Расчет теплового баланса

Приход тепла

Тепло от горения топлива:

Q^п_г = Q^р_н ∙B, кВт (2.64)

где Q^р_н – тепло сгорания топлива, кДж/м³; B– расход топлива, м³/с.

Q^п_г = 35210,776 ∙Х, кВт

Тепло, вносимое подогретым воздухом:

Q^п_воз = c_воз ∙ t_воз ∙ B ∙ L_α, кВт (2.65)

где с_воз – удельная теплоёмкость воздуха при температуре нагрева, кДж/(м³·град) для регенеративной печи,

t_воз = t^в_н + (50ч100) = 1200, ˚С (2.66)

где t^в_н – температура нагрева воздуха в горелке, ˚С.

c_воз = 1,4328 (при t = 1200 ˚С);

L_α – действительное количество воздуха подаваемого на горение: L_α = 11,442 м³/м³

Q^п_воз = 1,4328∙1200∙11,0736∙В = 17972,917∙В (кВт)

Теплом, вносимым подогретым топливом, пренебрегаем из–за его незначительности.

Общий приход тепла составит,

Q^п = Q^п_г + Q^п_воз (2.67)

Q^п = 33998,966∙В + 17972,917∙В = 53183,69∙В кВт

Расход тепла

Тепло, идущее на процесс стеклообразования:

Q^р_ст = q_ст ∙G_ст, кВт (2.68)

где q_ст – расход тепла на процесс стеклообразования, кДж/кг стекла; G_ст – количество сваренной стекломассы, кг/с.;

G_ст = 160000 / 24∙3600 = 1,85 кг/с

Q^р_ст = 2785,85∙1,85 = 5153,8 кВт

Потери тепла с уходящими продуктами горения:

Q^р_п.г. = V^д_α ∙ t_д ∙c_д ∙B, кВт (2.69)

где V^д_α – количество продуктов горения, образующихся при сгорании 1 м³ топлива, м³/м³; t_д – температура отходящих дымовых газов, ˚С; c_д – удельная теплоёмкость дымовых газов при температуре t_д определяется исходя из состава продуктов горения:

с_д = (СО₂∙с_СО2 Н₂О∙с_Н2О ∙ О₂ ∙ с_О2 + N₂ ∙ c_N2 +SO₂ ∙ c_SO2) / 100, кДж/(м³∙град)

где с _СО2, с_Н2О, с _О2, с _N2, с _SO2 – средняя теплоемкость газов при температуре кДж/(м³×град); N₂, CO₂, H₂O, O₂, SO₂– состав продуктов горения (из расчета горения топлива), %.

С _СО2 = 2,3536 кДж/(м³∙град),

С_Н2О = 1,8739 кДж/(м³∙град),

С _О2 = 1,5371 кДж/(м³∙град),

С _N2 = 1,4520 кДж/(м³∙град).

с _д = (8,607∙2,3536+16,894∙1,8739+3,146∙1,5371+71,353∙1,4529)/100

= 1,6048 (кДж/(м³∙град),

Q^р_п.г. = 12,525∙1590∙1,6048∙В = 31958,83∙В, кВт

Потери тепла излучением через открытые отверстия печи

Q^р_изл = ΣQ_излi , кВт, (2.71)

где Q_излi – потери тепла излучением через открытые отверстия: загрузочный карман, влёты горелок, пережим, кВт.

Потери тепла излучением через открытые отверстия:

Q_изл = c₀ ∙ φ ∙F((T_пр /100)⁴ – (Т_окр/100)⁴) / 1000, кВт (2.72)

где Т_пр и Т_окр – абсолютная температура соответственно печного пространства и окружающей среды, воспринимающей излучение, К; F – площадь поверхности излучения, м²; с₀ – коэффициент излучения, равный 5,7 Вт/(см²·К⁴); φ – коэффициент диафрагмирования, зависящий от размера окна и толщины кладки.

Потери тепла через загрузочный карман.

