Как найти температуру стенки печи



В статье рассмотрен вопрос нагрева однослойной и двухслойной стенки бытовой печи, которая может быть выполнена из красного керамического и из шамотного кирпичей различной толщины. Расчет температур на кирпичах проведен для установившегося теплового режима. Анализ полученных результатов показал, что изменение температур на поверхностях кирпичей происходит практически по линейному закону с приведенной погрешностью не более 5,0 % для однослойной стенки и не более 2,0 % для двухслойной стенки. Построены графики и получены математические выражения для расчета температур для различных случаев применения кирпичей. Построен итоговый сравнительный график распределения температур на кирпичах стенки. Даны рекомендации по применению кирпичей в топке печи.

Ключевые слова: нагрев кирпичей в бытовой печи, тепловой режим, потери тепла, однослойная и многослойная стенка.

1. Постановка задачи.

Существует два режима передачи тепла из печи через стенки наружу: установившийся тепловой режим и неустановившийся тепловой режим. Установившийся режим характерен для стационарных промышленных печей и для котельных установок. В бытовых печах, в которых паузы между топками печи обычно составляют 12 часов и более, а сама печь топится примерно 1,0–1,5 часа, режим может быть или чисто неустановившимся для не теплоемких и мало теплоемких печей или какой-то промежуточный для теплоемких печей. Надо отметить, что банные печи при прогреве парилки топятся 4–6 часов, и там тепловой режим печи приближается к установившемуся. Рассмотрение установившегося теплового режима позволит оценить и сравнить между собой тепловые свойства различных типов кирпичей и определить их возможность применения в печи.

В таблице 1 приведены характеристики различных типов кирпичей, применяемых при строительстве бытовых печей.

Таблица 1

Характеристики кирпичей для бытовой печи

Из таблицы 1 видно, что шамотный кирпич рассчитан на более высокие температуры, чем красный кирпич. При нагреве кирпичей теплопроводность легкого шамота ШЛ-1,3 примерно равна теплопроводности красного кирпича и почти в два раза ниже обычного шамотного кирпича. Клинкерный кирпич, у которого высокая теплопроводность, не желательно применять для дымовых труб. Т. к. это приводит к увеличению потерь тепла через трубу, что снижает температуру газов на выходе из трубы и может привести к образованию конденсата.

1. Установившийся режим.

При установившемся режиме количество тепла, передаваемого от внутреннего пространства печи (нагретых продуктов сгорания) через стенку печи к окружающему воздуху и окружающим предметам одно и то же. Для этого случая можно записать:

q = (1)

гдеq = — плотность теплового потока (количество тепла, протекающего в 1,0 час через 1,0 м² стены) () (2);

Q — передаваемое тепло (ккал);

— площадь, через которую передается тепло (

— время, за которое передается тепло (час);

— температура продуктов сгорания и наружного воздуха (ºС);

и — температура внутренней и внешней поверхностей печи (ºС);

суммарные коэффициенты теплоотдачи от греющих продуктов сгорания к внутренней стенке печи и от наружной стенки печи к нагреваемой среде ();

+ (3);

+ (4);

где коэффициенты теплоотдачи конвекцией и лучеиспусканием;

толщина стенки печи (м);

материала стенки ();

q = k*((5)

где k = — коэффициент теплопрохождения () (6)

В формуле коэффициента теплопрохождения через стену (6) знаменатель представляет собой сумму коэффициентов сопротивления при прохождения тепла через данную стенку, состоящую из трех величин:

1. Коэффициент сопротивления при переходе тепла от горячей среды к внутренней поверхности стенки:

(7)

1. Коэффициент сопротивления при переходе тепла через самую стенку:

(8)

1. Коэффициент сопротивления при переходе тепла от наружной поверхности стенки к окружающей среде:

(9)

Приведенные выше коэффициенты сопротивления при переходе тепла от одной среды к другой называют также тепловым сопротивлением [2].

