекомендуемые материалы

Для печей циклического действия

                        , поскольку ,

где Е ‑ садка печи, т.е. масса металла находящегося на подине печи; Q_общ ‑ количество энергии, затраченное на тепловую обработку садки печи; ‑ средняя тепловая мощность печи за время тепловой обработки садки; t ‑ время тепловой обработки садки (время полного цикла обработки садки).

Нам известно, что

                                ,

поэтому

                            .                      (8.2)

Полученная формула дает возможность проанализировать пути уменьшения удельного расхода энергии. Для печей циклического действия формула для "b" запишется аналогично (8.2)

                                                ,

где ‑ КИТ, усредненный за время тепловой обработки садки; , ,  – усредненные значения удельной энтальпии подогретого воздуха, топлива и уходящих газов за время тепловой обработки садки; ‑ тепловая мощность холостого хода печи, усредненная за время тепловой обработки садки.

Формула (8.2) показывает, что удельный расход энергии состоит из двух слагаемых, которые представляют собой "прямые расходы энергии" на технологический процесс и "накладные расходы" на содержание печи в рабочем состоянии. Первое слагаемое  выражает прямой расход энергии. Он не зависит от производительности печи и всецело определяется тепловым дефицитом: чем меньше тепловой дефицит, тем меньше энергии требуется на нагрев материалов. Возможности уменьшения Di весьма велики: использование жидкого чугуна при выплавке стали, горячий посад слитков, литейно-прокатные комплексы, "транзитная" прокатка, обогащение руд для получения металла, уменьшение количества шлака, предварительный обжиг флюсов.

Второе слагаемое  – "накладные расходы энергии" –– зависит от производительности печи. Во время простоя печи, когда Р = 0, а М_хх ¹ 0, удельный расход энергии стремится к бесконечности. Чем больше производительность печи, тем меньше "накладные расходы", если рост Р достигается уменьшением простоев печи на холостом ходу. Если же рост производительности происходит за счет увеличения общей тепловой мощности, то удельный расход топлива сокращается до тех пор, пока в дроби b производительность (знаменатель) растет быстрее, чем мощность (числитель).

Однако с ростом М_общ рост производительности постепенно затухает (см. рис. 8.1), так как с повышением мощности увеличивается температура печных газов и, следовательно, возрастают потери М_прп, которые пропорциональны температуре печных газов и уменьшается h_кит. Это значит, что при некоторой критической (оптимальной) производительности рост мощности холостого хода  превышает прирост производительности печи и происходит увеличение удельного расхода энергии. Чтобы минимизировать "b", нужно эксплуатировать печь при оптимальной производительности и соответствующей оптимальной тепловой мощности.

Рис. 8.1 – Зависимость производительности печи от ее тепловой мощности

Формула (8.2) показывает также, что сокращение М_прп и повышение h_кит однозначно приводят к снижению удельного расхода энергии. Снижение потерь теплоты в рабочем пространстве достигается путем изготовления тепловой изоляции из современных волокнистых изделий. Поверхности водоохлаждаемых балок и труб изолируются легкими волокнистыми муллитокремнеземистыми изделиями с оболочкой из огнеупорного бетона.

Особенно эффективно применение шамотных волокнистых плит для футеровки термических печей циклического действия, так как при регулярно повторяющемся разогреве печи в начале каждого цикла уменьшаются потери теплоты, которую поглощает (аккумулирует) футеровка. Так, замена шамотной футеровки на волокнистую в закалочной печи с выкатным подом площадью 14 м² уменьшает расход природного газа, которым отапливается эта печь, на 43%.

В топливных печах существенную экономию энергии можно получить путем повышения коэффициента использования теплоты КИТ.

8.1.3  Усвоенная тепловая мощность и КПД печи

Зная производительность печи Р и тепловой дефицит Dі, можно найти усвоенную мощность, т.е. количество теплоты, поглощенное материалами в печи за единицу времени , Вт.

Отношение усвоенной тепловой мощности М_усв к общей мощности, потребляемой печью М_общ, называют коэффициентом полезного действия печи (КПД) . При этом не учитываются затраты электроэнергии на привод механизмов, обслуживающих печь: вентиляторов, дымососов, загрузочных и транспортирующих устройств. Поэтому h_кпд показывает только степень полезного использования энергии в рабочем пространстве агрегата. При экономической оценке различных печей необходимо учитывать все затраты энергии на их эксплуатацию.

