Лекция № 4. Общие принципы конструирования печей: производительность и размеры печей

Под расчетом печи понимают совокупность расчетных опера­ций, выполняемых в целях определения всех величин, необходи­мых для конструирования печи. Расчет печи вместе с необходи­мыми пояснениями и графической частью составляют проект печи.

В расчет печи входят тепловые, механические, строительные и технико-экономические расчеты. Так как практически невоз­можно точно рассчитать процессы, происходящие в печах, при­бегают к выбору упрощенной расчетной модели печи, дающей, однако, возможность отразить все главные особенности этих процессов.

Точность различных тепловых расчетов сильно колеблется. В тех случаях, когда при выборе расчетной модели предпола­гают равновесное состояние или когда рассчитывают установив­шиеся процессы, точность выше, чем при расчете кинетики про­цессов, особенно в неустановившемся состоянии. Например, расчеты полного сгорания топлива и теплопередачи при устано­вившемся состоянии дают большую точность, чем расчеты про­цессов неполного сгорания и теплопередачи в неустановившемся состоянии. На точность расчетов сильно влияет правильность выбора констант, используемых при расчете. В тех случаях, когда теоретический расчет не может быть выполнен, прибегают к применению формул или таблиц, основанных на эмпирических данных. При этом очень важно проверить применимость этих формул или таблиц к рассматриваемому случаю, поскольку вся­кие опытные данные справедливы только в некоторых границах, определяемых условиями опыта. Таким образом, осуществляется выбор всех необходимых для проектирования печи величин, ко­торые не могут быть определены теоретическим расчетом. Ито­говые данные по расчету печей следует обязательно контроли­ровать по данным передовой, прогрессивной практики.

Любую печь проектируют с известным резервом по тепловой мощности, что обеспечивает возможность повышать ее произ­водительность, но удельная расчетная производительность пе­чей, по которой определяют размеры и число печей, не должна выходить за пределы средне-прогрессивной нормы для данного времени.

Исходными данными для конструирования печей являются:

а) технологический процесс, для которого предназначена печь;

б) характеристика материалов, подвергающихся тепловой обработке;

в) источник тепловой энергии;

г) производительность в единицу времени или за операцию.

Технологический процесс, для которого предназначена печь, а также характеристика материалов, подвергающихся тепловой обработке (анализ, форма, размеры и т. д.), задаются конструк­тору печи технологами, разрабатывающими технологию того или иного производства.

Наиболее целесообразный источник тепловой энергии (вид топлива, электроэнергии) конструктор печи выбирает исходя из народнохозяйственных соображений, применяя технико-эконо­мический анализ для решения задачи во всех тех случаях, когда с технической точки зрения возможно несколько решений. Для современных плавильных и нагревательных печей чер­ной металлургии применяют газообразное и жидкое топлива, а также в значительных количествах используют электрическую энергию, особенно в тех случаях, когда к технологии плавления или нагрева предъявляют высокие требования и когда требуется простое и точное регулирование температуры.

Производительность печи или печей в сутки, час или за опе­рацию задается конструктору печи в соответствии с данными технологии производства. Однако одна и та же производитель­ность может быть обеспечена одной или несколькими печами, работающими параллельно. Во время службы кладка печи по­степенно разрушается и приходит в полную или частичную не­годность, что обусловливает необходимость проведения горячего ремонта (с частичной заменой кладки, без остановки печи) или холодного ремонта с более существенной заменой кладки в охлажденной печи, или восстановительного ремонта с заменой не только кладки, но также в какой-то мере крепления и обо­рудования печи.

Это обстоятельство, а также технологические соображения кладут в основу при решении вопроса о числе печей, обеспечи­вающих заданную производительность. При этом надо учи­тывать, что в цехах, где печи являются вспомогательными агре­гатами (прокатные, кузнечные и т. д.), производительность пе­чей никогда не должна лимитировать работу основного оборудования (прокатных станов, прессов, молота и т. д.).

Целесообразно при расчете и конструировании топливных печей придерживаться следующей схемы.