Площадь отверстия, через которое теряется излучение:

, (2.73)

где h – высота подъёма арочного свода; b – ширина загрузочного кармана, по чертежу принимаем b=1,6 м,

, (2.74)

Т = 1813К, Т = 673К,

,

,

Коэффициент диафрагмирования находим из рисунка 3.17[1] в зависимости от соотношения высоты окна и толщины кладки (δ=0,53) для прямоугольного вытянутого отверстия: φ=0,48,

Q^/_изл = (5,7∙0,48∙0,213((1813/100)⁴ – (673/100)⁴) / 1000 = 61,77(кВт)

Потери тепла через влёты горелок.

Т _окр определяется из соотношения:

Т _окр = ((t^д + t^в) / 2)+273К, (2.75)

где t^д – температура дымовых газов, покидающих пламенное пространство, t^д = 1590 C; t^в – температура подогреваемого воздуха, .

Т _окр = ((1590+1200)/2)+273 = 1668 (К)

Площадь влётов горелок

F_вл = 0,03 ∙ F, м² (2.76)

F_вл = 0,03 ∙ 68,57 = 2,057 (м²)

Коэффициент диафрагмирования определяем аналогично(высота влета по чертежу h=0,71м, толщина δ=0,5м), φ=0,73, тогда формула примет вид:

Q = (5,7∙0,73∙3,126∙ ((1863/100)⁴ – (1668/100)⁴) / 1000 = 560,024 (кВт)

Так как в нашем случае проток заглублен, то потерь тепла излучением в студочную часть нет.

Общие потери излучением составят:

Q^р_изл = Q¹_изл + Q²_изл, кВт (2.77)

Q^р_изл = 61,77+560,024 = 621,79 (кВт)

Тепло, теряемое на нагрев обратных потоков стекломассы

Q^р_конв = (n–1) ∙ G _ст ∙ (c _ст ∙t _ст – c _обр ∙ t _обр), кВт (2.78)

гдеn —коэффициент потока, равный отношению количества стекломассы поступающей в выработочную часть, к вырабатываемой. Для заглубленного протока принимаем n1,2; G_ст — количество вырабатываемой стекломассы, кг/с; c_ст —теплоёмкость прямого потока стекломассы при t _ст; с_обр – теплоёмкость обратного потока стекломассы при t _обр

Температура зеркала стекломассы 1500⁰С, а градиент температуры для бесцветного тарного стекла составляет 2⁰С на 1см глубины. В нашем случае прямой и обратный поток стекломассы будут на глубинах соответственно 1180мм и 1560мм(глубина протока 380мм),следовательно их температуры составят:

t _ст = 1500 ∙ 118 ∙ 2 = 1264 C; t_обр = 1500–156 ∙ 2 = 1188 С.

Теплоемкости этих потоков найдем по формуле:

с_ст = 0,672+0,00046 ∙ t _ст = 1,195 (кДж/(кг∙К),

с _обр = 0,672+0,00046 ∙ t _ст = 1,155 (кДж/(кг∙К),

Q^р_конв = (1,2–1) ∙ 2,89 ∙ (1,195 ∙ 1264–1,155 ∙ 1188) = 79,96 (кВт)

Расчёт потерь тепла через кладку печи в окружающую среду производится по формуле:

Q^р_кл = Σ q _клi ∙ F_i, кВт (2.79)

где q _клi – тепловой поток, теряемый через кладку i –го участка печи, Вт/м²; —площадь i –го элемента кладки печи, м².

Рассчитывается тепловой поток, теряемый отдельно через дно, через стены бассейна печи, через стены пламенного пространства печи и свод. Определим площади всех этих элементов. Расчет ведем по средней линии.

Определяем площадь дна бассейна:

F_дна = L_дна ∙ B_дна + F_загр.к., м², (2.80)

где q – длина варочного бассейна по средней линии, м; B – ширина варочного бассейна, м; F_загр.к – площадь дна загрузочного кармана, м².

F_дна = 6,67 ∙ 17,5 + 1,415 ∙ 2,61 = 120,415 м²,

Определяем площадь изолированных стен бассейна:

F_и.ст.б. = h_ст.и. ∙ P, м², (2.81)

где h _ст.и. – высота стены варочного бассейна печи с изоляцией, м; – периметр варочного бассейна печи по средней линии, м.