Обозначение этих величин, как тепловое сопротивление данных участков, более логично и правильно. Поэтому обозначим как:

= — () внутреннее тепловое сопротивление (10);

= — () — тепловое сопротивление стенки (11):

= — () наружное тепловое сопротивление (12);

Тогда суммарное сопротивление будет равно:

=(13)

В случае многослойной стенки тепловое сопротивление будет состоять из нескольких тепловых сопротивлений для каждого слоя:

= (14)

Тогда выражение (5) можно записать:

q = k*( = (15)

Данное выражение (15) логически соответствует закону Ома для электрических цепей. Где плотность теплового потока q — эквивалентна электрическому току, а перепад температур — эквивалентен напряжению.

Температуры внутренней поверхности стены печи и наружной можно записать [2]:

= = (16);

= (17).

Перепад температур на каждом тепловом участке можно записать как:

∆= (18)

∆= (19)

∆= (20)

Для многослойной стенки:

=

= (21)

=(22)

= = (23)

На рисунке 1 приведена картина распределения температур для многослойной стенки бытовой печи с воздушной прослойкой между кирпичами.

Рис. 1. Многослойная стенка с воздушной прослойкой

Для определения температур на поверхностях стенки печи с шамотным и красным кирпичом в установившимся режиме определим значения суммарных внутренних и внешних коэффициентов теплоотдачи.

3. Теплоотдача плоской наружной поверхности.

Для данного участка из выражения (17) можно записать:

q =

При этом: +

3.1. Коэффициент теплоотдачи конвекцией ().

Для плоских поверхностей при естественной циркуляции воздуха значения коэффициентов конвекции можно взять из [2 табл.2]. Ниже приведена данная таблица.

Таблица 2

Коэффициенты конвекции для плоских поверхностей при естественной циркуляции воздуха

Из таблицы 2 видно, что для горизонтальной поверхности, обращенной вниз, теплоотдача на 10 % ниже, а для поверхности, обращенной вверх, на 10 % больше, чем для вертикальной поверхности.

3.2. Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием ().

(Теплоизлучение поверхностью)

Наружная теплоотдача стенки печи лучеиспусканием осуществляется согласно закону Стефана-Больцмана:

= [ — (24),

где — количество тепла, излученного или поглощенного телом в 1 час (ккал);

поверхность тела (м²);

абсолютная температураповерхности тела (ºК);

абсолютная температураокружающих предметов(ºК);

константа лучеиспускания.

В [2 табл. 4] приведены значения константы лучеиспускания, применяемых в печных расчетах:

Таблица 3

Константа лучеиспускания

При расчетах теплопотерь печами через лучеиспускание можно принять среднюю константу для внешних поверхностей печей

Из выражения (24) плотность теплового потока при лучеиспускании будет иметь вид:

q = = [ — (25)

Тогда из выражения (1) и (25) коэффициент лучеиспускания согласно закону Стефана-Больцмана будет иметь вид :

=(26)

В таблице 4 приведены расчетные коэффициенты лучеиспускания для внешних поверхностей печей с разной температурой при температуре наружных предметов 0 ºС и =4,0 из .

Таблица 4

Расчетные коэффициенты лучеиспускания свободными поверхностями при = 4,0

3.3 Суммарный коэффициент теплоотдачи плоской наружной поверхности (

На рисунке 2 приведен график изменения коэффициентов конвекции и лучеиспускания для плоской поверхности в зависимости от температуры поверхности, построенные по данным таблицы 2 и 4.

Рис. 2. Изменение коэффициентов конвекции и лучеиспускания для плоской поверхности от температуры

Из рисунка видно, что при температуре поверхности печи больше 150 ºС теплоотдача лучеиспусканием начинает превышать теплоотдачу конвекцией.

На рисунке 3 показано изменение суммарного коэффициента теплоотдачи в зависимости от температуры поверхности.

Рис. 3. Изменение суммарного коэффициента теплоотдачи плоской поверхности от температуры поверхности

Из графиков рисунка 3 видно, что с достаточной точностью можно вести расчеты теплоотдачи поверхностей печи, принимая их все как вертикальные.

На рисунке 4 приведены значения теплоотдачи печи для площади поверхности 1 м² в течении 1,0 часа, полученные согласно выражения (17).

q = ( (),

где температура наружной стенки печи (ºС);

– температура наружного воздуха (ºС);

Рис. 4. Теплоотдача плоской поверхности

4. Теплопередача от продуктов сгорания квнутренней стенке печи.

