Виды тепловых потерь печи. Тепловой баланс

В печной системе имеются два вида потерь теплоты: 1) потери в рабочем пространстве печи – М_прп и 2) теплота, уносимая из печи уходящими дымовыми газа-

ми М_ух.

Теплота в рабочем пространстве теряется, во-первых, на нагрев футеровки, т.е.

огнеупорного ограждения печи, иначе говоря аккумулируется футеровкой, она обозначается М_ак.ф; во-вторых, проходит насквозь через футеровку благодаря теплопроводности, и уходит в цех излучением и конвекцией от разогретой внешней поверхности футеровки – М_пот.ф; в-третьих, теплота теряется излучением через открытые окна печи – М_окн; в-четвертых, расходуется на нагрев воды, которая охлаждает металлические элементы конструкции печи, работающие при высокой температуре – М_охл.в. В целом потери теплоты в рабочем пространстве составляют:

. (4.3)

В электропечах имеется один вид потерь – потери в рабочем пространстве печи, поэтому для электропечей М_пот = М_прп.

Топливная печь, наряду с потерями в рабочем пространстве печи, имеет и второй вид потерь – с уходящими из рабочего пространства продуктами горения топлива – М_ух. Эти потери состоят из физической теплоты горячих газов М_ух.ф и могут включать неиспользованную химическую энергию топлива вследствие неполного его сгорания в печи (недожога) – М_хн.

Таким образом, для топливных печей мощность М_пот в выражении (4.1) будет равна М_пот = М_прп + М_ух. Тепловой баланс топливной печи будет таким

. (4.4)

Электрические печи по сравнению с топливными должны быть более экономичны по расходу топлива, так как в них нет потерь с уходящими газами, однако не следует забывать, что при производстве электроэнергии на тепловых электростанциях были свои тепловые потери, в том числе с уходящими в атмосферу газами.

Теплота газов, уходящих из рабочего пространства, необязательно полностью теряется в атмосферу. В современных топливных печах часть теплоты дымовых газов используют для подогрева воздуха, а иногда и газообразного топлива, которые направляются в горелочные устройства печи, т.е. теплота дымовых газов частично возвращается в рабочее пространство печи в виде физической теплоты воздуха – М_ф.в и топлива – М_ф.т. Этот процесс передачи теплоты дыма воздуху или топливу происходит в специальных устройствах – теплообменниках двух типов: рекуператорах и регенераторах, которые устанавливают в дымовых каналах между рабочим пространством печи и дымовой трубой. Потери теплоты с газами, уходящими в атмосферу – М_ух.атм, будут меньше по сравнению с потерями на выходе из рабочего пространства М_ух, а именно:

.

Тепловой баланс топливной печи окончательно будет иметь вид:

. (4.5)

В крупных печах, например, в мартеновских и двухванных, теплоту уходящих газов используют для получения водяного пара, для чего за печами устанавливают котлы-утилизаторы.

Потери теплоты в рабочем пространстве печи также стремятся уменьшить, прежде всего, путем применения футеровки с лучшими теплофизическими свойствами – с меньшей теплоемкостью и теплопроводностью.

Существуют проекты так называемых безинерционных печей, ограждение которых отражает обратно в печь падающее на него из печи тепловое излучение, т.е. имеет свойство теплового зеркала. Существуют печи с испарительным охлаждением, в которых вода в водоохлаждаемых элементах печи превращается в пар, используемый в системе отопления помещений. Предложены схемы печей, в которых теплота, прошедшая через футеровку, передается воздуху, который также может быть полезно использован.