Величина КПД колеблется в широких пределах. Наиболее низок это показатель в печах, где приходится выдерживать нагретый или расплавленный металл для осуществления технологических процессов в течение длительного времени. Например, в термических печах КПД может быть на уровне 8-10 %, а в современных нагревательных печах он может составлять 50-85%.

8.2  Составление тепловых балансов печей, особенности записи для печей непрерывного и периодичекого действия

Суть теплового баланса печи состоит в сопоставлении статей прихода те­плоты в печь со статьями расхода. По закону сохранения энергии приход теплоты должен быть равен расходу. Возможна некоторая неувязка в балансе (~1 %), обязанная неточности арифметических расчётов. В печах с непрерывной выдачей продукции тепловой баланс печи составляют за один час. В печах с циклической работой баланс относят к длительности цикла.

После определения статей теплового баланса сумма приходных статей вычитается из суммы расходных. Устанавливается неувязка в балансе, которая служит проверкой точности составленного баланса. Все статьи прихода и расхода выражаются как в единицах энергии (Дж), так и в процентах от суммы. Часто все статьи баланса рассчитывают на единицу продукции (Дж/кг), что дает возможность сравнивать между собой абсолютные величины статей баланса в печах разной производительности.

8.3  Замена в печи одного топлива другим

Переход от одного топлива к другому требует проверочного расчета: не­обходимо выяснить, может ли новое топливо создать в печи рабочую температуру и обеспечить существующую производительность и что надо сделать для этого. Если производительность печи – Р (кг/с), то теплота, усвоенная технологическим процессом за единицу времени, будет P×Di = М_усв (Вт), где Di (Дж/кг) – удельный тепловой дефицит на единицу продукции. Если тепловые потери рабочей камеры были М_прп (Вт), то общее количество рабочей теплоты, оставленной в печи первым топливом, будет М_усв + М_прп = P×Di + М_прп. При любом другом топливе желательно выполнить эту работу печи за единицу времени, т.е. сохранить производительность печи. При первом топливе, КИТ которого h_кит1 нужно развить общую тепловую мощность печи М_общ1.

При втором топливе

Так как P×Di + М_прп = const, то M_общ1×h_кит1 = M_общ2×h_кит2. Таким образом, если известна общая тепловая мощность печи и КИТ – M_общ1×h_кит1, для первого топлива, то необходимая тепловая мощность печи для второго топлива определяется просто:

Вам также может быть полезна лекция "11 Материальная ответственность сторон трудового правоотношенния".

где: M_общ1×h_кит1 – рабочая теплота, оставленная в печи первым топливом;  – теплота сгорания первого топлива, Дж/м³, Дж/кг; В₁ – часовой расход первого топлива м³/с, кг/с; , В₁ – то же самое для второго топлива.

Следует особо отметить, что при переходе от одного топлива к другому меняется не только теплота сгорания топлива , но также условия горения и теплопередачи, т.е. характеристика факела, который может удлиняться или укорачиваться, делаться прозрачным или светящимся, изменяется состав продуктов горения (СО₂, Н₂О), а, следовательно, и степень их черноты – e_газ. Всё это вызовет изменение конечной температуры продуктов горения, покидающих рабочее пространство в печи, т.е. t_д1 ¹ t_д2. Это обстоятельство отразится на величине КИТ – h_кит2, а через него и на общей тепловой мощности М_общ2.

Если мы хотим сохранить значение конечной температуры дыма t_д1 = t_д2 = const, то вследствие изменения степени черноты газов (e_газ) изменится интенсивность теплопередачи (величина теплового потока) к нагреваемым материалам, т.е. изменится производительность печи M_усв2 = q₂×F_н = P₂×Di.

При замене одного топлива другим можно поставить более сложное тре­бование: а) сохранить производительность печи без изменения: Р = const; б) сохранить t_д = const. Чтобы выполнить оба эти условия, появится необходимость изменить поверхность нагрева материалов F_н, изменить ёмкость печи Е. Это значит, что печь подлежит реконструкции.

Не следует забывать, что смена топлива вызывает также изменение аэродинамики печи, вследствие изменения расхода газа, воздуха и выхода продуктов горения.