Для данного участка тепло передается согласно выражения (16)

q =

При этом: +

4.1. Коэффициент теплоотдачи конвекцией ().

Для случая принудительного движения воздуха или дыма вдоль плоских поверхностей в [2] приведены значения коэффициентов конвекции.

Таблица 5

Коэффициенты конвекции для движения воздуха или дыма при искусственном побуждении вдоль плоских поверхностей.

Из таблицы видно, что коэффициент конвекции значительно возрастает с ростом скорости движения газов. Реальные скорости движения горячих газов в бытовой печи, приведенные к температуре 0 ºС, не велики. В топке примерно 0,1 м/с — 0,5 м/с, в каналах 1,0 м/с — 2,0 м/с.

4.2. Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием ()

Теплоизлучение газов. Разные газы обладают различной интенсивностью лучеиспускания. Воздух и азот практически теплопрозрачны. В печных газах значительной способностью лучеиспускания обладают углекислый газ и пары воды. Аналитические расчеты лучеиспускания газами очень сложны . Но в случае, когда тепло передается через стенку из кирпича, где сопротивление при передаче тепла теплопроводностью в выражении (1) во много раз превосходит сопротивление , то для таких случаев можно воспользоваться значениями средних величин коэффициентов лучеиспускания . Поскольку в данной таблице в толщина слоя продуктов горения дана от 0,1 м до 2,0 м, а в бытовых печах эти значения несколько иные, от 0,06 до 0,5 м, и избыток воздуха чаще всего другой, то на рисунке 5 приведены графики коэффициентов лучеиспускания при горении древесины с влажностью W=20 % для разных избытков воздуха, построенный по значениям .

Рис. 5. Коэффициенты лучеиспускания продуктов горения древесины

4.3. Суммарный коэффициент теплоотдачи от продуктов горения квнутренней поверхности (

Особенностью бытовой печи является то, что внутренние каналы (газоходы) имеют вполне конкретные размеры, определяемые размерами кирпичей. Топка имеет чаще всего внутреннее сечение 0,25*0,25, 0,25*0,375. Реже 0,25*0,5. Каналы имеют внутренние размеры 0,125*0,125, 0,125*0,25, 0,0625*0,25, 0625*0,375. Все размеры в метрах. Соответственно толщина слоя продуктов горения (горячих газов) будет равна: 0,0625, 0,125, 0,25, 0,375, 05 (м). Поэтому на основе графиков рисунок 5 построены графики изменения коэффициентов лучеиспускания для этих сечений в зависимости от температуры продуктов горения для избытка воздуха 100 % (коэффициент избытка воздуха равен два) и графики коэффициентов конвекции при разных скоростях газов, приведенных к 0 ºС.

Рис. 6. Коэффициенты лучеиспускания и конвекции при передаче тепла от продуктов горения к внутренним стенкам печи

Из графиков рисунка 6 видно, что в топке печи, где скорости движения газов небольшие (0,1 м/с — 0,5 м/с) а температуры высокие (900 ºС — 1200 ºС), передача тепла осуществляется преимущественно за счет лучеиспускания газов ( и ) а в каналах, где скорость газов возрастает (1,0 м/с — 2,0 м/с) а температура падает и толщина слоя газа уменьшается, то передача тепла начинает осуществляться преимущественно за счет конвекции.

5. Расчет распределения температур на кирпичах топки бытовой печи вустановившемся режиме.

Наиболее нагреваемым местом в печи является топочное пространство в печи. Поэтому именно для этого случая и будем в первую очередь определять температуры на внутренней и наружной поверхностях стенки печи для различных температур продуктов горения: 1200 ºС, 900 ºС, 600 ºС, 300 ºС.

