Совершенствование конструктивной схемы кольцевой нагревательной печи путем снижения тепловых потерь через замкнутый контур зоны нагрева Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 621.536.24 (076.1)

П.С.ЧЕСНОКОВ

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В.Плеханова (технический университет)

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ КОЛЬЦЕВОЙ НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ ЧЕРЕЗ ЗАМКНУТЫЙ КОНТУР

ЗОНЫ НАГРЕВА

Рассмотрено устройство агрегата непрерывного нагрева, представлена техническая характеристика агрегата и термической части агрегата, описание конструкции и работы термической части агрегата. Для повышения теплофизических характеристик процесса нагрева медных слитков в агрегате непрерывного нагрева разработан состав футеровки печи. Определены эквивалентные коэффициенты теплопроводности, плотности теплового потока, тепловой поток через поверхность футеровки агрегата и выбраны новые материалы слоев футеровки.

Приведены теплофизические характеристики основных огнеупорных и изоляционных материалов.

Доказано, что использование новых материалов слоев футеровки печи вместо существующих приводит к значительному экономическому эффекту.

The construction of unceasing warm unit is considered in this article, the technical feature of the unit and a thermal part of the unit are given too. In order to increase heating physics features of heating process of copper ingots in the unit, the structure of a stove has been developed. The equivalent factors of warmth conduction, density of heat flow, heat flow through the surface of the unit compound have been determined and new material of compound layers have been selected.

The heating physics features of the main refractory and insulating materials are given.

It is proved that using the new material of compound layers of stoves instead of havens leads to significant economic effect.

Кольцевые нагревательные печи предназначены для нагрева слитков из меди и сплавов на медной основе перед горячей прокаткой на стане ДУО-850. Нагрев слитков осуществляется продуктами горения природного газа, сжигаемого с помощью двухпроводных горелок ГНП-5 и ГНП-6.

Печи имеют по две тепловые зоны, имеющие самостоятельную регулировку подачи природного газа и воздуха: первая -зона окончательного нагрева и выравнивания температур по сечению слитка; вторая -зона предварительного нагрева

Печь имеет кольцевую форму, под печи- поворотный, привод пода - односторонний, электрический. Электродвигатель через редуктор передает вращение на венечную шестерню подины.

Подина вращается на опорных роликах, центрируется с помощью стойки, установленной в центре внутреннего столба печи.

Герметизация вращающегося пода печи достигается с помощью гидрозатвора. Подъемная заслонка рабочего окна также выполнена водоохлаждаемой. На печи используется водооборотная вода.

Кладка пода, стен и свода печи выполнена из огнеупорного шамотного кирпича И1А1. Для стен применяется прямой кирпич, для свода - клиновой. Кладка вращающейся подины выполнена из шамотного кирпича, изолированного диатомитом марки 500.

Вся кладка печи, кроме свода, заключена в металлический кожух [2].

За исходное расчетное уравнение принимаем дифференциальное уравнение теп-

лопроводности в соответствии с законом Фурье. В основу вывода уравнения теплопроводности положен закон сохранения энергии [3].

Для нахождения составляющих уравнения выделим в теле элементарный параллелепипед (см. рисунок) со сторонами (I» (Ь. Параллелепипед расположен так, чтобы его грани были параллельны соответствующим координатным плоскостям. Количество теплоты, которое подводится к граням элементарного объема за время ¿к в направлении осей Ох, <2У, О-, обозначим соответственно <1£)х, (1<2У, (¡(У; [ 1 ]. Количество теплоты, которое будет отводиться через противоположные грани в тех же направлениях, обозначим соответственно с!()х + dQy+ф,

+ <¡2-

Дифференциальное уравнение теплопроводности в случае нестационарного режима принимает вид

& Г72

от

где а - коэффициент температуропроводности, м2/с, а = ср/Х; с - удельная теплоемкость; X - коэффициент теплоемкости; V - оператор Лапласа, V2 =д2 ¡дх1 + д2/ду2 + д2/дг2.

При установившемся, или стационарном, тепловом режиме температура тела во времени остается постоянной, т.е. Ы / дт = 0. При этом дифференциальное уравнение теплопроводности будет иметь вид

или

aV2t + ^ = О ср

+ =0> X

dQz+dz

А

dz

>> f

<*Qr

dQx + dx

dy

dQv+ay

¿Qz

Определение теплового потока в теле

Если внутренние источники отсутствуют = 0), то уравнение теплопроводности упростится и примет вид

или

д21 д2( д2( л с*2 ду2 дг2

так как д(/дх = 0, а * 0.

Рассмотрим теплопроводность многослойной плоской стенки зоны нагрева (зоны максимальных температур), состоящей из двух слоев. Примем, что контакт между слоями совершенный и температура на соприкасающихся поверхностях двух слоев одинакова.