F _и.ст.б. = 1,005 ∙ (6,67 – 2,61+2 ∙ 17,5+6,67–1,03+2,61∙ 1,415) = 48,635 м².

Определяем площадь стен бассейна без изоляции:

F_свода = h_.ст.б.и ∙ P, м², (2.82)

где h _ст.б.и – высота стены варочного бассейна печи без изоляциии, м;

F _и.ст.б. = 0,2∙ (6,67–2,61+2∙ 17,5+6,67–1,03+2,61∙ 1,415) = 9,68 м²

Определяем площадь свода стекловаренной печи:

F_свода = l_свода ∙ b_свода, м², (2.83)

где l_свода – длина дуги свода печи, м; b_свода – ширина свода печи, (b_свода = 6,845м),

l_свода = (п∙ R∙ n) / 180,м, R = b/2sin30, м,

l_свода = 3,14∙ 6,74∙ 60 / 180 = 7,055 м,

F_свода = 7,055∙ 6,74 = 47,55 м².

Аналогично определяем площадь стен пламенного пространства печи с изоляцией и без нее, а также площади изолированных и неизолированных торцевых стен. Результаты расчёта приведены в табл.5.

Расчет потерь тепла в окружающую среду через изолированные стены бассейна рабочей камеры печи.

Стены бассейна сложены из бакора–33 толщиной 0,25м,шамотного огнеупора марки ША–№9 толщиной 0,125 м, а также шамотного легковеса марки ШЛ–1,0 толщиной 0,13м. температуру стены находим по формуле:

t_стены = (t_стекла + t_дна) / 2 = (1500+1264) / 2 = 1382 С

Принимаем наружную температуру стенки t_н=165⁰С.

Рассчитываем тепловой поток проходящий через кладку стены:

q₀ = t_стены – t_н / (δ _бк / λ _бк + δ _ша / λ _ша + δ _шл1/ λ _шл1)

где δ _бк, δ _ша, δ _шл1 – толщины огнеупоров (приведены выше), м;

λ _бк, λ _ша, λ _шл1 – коэффициенты теплопроводности этих огнеупоров, Вт/м²К.

λ _бк (при t = 1382 C) = 5,9 Вт/м ^. К

λ _ша = 0,7+0,00064 ^. t_н = 0,7+0,00064 ^. 165 = 0,806 Вт / м ^. К

λ _шл1 = 0,28+0,00023 ^. t_н = 0,28+0,00023 ^. 165 = 0,318 Вт / м ^. К

Коэффициент теплопроводности для бакора находим из[1] по графику приложения №4.

q₀ = 1382–165/(0,25/5,9+0,125/0,806+0,13/0,318) = 1909 Вт/м²

Находим температуру промежуточных точек:

t₁ = t_стены – q₀ ∙ δ _бк / λ _бк = 1382–1909 ∙ (0,25/5,9) = 1301 С

t₂ = t_стены – q₀ ∙ (δ _бк / λ _бк + δ _ша / λ _ша) = 1382–1909 ∙ (0,25/5,9+0,15/0,806) = 945,614 С

t₃ = t_стены – q₀ ∙ (δ _бк / λ _бк + δ _ша / λ _ша + δ _шл1/ λ _шл1) = 1382–1909 ∙ (0,25/5,9 + 0,15/0,806 + 0,13/0,318) = 165 С

Определим средние температуры слоев футеровки:

t_1ср = (t_ст +t₁) /2 = (1382+1301) / 2 = 1342 С,

t_2ср = (t₁ +t₂)/2 = (1301+945,614) / 2 = 1123 C,

t_3ср = (t₂ + t₃)/2 = (945,614+165)/2 = 555,307 С.

Уточняем значения λ, соответствующее средним температурам слоев:

λ _бк (при t_н = 1342 C) = 5,7 Вт/м∙К,

λ _ша = 0,7+0,00064∙t_н = 0,7+0,00064∙1123 = 1,419 Вт/м∙К,

λ _шл1 = 0,28+0,00023∙t_н = 0,28+0,00023∙555,307 = 0,408 Вт/м∙К.