Рассмотрим наиболее часто применяемый размер топки 25 см на 37,5 см. Скорость газов, приведенная к 0 ºС, в топке составит 0,1 м/с — 0,5 м/с. Поскольку конструктивно стенки топки могут быть выполнены различным способом и из разного кирпича, то рассмотрим наиболее часто применяемые конструкции: однослойные (шамот или красный кирпич толщиной 12 см, шамот или красный кирпич толщиной 6 см) и двухслойные (красный кирпич 12 см + шамотный кирпич 12 см, красный кирпич 12 см + шамотный кирпич 6 см, красный кирпич 6 см + шамотный кирпич 6 см, красный кирпич 6 см + шамотный кирпич 12 см), причем, для двухслойной стенки шамотный кирпич находится внутри в зоне с максимальной температурой. При построении топки из двух слоев кирпичей, между кирпичами необходим воздушный зазор 5,0–10,0 мм, для компенсации расширения внутреннего шамотного слоя при его нагреве. Этот воздушный промежуток оказывает весьма заметное влияние на распределение температур на кирпичах. Поэтому этот случай также будет рассмотрен.

Для скорости газов в диапазоне 0,1 м/с — 0,5 м/с коэффициент теплоотдачи конвекцией из таблицы 5 будет иметь значения:

= 5,68–7,2. Возьмем среднее значение .

Значения коэффициентов лучеиспускания возьмем из графиков рисунок 6 для толщины слоя 0,25 м –0,375 м.

По полученным значениям составим таблицу 6.

Таблица 6

Коэффициенты конвекции, лучеиспускания итеплопроводности

5.1. Однослойная стенка.

5.1.1. Стенка топки из одинарного кирпича 0,12 м.

Величина коэффициентов конвекции и лучеиспускания при передаче тепла от печной стены в окружающее пространство зависит от температуры внешней поверхности печи. Поэтому выбор этих коэффициентов изначально берется ориентировочно, а потом уточняется.

Таблица 7

Однослойная стенка 0,12 м

а. Для температуры =1200 ºС. Для шамота 0,12 м.

Задаем температуру = 300 ºС по графику рис. 3 =23.

Определяем температуру наружной поверхности стенки:

Из выражения (5):

q = k * (=5,59*(1200–0) =6708 ккал.

Из выражения (5) при =0 ᵒС получим:

= = k * *;

Тогда получаем = 292 ᵒС.

Задаем температуру = 296 ᵒС по графику рис. 3 =22,5.

Получаем: = 296,2 ᵒС, что очень точно.

Температуру внутренней поверхности определяем из выражения (16)

);

где — коэффициент теплопрохождения.

Таким же способом подбираем значения других температур и для красного кирпича. Полученные результаты занесены в таблицу 7

5.1.2. Стенка топки из одинарного кирпича 0,06 м.

Аналогичным способом рассчитываются температуры для данного случая. Результаты занесены в таблицу 8.

Таблица 8

Однослойная стенка 0,06 м

Анализ полученных результатов таблицы 7 и 8 показывает, что изменение температур на внутренней и наружной поверхностях кирпичной стенки практически линейно и с приведенной погрешностью не более 5,0 % может быть заменено линейными функциями.

В таблице 9 приведены окончательные результаты.

Таблица 9

Однослойная стенка

По результатам таблиц построены графики температур для однослойной стенки рисунки 7 и 8.

Рис. 7. График температур в топке на однослойной стенке 0,12 м

Рис. 8. График температур в топке на однослойной стенке 0,06 м

Из графиков видно, что при довольно значительной разнице в теплопроводности шамотного и красного кирпичей (60 %) разница температур как на внутренней так и на наружной поверхности кирпичной стенки не превышает 20 %.

5.2. Двухслойная стенка.

При расчете температур для двухслойных стенок воспользуемся данными таблицы 6 и предыдущего раздела.

Для скорости газов в диапазоне 0,1 м/с –0,5 м/с коэффициент теплоотдачи конвекцией из таблицы 5 будет иметь значения:

= 5,68–7,2. Возьмем среднее значение .

Значения коэффициентов лучеиспускания возьмем из графиков рисунок 6 для толщины слоя 0,25 м –0,375 м.

Расчет таблицы 10 проводим по методике, приведенной в предыдущем разделе.