Для решения дифференциального уравнения теплопроводности необходимо его дополнить условием однозначности 1-го рода, т.е. начальными значениями г на поверхности тела и геометрическими характеристиками тела.

При заданных температурах на внешних поверхностях стенки, размерах слоев и соответствующих коэффициентах теплопроводности можем составить систему уравнений

52

Определив температурные напоры в каждом слое и сложив правые и левые части полученных уравнений, будем иметь

г

*с1

V

Отсюда плотность теплового потока

б, б2 —- + —-

Х2)

\ Х^ ]

Величина (б) /X) +б2 /Х2), равная сумме термических сопротивлений двух слоев, называется полным термическим сопротивлением теплопроводности многослойной стенки.

142 _

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.155. Часть 2

При сравнении переноса теплоты через многослойную стенку и стенку из однородного материала удобно ввести в рассмотрение эквивалентный коэффициент теплопроводности ХэКВ многослойной стенки. Он равен коэффициенту теплопроводности однородной стенки, толщина которой Д равна

1=2

толщине многослойной стенки , а тер-

1=1

мическое сопротивление равно термическому сопротивлению рассматриваемой многослойной стенки, т.е.

i = 2

■ I 1 = I = 1 _ у _1_

1 \ ' 'Ъкв , = 1

отсюда

1 = 2 1 = 26,

^экв = £ V Е ~ .

< = 1 I = 1

Значением можно определить условия, при которых можно уменьшить потери в окружающую среду. Для выбора оптимального варианта футеровки произведем анализ теплофизических свойств материала [2] (см. таблицу).

Теплофизические характеристики материалов

Материал К Вт/(м К) с, Дж/(кгК) р, кг/м5 Температура применения, "С

Шамот кирпичный 0.72 880 1800-1900 1350-1450

Красный кирпич 0,7 880 1700 900

Шамот

легковес ШЛБ-0,4 0,116 960 400 1100

Корундовый легковесный КЛ-1,3 2,1 795 2700-2900 1500

Магнезит 6,28 1050 2600-2800 1580

Магнезито-хромит 4,1 920 2800-2900 >1500

Для нашего конкретного случая примем X = const. Рассчитаем потери тепла для существующей конструкции футеровки и в

соответствии с расчетами примем оптимальный тип футеровочного материала.

Подставим табличные значения коэффициента теплопроводности в формулу эквивалентного коэффициента теплопроводности. Получим для существующего варианта футеровки (1-й слой - шамот класса «А», 2-й слой - диатомит)

Яэкв1 = 0,197 Вт/(м-К),

для нового варианта футеровки (1-й слой -шамот кирпичный, 2-й слой - шамот легковес ШЛБ-0,4):

Хэкв2 = 0,233 Вт/(мК).

Подставив полученные значения эквивалентного коэффициента теплопроводности в формулу для определения плотности теплового потока, получим

<71 = ('с1 - 'сз V ^1=6081 Вт /м2;

#2 =(^с1 =5141 Вт/м2.

Тепловой поток ()(Ы) через поверхность ^ твердой стенки

0\=Я\ + + Гпоа) = 1764 кВт;

Яг = Я2 №ок + + ^) = 1491 кВт.

Температура на границах соприкосновения двух соседних слоев

'с2 ~ 'cl -Q-T-'y К\

'сЗ = 'cl 'Я

4^1 J

Подставив в формулы температур значения новых материалов, получим, что ¿с2 - 300 °С - температура на границе слоев шамота кирпичного и ШЛБ-0,4; /с3 = 75 °С -температура на наружной поверхности футеровки.

Основываясь на полученных значениях, принимаем следующие материалы слоев футеровки: 1-й слой - шамот кирпичный

(к = 0,72 Вт/(м-К)); 2-й слой - шамот легковес ШЛБ-0,4 (А. = 0,116 Вт/(м-К)),б2 < £ь следовательно, потери в окружающую среду снизились на Е = £>2 / 100 = 15 %.

Предложенная схема футеровочного слоя позволяет снизить тепловые потери в окружающую среду, тем самым приводят к снижению расхода топлива и получению экономического выигрыша.

Научный руководитель д.т.н. проф. В.И.,

ЛИТЕРАТУРА

1. Зобнин Б. Ф. Теплотехнические расчеты металлургических печей: Учебное пособие для студентов вузов, 2-е изд. М.: Металлургия, 1982. 360 с.

2. Зобнин Б.Ф. Нагревательные печи (теория и расчет). М.: Машиностроение, 1964. 311 с.

3. Исаченко В.П. Теплопередача: Учебник для вузов. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Энергия, 1975. 486 с.

4. Мае трюков Б. С. Расчеты металлургических печей. М.: Металлургия, 1986. Т. 2. 376 с.

Iександров

144 -

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. ТЛ55. Часть 2