Теоретические сведения |
  
|
Теоретические сведения |
|
Печь – огражденное от окружающего пространства тепловое технологическое оборудование, в котором происходит генерация тепла из того или иного первичного вида энергии и передача тепла материалу, подвергаемому тепловой обработке в технологических целях (плавлению, нагреву, сушке, обжигу и т.д.). При этом часть выделяемой тепловой энергии расходуется на осуществление технологического процесса, а часть - бесполезно теряется, нагревая окружающую среду. Уменьшение тепловых потерь позволяет повысить эффективность работы печей, снизить потребление энергии.
Часть тепла в печах теряется путем передачи теплопроводностью через огнеупорную кладку. Теплопроводность – процесс переноса теплоты (внутренней энергии), происходящий при непосредственном соприкосновении тел (или частей тела) с различной температурой. Обмен энергией осуществляется микрочастицами, из которых состоят вещества: молекулами, атомами, свободными электронами. Плотность теплового потока теплопроводности зависит от градиента температуры и коэффициента теплопроводности вещества. Для уменьшения теплового потока теплопроводности через кладку печей применяют теплоизоляционные материалы. При этом кладку выполняют из нескольких слоев: внутренние слои делают из материалов с высокой термической стойкостью (огнеупоры), а внешние слои – из менее стойких материалов, обладающих более низкой теплопроводностью (тепловая изоляция). На рисунке 1 показан пример структуры огнеупорной стенки, состоящей из слоя огнеупора толщиной s1 и слоя тепловой изоляции толщиной s2. При проектировании печи необходимо выбрать конструкцию стенок печи так, чтобы величина тепловых потерь была минимальна и были соблюдены ограничения по тепловой стойкости материалов.
Рисунок 1 - Структура огнеупорной стенки
Огнеупорными называют неметаллические материалы, предназначенные для использования в условиях высоких температур в тепловых агрегатах и имеющие огнеупорность не ниже 1580°С. Огнеупоры выполняют функцию удержания теплоты в ограниченном объеме рабочего пространства печи, в связи с чем они должны обладать низкой теплопроводностью и высокой устойчивостью к действию высоких температур. Многообразие условий службы обусловило необходимостью создания большого ассортимента огнеупоров с различными свойствами.
По химико-минералогическому составу выделяют основные группы огнеупоров:
•Кислые (кварцевые, динасовые)
•Алюмосиликатные (шамотные, муллитокремнеземистые, муллитовые, муллитокорундовые)
•Глиноземистые (корундовые)
•Основные (магнезитовые, доломитовые, хромомагнезитовые, магнезитохромитовые)
•Углеродистые (угольные, графитированные, углеродсодержащие)
•Карбидкремниевые (карборундовые) и др.
Огнеупорные изделия в зависимости от способа изготовления подразделяют на:
•бетонные, состоящие из огнеупорного заполнителя, связки (гидратационной или химической) и добавок, приобретающие заданные свойства в результате твердения при нормальной температуре или при нагреве не выше 600 °С (бетонные блоки);
•безобжиговые, приобретающие заданные свойства при сушке или коксовании до температур не выше 600 °С;
•обожженные, подвергнутые спеканию в процессе обжига;
•горячепрессованные, подвергнутые спеканию в процессе прессования;
•плавленолитные, затвердевшие из расплава.
Большинство огнеупорных изделий выпускают в виде прямоугольного параллелепипеда массой в несколько килограммов и с размерами: прямые 230*(114; 115)*(65;75); клиновые 230*(114;115)*(65*55; 65*45; 75*55) мм. Эти изделия весьма универсальны, они удобны при выполнении кладки различной конфигурации. Однако кирпичная кладка - ручная и тяжелая работа, требующая высокой квалификации каменщика и длительного времени. Поэтому целесообразно заменять ручную кладку на монтаж футеровки из крупных огнеупорных блоков и на футеровку бетонными набивными или формованными массами в виде модулей или наносимых методом торкретирования.
Для снижения тепловых потерь используются теплоизоляционные материалы, т.е. материалы с низкой теплопроводностью. Эти материалы подразделяют на естественные теплоизоляционные материалы и искусственные легковесные огнеупоры. Применяются следующие теплоизоляционные материалы:
•Диатомит и трепел в виде порошка
•Вермикулитовые плиты
•Асбестовая крошка для засыпок
•Асбестовый картон, шнур, ткань
•Огнеупорные легковесы (шамот-легковес, динас-легковес и т.п.)
При проектировании печи производится расчет тепловых потерь через стенки и свод печи. Результаты расчета тепловых потерь являются входными параметрами расчета теплового баланса.
Задача расчета потерь теплоты через плоскую многослойную стенку состоит в следующем. Для каждого слоя известны толщина и функция зависимости коэффициента теплопроводности материала от температуры. Также известны температура окружающей среды, степень черноты внешней поверхности, температура в рабочем пространстве печи, коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности стенки к печным газам и общая площадь поверхности стенки. Требуется построить температурное поле в стенке и найти величину тепловых потерь в единицу времени.