Рассчитаем уточненный тепловой поток через стены бассейна печи:

q₁ = 1382–165/(0,25/5,7+0,15/1,419+0,13/0,408) = 2598 Вт/м²

Уточняем температуры промежуточных точек:

t₁₁ = 1382–2798∙ (0,25/5,7) = 1268 С,

t₂₂ = 1382–2598 ∙ (0,25/5,7+0,15/1,419) = 993,396 С,

t₃₃ = 1382–2598∙ (0,25/5,7+0,15/1,419+0,13/0,408) = 165 С.

Находим уточненные средние температуры слоев футеровки:

t_11ср = (1382 + 1268)/2 = 1325 C,

t_22ср = (1268 + 993,396)/2 = 1131 C,

t_33ср = (993,396 + 165)/2 = 579,198 С.

Определяем значения коэффициентов теплопроводности при этих температурах:

λ _бк (при t_н = 1325 С) = 5,5 Вт/ м ∙ К

λ _ша = 0,7+0,00064∙t_н = 0,7+0,00064∙1131 = 1,424 Вт/м∙К,

λ _шл1 = 0,28+0,00023∙t_н = 0,28+0,00023∙579,198 = 0,413 Вт/м∙К.

Определяем значение коэффициента теплоотдачи от наружной поверхности в окружающую среду, Вт/(м∙К):

α ₂ = A∙ ⁴√ t_н – t_в +((5,67∙E_ст)/(t_н – t_в)) ∙ ((T_н /100)⁴ – (T_в /100)⁴), Вт/м∙К(2.84)

где А – коэффициент, учитывающий размещение футеровки. Принимается для стен 2,6; пода 1,6; свода 3,3; E_ст – степень черноты наружной поверхности футеровки, определяется в соответствии с приложением 4 [1].

α ₂ = 2,6∙⁴√165–20 + ((5,67∙0,75)/165–20)) ∙ ((438/100)⁴–(293/100)⁴) = 17,655 Вт/м∙К

Найдем коэффициент теплопередачи

К = 1/(δ _бк / λ _бк + δ _ша / λ _ша + δ _шл1 / λ _шл1 +1/α ₂), Вт/м² (2.85)

К = 1/(0,25/5,5 + 0,15/0,24 + 0,13/0,413 + 1/17,655) = 1,915 Вт/м²

Расчетная температура внешней поверхности:

t_н = t_окр.ср. +(K/ α ₂) ∙ (t_ст – t_окр.ст.), С (2.86)

t_н = 20 + 1,915/17,655∙(1382–20) = 167,773 С

q_н = 1382–165/(0,25/5,5+0,15/1,424+0,13/0,413+1/17,655) = 2326 Вт/м².

Принятая нами в начале температура наружной стенки 165 ⁰С отличается от расчетной менее чем на 3 ⁰С,что доказывает правильность расчета.

Аналогично рассчитываем температуры и для всех остальных элементов печи. Результаты расчета приведены в таблице. В таблицу заносим: тип используемых для кладки отдельных участков печи огнеупорных и теплоизоляционных материалов, толщину кладки, коэффициент теплопроводности, тепловое сопротивление кладки, температуру на верхней поверхности кладки и площадь поверхности кладки. Тип огнеупорных и теплоизоляционных материалов для кладки отдельных участков печи принимается конструктивно с учётом рекомендаций изложенных в справочнике [1] глава 3.2.

Таблица 2.17 – Потери тепла в окружающую среду через кладку рабочей камере печи

Участок печи	Материал кладки	δ,м	λ, Вт/(м·К)	∑δi/ λi	tвн, °С	qкл, кВт/ м^2	F, м^2	Qкл^р, кВт
Дно печи	БК–33   ШСУ–33	0,195   0,6	5,1   1,141	0,564			116,73	202,6
Стены бассейна: нижний ряд   верхний ряд	БК–33 ША №9 ШЛ–1,0   БК–33	0,25 0,15 0,13   0,25	5,5 1,424 0,413   3,6	0,466   0,069			48,635   9,68	113,1   106,5
Стены пламенного пространства нижний ряд верхний ряд	БК–33   БК–33 ШЛ–1,3	0,6   0,25 0,25	3,45   6,25 0,75	0,17   0,37			9,194   36,008	54,152   114,541
Свод печи	ДСУ ДЛ ШЛ –1	0,38 0,115 0,115	2,359 1,025 0,4	0,56			49,04	115,047

Общие потери тепла в окружающую среду через кладку печи составят:

Q^р_кл = 202,6+113,1+106,5+54,152+114,541+115,047 = 705,94 кВт.