1. Тип печи и энергия:

а) выбор типа печи;

б) выбор топлива или параметров электроэнергии.

2. Горение топлива - расчет теоретического горения топлива.

3. Рабочее пространство печи:

а) выбор температурного режима печи;

б) определение производительности печи;

в) определение основных размеров рабочего пространства печи;

г) выбор огнеупорных материалов и толщины кладки;

д) составление эскиза печи;

е) составление теплового баланса и определение расхода топлива или электроэнергии.

4. Топочное (или электронагревательное) и вспомогательное оборудование печи:

а) выбор способа сжигания и определение производитель­ности и размеров горелок, форсунок и топок;

б) выбор и определение размеров газо- и воздухопроводов, дымоходов, клапанов и перекидных устройств.

5. Оборудование для утилизации тепла отходящих газов:

а) выбор и расчет рекуператоров и регенераторов;

б) выбор и расчет котла-утилизатора.

6. Энергетическое оборудование печи:

а) расчеты механики газов;

б) выбор дутьевых.вентиляторов и газодувок;

в) выбор и расчет дымовых труб, эксгаустеров и эжекторов;

г) расчет электрооборудования печи.

7. Арматура печи и механизмы:

а) выбор и расчет арматуры;

б) выбор и расчет механизмов.

8. Контрольно-измерительные приборы и автоматика.

9. Графическое оформление проекта и составление специфи­кации.

10. Технико-экономические расчеты:

а) составление материальной и финансовой ометы на по­стройку или ремонт;

б) определение стоимости нагрева или плавления.

Чтобы построить печь, необходимо выполнить все необходи­мые расчеты и на этой основе разработать технический проект печи. Пользуясь техническим проектом, разрабатывают рабочие чертежи отдельных узлов, а также монтажные и сборочные чер­тежи.

При разработке технического проекта печи необходимо пре­дусмотреть выполнение требований техники безопасности и про­тивопожарной техники.

Производительность печей - тепловых аппаратов-теплооб­менников зависит от интенсивности теплоотдачи. Все, что ин­тенсифицирует теплоотдачу, способствует увеличению произво­дительности печи. Однако главное значение для повышения производительности печей имеет температура пламени (газов) в рабочем пространстве. Чем выше средняя температура пла­мени, тем интенсивнее теплоотдача и, как следствие, выше про­изводительность печи. Увеличение температуры пламени дости­гается применением топлива с достаточной теплотой сгорания, предварительным подогревом топлива и воздуха, идущего для горения, и быстротой перемешивания топлива и воздуха в рабо­чем пространстве. Кроме этих весьма значительных факторов, на производительность печи влияют условия эксплуатации, а также горячие и холодные простои из-за ремонтов. Для сравни­тельной оценки работы печей различной конструкции, но одного и того же назначения, а также для сравнения различных мето­дов эксплуатации характерной является удельная производи­тельность печи, т. е. производительность в единицу времени, отнесенная к единице площади пода или к единице полезного объема печи (для шахтных печей). Эту величину выражают в следующих единицах: т/(м² • сутки), кг/(м²•ч) или т/(м³ • сутки), кг/(м³•ч). Для оценки работы доменных печей применяют об­ратную величину удельной производительности (м³•сутки/т), называемую «к. и. п. о» - коэффициентом использования полез­ного объема.

Термин «мощность печи» применяют как оценку максималь­но возможной производительности печи в единицу времени, вы­ражаемую в кг/ч или т/сутки. Годовая производительность (т/год) характеризует работу печи с учетом простоев из-за ре­монта, а также нарушений ритма работы печи по разным при­чинам эксплуатационного характера.

Форма и размеры рабочего пространства печей весьма раз­нообразны и определяются заданной производительностью пе­чей, формой и размерами нагреваемых изделий, механизацией, а также удобством обслуживания рабочего пространства при эксплуатации. Профиль и размеры шахтных печей, как было сказано выше, зависят от способа введения в печь топлива и особенностей технологического процесса.