Потоки теплоты в топливной печи схематично изображены на рисунке 4.1

1 ‑ рабочее пространство печи; 2 ‑ горелка; 3 ‑ нагреваемый материал; 4 ‑ дымовой канал; 5 ‑ утилизатор теплоты уходящего дыма (рекуператор); 6 ‑ вентилятор; 7 ‑ дымовая труба

Рисунок 4.1 – Потоки теплоты в топливной печи

Тепловой баланс печи выражается уравнением, связывающим приход и расход теплоты в единицу времени

М_прих = М_расх. (4.6)

Баланс можно составлять для зон горения топлива, для рабочего пространства

печи (зоны горения + зоны утилизации теплоты) и для печи в целом, включая внешние теплообменные устройства. Наилучшим образом характеризует тепловую работу печи баланс рабочего пространства. Для простоты в тепловом балансе будем считать нагрев металла и опустим слагаемые, связанные с окислением металла.

Приход теплоты чаще всего состоит из следующих частей:

- химическая теплота, выделяемая при сжигании топлива в единицу времени и называемая общей тепловой мощностью печи

М_общ = В× ; (4.7)

- теплота, вносимая подогретым воздухом

М_ф.в = В×L_n×i_в= В×Q_ф.в, (4.8)

где i_в – удельная энтальпия подогретого воздуха, Дж/м³;

L_n – действительный расход воздуха на 1 м³ топлива, м³/м³;

Q_ф.в = L_n×i_в – удельная физическая теплота подогретого воздуха;

- теплота, вносимая подогретым топливом

М_ф.т = В×i_т; (4.9)

где i_т – удельная энтальпия подогретого топлива, Дж/м³.

Часто эту величину называют удельной физической теплотой топлива и обозначают Q_ф.т = i_т.

Расход теплоты состоит из следующих частей:

- теплота, воспринятая нагреваемым металлом и называемая усвоенной тепловой мощностью

, (4.10)

где Р – производительность печи, кг/с;

– изменение удельной энтальпии металла в процессе нагрева, называемое тепловым дефицитом, Дж/кг;

- потери теплоты с уходящими продуктами горения

М_ух = В×V_д×i_ух, (4.11)

где i_ух – удельная энтальпия дымовых газов на выходе из рабочего пространства печи, Дж/м³;

V_д – объем дымовых газов, образующихся от сжигания 1 м³ топлива м³/м³;

Q_ф.ух = V_д×i_ух – удельная физическая теплота уходящих из печи газов Дж/м³;

- потери теплоты от химической неполноты горения топлива

М_х.н = В×Q_х.н, (4.12)

где Q_х.н = V_д×( )×0,01 – удельная теплота недожога топлива в печи, Дж/м³;

и [%] – процентное содержание СО и Н₂ в продуктах неполного горения;

и – низшая теплота сгорания СО и Н_2, Дж/м³;

- потери теплоты из рабочего пространства печи – М_прп, включающие в себя: а) потери теплоты теплопроводностью через кладку;

б) потери теплоты излучением через открытые окна и щели;

в) потери теплоты с охлаждающей водой на охлаждение внутрипечных металлических элементов;

г) потери на нагрев транспортных утройств;

д) потери с выбиванием дыма через неплотности кладки;

е) потери с механическим недожогом топлива, потери при диссоциации СО₂ и Н₂О; ж) потери на нагрев подсасываемого в печь холодного воздуха и др.

Эти потери (М_прп) принято называть мощностью тепловых потерь рабочего пространства печи;

Таким образом, уравнение теплового баланса можно представить в следующем виде:

М_общ + М_ф.в + М_ф.т = М_усв + М_прп + М_ух + М_х.н. (4.13)

Контрольные вопросы

1 По каким критериям классифицируются печи?

2 Какие существуют виды слоевых печей?

3 Что такое автогенные печи. Каковы особенности их тепловой работы?

4 Каковы виды электрических печей по способы преобразования электрической энергии?

5 Каково назначение плавильных и нагревательных печей?

6 Что такое печи непрерывного действия?

7 Что такое печи периодического действия?

8 Что понимают под тепловой мощностью печей?

9 Каковы тепловые потери в печах?

10 Перечислите статьи приходной и расходной частей теплового баланса печи.