Таблица 10

Двухслойная стенка

Таблица 11

Двухслойная стенка

Анализ полученных результатов таблицы 10 и 11 показывает, что изменение температур на внутренней и наружной поверхностях кирпичной стенки практически линейно и с приведенной погрешностью не более 2,0 % может быть заменено линейными функциями.

В таблице 12 приведены окончательные результаты.

Таблица 12

Двухслойная стенка

По результатам таблиц построены графики температур для различных двухслойных стенок бытовой печи рисунки 9,10,11 и 12.

Рис. 9. График температур двухслойной стенки

Рис. 10. График температур двухслойной стенки

Рис. 11. График температур двухслойной стенки

Рис. 12. График температур двухслойной стенки

5.3. Двухслойная стенка своздушным промежутком.

При расчете температур для двухслойных стенок воспользуемся данными таблицы 6.

Для скорости газов в диапазоне 0,1 м/с –0,5 м/с коэффициент теплоотдачи конвекцией из таблицы 5 будет иметь значения:

= 5,68–7,2. Возьмем среднее значение .

Значения коэффициентов лучеиспускания возьмем из графиков рисунок 6 для толщины слоя 0,25 м –0,375 м.

Расчет таблицы 13 проводим по методике, приведенной в предыдущем разделе.

Таблица 13

Двухслойная стенка своздушным промежутком

Анализ полученных результатов таблицы 13 показывает, что изменение температур на внутренней и наружной поверхности кирпичной стенки практически линейно и с приведенной погрешностью не более 2,0 % может быть заменено линейными функциями.

В таблице 14 приведены окончательные результаты.

Таблица 14

Двухслойная стенка своздушным промежутком

По полученным результатам построены графики рисунок 13 и 14.

Рис. 13. График температур двухслойной стенки с воздушным промежутком

Рис. 14. График температур двухслойной стенки с воздушным промежутком

По полученным результатам данной работы построен итоговый сравнительный график температур для всех рассмотренных случаев стенок в бытовой печи рисунок 15.

Рис. 15. Итоговый сравнительный график температур стенок бытовой печи

Полученный график рис. 15 позволяет рассчитать, сравнить и оценить влияние различных материалов кирпичей и из размеров на распределение температур на их поверхностях в установившимся режиме.

6. Потери тепла через стенку.

Потери тепла через 1 стены печи в час выражаются формулой (1) или (15)

q = (1)

q = k*( = (15)

Количество тепла, теряемого поверхностью данной печи в 1 час:

Q=F*k*кал/час (27)

Где F — поверхность стены на данном участке (м²).

В тех случаях, когда величина внутренней F поверхности не совпадает с величиной наружной поверхности, берется средняя расчетная поверхность [2]:

F=

При значительной разнице между лучше брать:

F=.

Выводы.

1. Изменение температур на поверхностях кирпичей происходит практически по линейному закону с приведенной погрешностью не более 5,0 % для однослойной стенки и приведенной погрешностью не более 2,0 % для двухслойной стенки.
2. С увеличением толщины стенки печи влияние конвекции и лучеиспускания на общую передачу тепла уменьшается.
3. При однослойной стенке, при разнице в теплопроводности красного и шамотного кирпичей примерно в 60 %, разница в температурах на поверхностях не превышает 20 %.
4. При однослойной стенке применение красного керамического кирпича в топке не допустимо, из-за превышения допустимой температуры на внутренней поверхности кирпича.
5. Сопротивление воздушного промежутка между кирпичами величиной 5,0 мм соизмеримо с толщиной шамотного кирпича 0,12 м.
6. Самым большим тепловым сопротивлением в рассмотренных вариантах обладает стенка, состоящая из шамотного кирпича толщиной 0,12 м, воздушного промежутка 0,5 мм и красного кирпича толщиной 0,12 м.
7. Двухслойная стенка с воздушным промежутком обеспечивает допустимые температуры на внутренней поверхности красного кирпича.
8. Увеличение теплового сопротивления стенки, например в двух контурных печах, может привести к слабому нагреву наружной стенки печи.

Литература:

1. ГОСТ 2127–47. Печи отопительные теплоемкие. [Электронный ресурс] — Режим доступа: URL: http://www.artdek.ru/template/txtgost/4.pdf (дата обращения 15.02.2016)
2. Нагорский Д. В. Общая методика расчета печей. Москва 1941г Ленинград.

