1.7 Составление уравнения теплового баланса и определение расхода топлива.

Тепловой баланс газовой печи.

Тепло сжигаемое в печи не полностью расходуется на нагрев металла, а так же идёт на разогрев кладки, теряется с уходящими газами через открытые окна печи, и через кладку. Поэтому затраты топлива возрастают с ростом потерь тепла. С целью определения расхода топлива составляется уравнение теплового баланса. Тепловой баланс основан на законе сохранения энергии. Сумма тепла, введённого в печь, равна сумме расхода тепла.

n n

Σ q i прих =Σ q i расх (13)

i=1 i=1

где Q_iприх – статьи прихода i = 1…n, Q_iрасх – статьи расхода тепла i = 1…m.

Рассмотрим тепловой баланс камерной газовой печи.

Приходная часть.

Σ Q _iприх =Q_T + Q_ф.г.+ Q_ф.в. + Q_экз. , (14)

i =1

Q_T- тепло выделяемое, при сжигании топлива. [кДж]; Q_ф.г. - физическое тепло, принимаемое с подогретым топливом. [кДж]; Q_в - физическое тепло, принимаемое с подогретым воздухом. [кДж]; Q_экз.- тепло экзотермических реакций окисления металла. [кДж]

1. Q_T = В • Q_H ,

где Qh-теплота сгорания единицы топлива [кДж/м³]; В – количество топлива, израсходованного за час [м³/ч]

2.Q_ф.г.= В • Cr • tr,

где Cr - средняя теплоёмкость топлива в интервале температур от t₀ до t_{горения} [кДж/ м³/*С°]; t_r-температура газа, °С Температура горения зависит от состава газа, и наличия высших углеводородов. Температуру горения понижают негорючие составляющие, такие как N₂ и пары воды.

3. Q_в= • Cв • tв •λв • Vв,

где Св - средняя теплоёмкость воздуха в интервале температур от t₀ до t_{под.возд} [кДж/ м³/*С°] λв - коэффициент расхода воздуха. λв = 1 при нормальном давлении, применяется в большинстве камерных печей. λв < 1, горение топлива с недостатком кислорода, применяется для двухзонных печей, когда в предварительной первой камере газ сжигается не полностью, с целью создания защитной атмосферы. λв > 0 - сжигание газа с избытком кислорода, применяется в печах термообработки и для крупных кузнечных печей, где на последней стадии горения нагрева требуется полное сгорание топлива. Vв - количество воздуха, теоретически необходимого для сжигания единицы топлива.

4. Q_экз.= φ •ρ •Δq _,

где φ - количество теплоты, выделяемое при окислении 1кг металла. (Для железа ср = 5652 кДж) р - производительность печи Δq - угар металла (при нагреве стальных заготовок в пламенных печах Δq = 0,01^-0,03)

Расходная часть.

Σ q _iрасх = Q_м + Q_ух.+ Q_кл + Q_хн+ Q_ак + Q_пр., (15)

где Q_м - тепло, идущее на нагрев заготовки; Q_ух.. - потери тепла с уходящими газами (дым); Q_кл. - потери тепла через кладку; Q_хн. - потери тепла от химического недожога топлива; Qак. - потери тепла связанные с разогревом кладки; Q_пр.- прочие потери.

1. Q_M =М(С^к_м• t^к_M - С^н_м •t^H_M) = M(i_K -i_K ),

где М - количество металла нагреваемого в единицу времени; С^к_м и С^н_м - средняя конечная и начальная теплоёмкость металла [кДж/кг*С°]; t^к_M и t^H_M - начальная и конечная температура металла; i_n и i_K - начальная и конечная энтальпия для данного материала.

2. Q_yx=B•C_yx•t_yx •V_{yx ,}

где C_yx - средняя теплоёмкость топлива в интервале температур от t₀ до t_газов [кДж/кг*С°]; V_yx - объём продуктов горения единицы топлива; t_yx - температура газа, уходящего из печи tyx ⁼ t_печи + 70° '

3. Q_кл=α_кл(t_кл-t_в) F_{кл ,}

где a_кл - коэффициент теплоотдачи кладки; t_кл - температура наружной стенки или температура среднего слоя, °С; t_в - температура окружающей среды , °С; F_кл –площадь поверхности, отдающей тепло, м²

4.Q_хн = (0,01-0,03) Q_ух

5.Q_ак=V_кл• ρ_кл . •C_кл•(t^к_кл-t^к_кл),



где C_кл - теплоёмкость кладки [кДж/кг*С°]; V_кл- объем кладки (t^к_кл-t^к_кл ) конечная и начальная температура кладки;  - продолжительность разогрева кладки

6. Q_пр= (0,05-0,1) • Q_м

Определение расхода топлива

После определения всех статей прихода и расхода тепла, уравнение теплового баланса решается относительно В и тем самым определяется расход топлива. [кг,м³/час]_.