Основными размерами рабочего пространства печей, с уче­том расположенного материала на поду, являются длина и ши­рина пода и высота от пода до замка свода.

Приведем пример определения размеров пода методической печи, в которой греют заготовки длиной l. Длина печи зависит от ее производительности. Пусть по расчету время нагрева за­готовок массой g кг каждая составляет τ ч; тогда при размеще­нии в печи N заготовок и длительности работы печи 22 ч в сут­ки производительность печи составит

G = Ng 22/τ кг/сутки (5)

откуда

N = G τ/ g 22 (6)

Если толщина заготовок составляет b м, то полезную длину методической печи, т. е. длину, занятую заготовками, опреде­лим из формулы

L_пол = Nb = Gτb / 22g м (7)

Для сокращения длины печей нередко целесообразно заго­товки размещать в два ряда.

Произведение длины слитка на полезную длину печи дает полезную (активную) площадь пода, т. е.

S_пол = L_пол l n (8)

где n - число слитков по ширине печи.

Полная площадь пода несколько больше полезной, так как между стенами печи и заготовками, а также между заготовка­ми в двухрядных печах остаются промежутки.

Отношение полезной площади пода к общей дает коэффи­циент использования площади пода.

Определение рациональных размеров высоты рабочего про­странства - важная и трудная задача. В высокотемпературных печах в некоторых случаях по условиям теплопередачи нужно стремиться увеличить высоту, а по условиям движения газов (подсос, выбивание), затратам на постройку печи и тепловым потерям через стены нужно стремиться к уменьшению высоты.

Для низкотемпературных печей, где большую роль играет теплоотдача конвекцией, нужно стремиться к увеличению ско­рости газов и поэтому к относительно малой высоте рабочего пространства печи.

Однако чрезмерно низко расположенный свод создает не­удобства для обслуживания печи и требует повышенного дав­ления в рабочем пространстве.

Так как расчетом определить оптимальную высоту свода над подом в пламенной печи пока трудно, прибегают к выбору вы­соты на основании практических данных хорошо работающих печей.

Например, для определения высоты свода над нагреваемой поверхностью в пламенных печах пользуются эмпирической ориентировочной формулой М.А. Глинкова:

Н = (А + 0,05В) t_Г • 10^-3 м (9)

где t_Г - температура газов в той зоне печи, для которой определяется вы­сота, °С;

А - коэффициент, зависящий от температуры газов в данной зоне печи;

В - ширина печи (для камерных печей - наибольший размер), м.

Для t _Г = 900° С и ниже А = 0,5-0,55; t _Г = 1500° С и выше А = 0,65.

Для промежуточных значений t _Г величину А определяют интерполяцией.

Данные, полученные по формуле (9), обязательно уточняют, исходя из конструктивных соображений.

Определение теоретическим расчетом высоты шахтных печей возможно, если известна характеристика шихты.

При проектировании дымоходов (каналов, боровов) особое внимание обращают на их размеры и герметичность. Если пло­щадь сечения дымоходов будет большой, то они потребуют боль­ших затрат на постройку; при малой же площади сечения будет большое сопротивление проходу газам, что ухудшит работу печи.

Условием, обычно удовлетворяющим этим требованиям, яв­ляется такое сечение, в котором приведенная скорость движения продуктов сгорания w ₀ = 2 - 2,5 м/сек. Зная количество проте­кающих газов и задаваясь скоростью их движения, легко опре­делить площадь сечения дымоходов по формуле

F=V₀/ w ₀ (10)

Дымоходы, соединяющие печь с дымовой трубой, размеща­ют в земле с таким расчетом, чтобы слой земли над боровом составлял не менее 300 мм.

Литература: 4 осн. [39-45].

Контрольные вопросы:

1. Дайте определения удельной производительности печи, коэффициента использования полезного объема. Их единицы измерения.

2. Мощность печи, единица измерения.

3. Основные размеры рабочего пространства печи.

4. Определение рациональных размеров высоты рабочего пространства.

5. Приведите пример определения высоты свода печи.

Дата добавления: 2014-12-10