Некоторые читатели блога интересовались температурой в разных местах печи. Я сделал замеры  своей печи и снял это на видео.

Замеры на видео сделаны примерно через 2 часа после растопки.

Температура углей больше 850 градусов. Точнее не было возможности замерить из-за того, что верхний предел измерений моего пирометра 850 градусов.

Температура наружных поверхностей печи в течении суток колеблется от 45 до 60 градусов.  Наружные стенки канала после выхода из топки нагреваются до 70 градусов.

Наиболее горячие места возле плиты, до 120 градусов, т.к. к нагреву кирпича от дымовых газов присоединяется излучение от варочной плиты.

Также самое горячее место над топочной дверкой. В этом месте я не делал футеровку топки и кирпич там выкрошился, толщина стенки стала меньше.

Плита  и топочная дверка при топке лиственичными и березовыми дровами нагреваются до 600 градусов.

Температура на распушке со стороны коридора не поднимается выше 42 градусов. Со стороны кухни нагрев выше, но это от излучения плиты.  Потолок над плитой нагревается до такой же температуры, как и распушка.

Еще делал замеры футеровки топки сразу после прогорания дров -350-400 градусов. Температура футеровки перед следующей топкой или через 10 часов после предыдущей 80-90 градусов.

У некоторых читателей блога возникли вопросы по брикетам из опилок.

Приобрел их я в сентябре 2011 года по цене 35 руб/мешок на одной из пилорам недалеко от Иркутска. Расфасованы они в мешки из под муки, вес мешка около 30 кг.

В машину зараз вошло 13 мешков. Так брикеты выглядят в мешке.

Вот для сравнения со спичечным коробком

Если загружать через открытую конфорку в плите, то в топку входит 12 кг брикетов. Такое же количество дров, если загружать через топочную дверку у меня входит за 3 закладки. Если сравнивать по длительности горения, то горят немного дольше чем сосновые дрова. Примерно 2,5 часа , а дрова 2 часа.

Вот видео горения брикетов. Розжиг снизу.