Потери тепла с выбивающимися дымовыми газами:

Q^р_выб = (0,03–0,05) ∙Q, кВт (2.87)

Q^р_выб = 0,03∙53183,69∙В, кВт

Неучтённые тепловые потери:

Q^р_неучт. = (0,03–0,05) ∙Q^п, кВт (2.88)

Q^р_неучт. = 0,04∙53183,69∙В, кВт

Расход тепла по печи:

Q^р = ΣQ^р_i, кВт (2.89)

Q^р = 5053,8+31958,83 _∙ В+79,96+621,79+705,94+1595,51 _∙ В+2127,35 _∙ В = =6461,49+35681,69 _∙ В, кВт

Расход топлива Х определяется решением уравнения, полученного приравниванием расхода и прихода.

Q^п = Q^р (2.90)

53183,69∙В = 35681,69∙В + 6461,49; 17502∙В = 6461,49

В = 0,37 м³/с

На основании результатов расчёта составляется таблица 2.9 теплового баланса печи.

Таблица 2.9 – Тепловой баланс варочного бассейна стекловаренной печи

Приход	Количество теплоты	Расход	Количество теплоты
кВт	%	кВт	%
1.Химическая теплота от сгорания топлива	13455,63	68,14	1.Теплота на реакции стеклообразования	5153,8	26,07
2.Физическая теплота воздуха для горения	6290,5	31,86	2.Потери тепла с уходящими продуктами горения	11824,77	59,83
3.Потери тепла излучением через открытые отверстия	621,79	3,15
4.На нагрев обратных потоков стекломассы	79,96	0,40
5.Потери тепла через кладку печи	705,94	3,57
6.Потери тепла с выбивающимися газами	590,34	2,99
7.Неучтённые тепловые потери	787,12	3,98
Итого:	19746,13		Итого:	19763,72

Невязка баланса составляет 0,089%.

Расчёт показателей эффективности работы стекловаренной печи.

Для сравнения между собой показателей работы печей и сопоставления расчетных данных с практическими данными однотипных конструкций работающих печей определяют удельный расход тепла и удель­ный расход условного топлива, коэффициент полезного действия печи.

Удельный расход теплоты на варку 1 кг стекломассы, кДж/кг:

Q_уд = Q^р_н ∙B / G_ст, (2.91)

где G_ст − количество сваренной стекломассы, кг/с; Q^р_н − тепло сгорания топлива кДж/м³ или кДж/кг; В − общий расход топлива по печи,включая варочную и выработочную часть, м³/с или кг/с.

Q_уд = (35210,7756∙0,37) / (160000/(3600∙24)) = 7042,16 кДж/кг

Удельный расход условного топлива:

В_усл = (Q^р_н ∙В)/(29330∙G_ст) = Q _уд /29330, кг усл.т./кг∙см (2.92)

где Q_усл − теплота сгорания условного топлива, Q_усл = 29300 кДж / м³ или кДж/кг;

В_усл = 7042,16 / 29330 = 0,24 кг усл.т./кг см.

Коэффициент полезного действия печи:

а) по общей теплоте на реакции стеклообразования, %,

η_общ = (Q ^р_н /Q ^р) ∙100, % (2.93)

η_общ = (5153,8 / 19746,13) ∙100 = 26,1%

б) по химической теплоте топлива, %,

η_хим = (Q ^р_н /Q ^п_г ) ∙100, % (2.94)

η_хим = (5153,8 / 11824,77) ∙100 = 43,58%

Дата добавления: 2015-08-21