Расчет термических печей. Расчет печей ХТО

При проектировании печи тепловой баланс составляется с целью определения расхода энергоносителя: топливо (в топливных печах) или электроэнергия (в электрических печах). Тепловой баланс термической печи представляет уравнение, связывающее приход и расход тепла. При составлении теплового баланса заданными считают вид топлива, теплоту сгорания, про­изводительность (или массу садки и длительность нагрева), условия сжигания топлива. Тепловой баланс печей непрерывного действия составляют по зонам, печей периодического действия – по периодам (стадиям) нагрева, выдержки, охлаждения, в единицах мощности (Вт, кВт). В отличие от термических печей непрерывного действия печи периодического действия в ходе работы при разогревах накапливают (аккумулируют) тепло, которое непрерывно рассеивается в окружающее пространство с наружной поверхности печи. Аккумуляция тепла - наиболее значительная часть расхода энергии или топлива, характерная для термических печей периодического действия широкого назначения. В этой статье расхода тепла скрыты резервы экономии электроэнергии или топлива, которые могут быть реализованы путем рациональной организации работы конкретных печей и термического участка в целом.

Статьи теплового баланса.

Приход тепла в рабочее пространство печи:

- Тепло, образующееся при сжигании газового топлива Q=В*Qн

- Физическое тепло, вносимое подогретым топливом Qt=i*B*Vt

- Физическое тепло, вносимое подогретым топливом Qв=i*B*Vв

- Тепло экзотермических реакций окисления металла (печь непрерывного действия) Q=Qок*а*Р (Qок – теплота реакций окисления железа, а-угар металла, Р - производительность); печь периодического действия - Q=Qок*Gм/t (Gм-масса садки печи, t – время нагрева)

Расход тепла:

- потери тепла на нагрев тары или транспотрирующих устройств (см. закон Ньютона, применительно к таре и транспорту)

- Тепло, уносимое дымовыми газами Qд=iд*Vд*В

- Потери тепла через многослойную футеровку Q=(tпечи-tнар)/(1/α+Ʃs/λ)

- Потери тепла через водоохлаждаемые элементы

- Потери тепла через открытые отверстия Q=C0*ε*T⁴*Ф*F (ф – коэффициент диафрагмирования)

- потери тепла через уплотнительные элементы (вставки из ОУ материалов, места установки горелок)

- Затраты на нагрев контролируемой атмосферы в муфельных и безмуфельных печах Q=Bатм*Сатм*(Тн-Ткон) (Ватм – расход контролируемой атмосферы, Сатм – теплоемкость атмосферы)

- для печей периодического действия учитывают аккумуляцию тепла кладкой.

Каркасы топливных печей.

Металлический каркас – представляет собой пространственную раму, обрамляющую стены печи (рис. 15). Он несет нагрузку от веса трубных змеевиков, гарнитуры,

подвесного свода, кровли, а в печах новых конструкций – и от стен печи, поэтому конфигурация каркаса со опорными поверхностями стоек ответствует наружной форме печи. Каркас состоит из плоских рам или ферм, который устанавливаются на фундамент.

При больших размерах печей стойки каркаса крепятся к установочным плитам при помощи шарниров, что обеспечивает свободное восприятие температурных деформаций (рис.12 в). Нижние пояса ферм служат для подвешивания кирпичей свода и труб потолочного экрана. На верхние пояса устанавливают кровлю обычно из асбоцементных листов. К стойкам каркаса при помощи кронштейнов подвешивают трубы и кирпичи боковых стен. Все элементы стального каркаса вынесены из зоны высоких температур и защищены обмуровкой и тепловой изоляцией.

Составными элементами крайних ферм являются трубные решетки и ретурбендные камеры (рис. 16). На трубную решетку обоими концами опираются печные трубы со смонтированными на них ретурбендами-двойниками. При температурах до 800 оС решетки изготавливают из серого чугуна СЧ 21-40, при температурах до 1000 оС – из жаростойкого чугуна и при больших температурах – из жаропрочной стали. Решетки надежно крепятся к несущим элементам каркаса.

Ретурбендные камеры представляют собой стальные коробы с открывающимися

дверцами. Для сокращения тепловых потерь, а также предотвращения деформаций дверцы изнутри покрывают слоем теплоизоляции. Внутри этих камер расположены ретурбенды – разъемные устройства для соединения труб печи в непрерывный змеевик. Герметизация труб осуществляется методом развальцовки. Конструкция ре-турбендов должна обеспечивать прочность и герметичность соединения труб печи, незначительное гидравлическое сопротивление, возможность вскрытия труб и их смены, доступность при очистке от коксовых отложений.

По конструкции ретурбенды могут быть различными, например, двухтрубными, угловыми и др. По способу изготовления различают литые и кованые. В литых ретурбендах пробки прижимают к гнезду при помощи нажимного болта и траверсы, вставленной в проушины корпуса.

Однако, ретурбенды сложны, не достаточно надежны в эксплуатации и вызывают повышенные гидравлические и тепловые потери. В настоящее время в действующих печах проводится постепенная замена этих соединений на более простые и надежные.

Более просты и надежны однослойные стены, выполненные из огнеупорного кирпича на растворе из огнеупорной глины и шамотного порошка. Стены современных печей имеют блочную конструкцию, то есть их собирают из огнеупорных блоков разнообразной формы. Эти блоки собирают на болтах и стержнях, прикрепленных к каркасу печи. Блоки имеют выступы и впадины (шип-паз) поэтому обмуровка не требует раствора. Поэтому блоки легко воспринимают тепловые деформации и компенсируют их в пределах зазоров. Толщина таких стен до 250 мм.

Вертикальные стены печей беспламенного горения полностью или частично составлены из керамических панелей этих горелок. Уплотнением между горелками служит

асбестовый шнур или прокладка.

В отдельных случаях применяются печи с монолитной обмуровкой из жаропрочного бетона. Они характеризуются простотой и низкой стоимостью. Однако их жаропрочность полностью не изучена.

Долговечность кладки при прочих равных условиях обеспечивается качеством заполнения температурных швов

Ширину температурных швов устанавливают из расчета 5 – 6 мм на один погонный метр шамотной кладки. Диаметр укладываемого в шов асбестового шнура должен быть больше ширины шва минимум на 5 мм.

Нижнюю часть (под) печи выкладывают из трех слоев: нижний слой из простого кирпича на бетонную постель без раствора; второй слой – из простого кирпича на цементно-глиняном растворе и третий (самый верхний) – из огнеупорного кирпича, положенного на ребро, с шамотно-глиняным раствором.

Трубные змеевики. Они состоят из отдельных прямых бесшовных труб длиной от 6 до 18 м и диаметром 60 – 219 мм. Наиболее часто используют трубы диаметром 102, 127 и 152 мм. Эти трубы соединяют последовательно в змеевик печными двойниками различных конструкций (разборные и сварные) (рис. 21). Разборные двойники (ретурбенды) применяют при температурах до 560 оС, когда необходима механическая чистка внутренних стенок труб от отложений кокса. Из-за их малой надежности, сложности и других недостатков в последнее время все больше используются неразборные двойники. Ввиду малого расстояния между трубами их нельзя изготавливать методом гибки. Их получают методом протяжки труб или сваркой штампованных половин.

Гарнитура печей. К гарнитуре трубчатых печей относят регистры для регулирования потока воздуха, смотровые окна для наблюдения за факелом и состоянием внешней поверхности радиантных труб, лазы для проникновения в печь при ремонте, взрыв-

ные окна для выпуска газов в случае возникновения «хлопка» в печи, подвески, крон-

штейны, лежаки и другие элементы.