Как правильно рассчитать толщину и прочность футеровки печи? И как выполнить ее тепловой расчет? Какие данные следует использовать? Расчет футеровки любой печи базируется на общих положениях теории теплопроводности в разных условиях эксплуатации. Это зависит от теплопроводности материалов а так же допустимых температур на стыке слоев и рассчитывается толщина футеровки. А при ремонте печей обязательно нужно учитывать все результаты проведённых расчетов футеровки печи. Следующий момент неизвестно какая печь должна быть исследована и на какую печь следует проводить расчет футеровки. Из всех расчётов, теплотехнический расчет будет основным для огнеупорных кладок любых типов печей. Прежде чем проводить расчеты Вам следует внимательно ознакомится с документом: ВСН 429-81. “Инструкция по проектированию футеровок промышленных печей из огнеупорных волокнистых материалов”. И только после этого можно приступать к расчетам. В третьем пункте этого документа изложены: “Основные положения расчета элементов футеровок”. Температуры в сечениях элементов футеровок следует рассчитывать как для многослойной плоской стенки. Удельный тепловой поток через футеровку следует определять по формуле: , где g – удельный тепловой поток, Вт/м2; температура внутренней (горячей) поверхности футеровки, К; температура наружного воздуха, К; S Ri – термическое сопротивление теплопередаче многослойной стенки, (м2×К)/Вт; коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности футеровки, Вт/(м2×К); К – количество слоев футеровки. 3.3. Термическое сопротивление слоя футеровки определяют по формуле: , где – толщина слоя, М; теплопроводность (табл. 1) при средней температуре слоя, Вт/(м×К). 3.4. Значение коэффициента для тепловых агрегатов, расположенных в помещениях или на открытом воздухе, но защищенных от ветра, следует определять по формуле: = 8,14 + 0,06×(tСТ – 273), где tСТ – температура наружной поверхности ограждения, К. Для тепловых агрегатов, расположенных на открытом воздухе и не защищенных от воздействия ветра, значение коэффициента следует определять по формуле: , где V – среднегодовая скорость ветра, м/с, определяется по СНиП II-А-6-72. 3.5. Температуру (K+I)-го слоя футеровки следует определять по формуле: . Первая формула: Вторая формула: и последняя после запятой: модератор выбрал этот ответ лучшим Ким Чен Ын [490K] 5 лет назад Топка печи, её внутренние стенки, могут подвергаться разрушению, из-за предельно высоких температур внутри топки. Что бы этого не происходило используется та самая футеровка (обкладывают внутренние стены шамотным кирпичом, или огнеупорными растворами, если проще). Расчёты сложны, с применением множества формул, графиков, уровненный, футеровка может быть однослойной, может состоять из нескольких слоёв. Но в начале определитесь с материалом, что это будет, шамонтный кирпич, или растворы. Далее определяемся с толщиной футеровки, тут важно знать (рассчитать) потери тепла через футеровку с учётом температуры наружных стенок печи и температуры окружающей среды плюс толщина кладки стенок печи. Потери тепла определяются по специальным графикам, а общее термическое сопротивление слоя футеровки, можно найти вот по этому уравнению. Зная сумму, можно определиться с термическим сопротивлением слоя футеровки, вот по этой формуле. Далее вот по этой формуле рассчитывается толщина слоя футеровки. Marid­ea [10.8K] 8 лет назад Футеровка печи – это защитная облицовка, которая предохраняет стены и своды промышленных печей от воздействия высоких температур. Тепловой расчет футеровки печи производится для того, чтобы определить, выдержит ли данный материал возможные тепловые нагрузки. Основные расчеты базируются на теплопроводности материалов футеровки в условиях эксплуатации. Норматив для температуры стенок печей подобного типа – 60-80 градусов по цельсию. Обычно футеровка состоит из таких материалов: Как видим на рисунке, стена печи, покрытая металлом (обечайкой) при правильных расчетах, как раз имеет температуру 60 градусов Цельсия. Как рассчитать данную температуру? Для этого используются специальные уравнения теплопроводности для каждого слоя футеровки. Примеры расчета: Q = λ · (t1 – t2)/δ, где λ – коэффициент теплопроводности при средней температуре слоя огнеупора, Вт/(м·°К), t1 , t2 – температура поверхности с одной и другой стороны слоя, °С, δ – толщина слоя материала, м. И для всей футеровки в целом: Q = (T1 – T2)/( δi /λi), где T1 – температура внутренней стенки огнеупорного материала в печи, может быть приравнена температуре внутри печи, в данном случае 1300°С, T2 – температура наружной поверхности обечайки (стенки) печи, в данном случае нам пока неизвестна, °С, i – номер слоя футеровки в печи, в нашем случае мы имеем 8 слоев. К этим 9 уравнениям следует добавить еще одно – уравнение теплоотдачи: Q = α·(T2 – T0), где T0 – температура окружающей среды, в нашем случае 10°С, α – коэффициент теплоотдачи, который для закрытых помещений рассчитывается по уравнению: α = 9,74 +0,07·(T2 – T0). Таким образом, мы имеем уравнения, позволяющие рассчитать тепловой поток (тепловые потери) и все температуры внутри слоя теплоизоляции и температуру наружной стенки печи. Непосредственно сам расчет по этим формулам можно произвести в таблице exel. Таким образом, мы рассчитаем необходимую толщину материала для каждого слоя футеровки. Знаете ответ?

Температура – наружная поверхность – печь

Cтраница 1

Температура наружной поверхности печей не должна превышать значения: t t 20, где / в – температура воздуха в цехе, где установлена печь.
 [1]

Зная температуру наружной поверхности печи, определяем ее теплоотдачу в помещение Q.
 [2]

Согласно санитарным нормам температура наружных поверхностей печей и покрытий не должна превышать 45 С; температура оболочек теплоизоляции трубопроводов и резервуаров 35 С.
 [3]

Задаются ориентировочно значением температуры наружной поверхности печи, внутренней поверхности экрана, температурой и скоростью воздуха в воздушной прослойке.
 [4]

Весьма существенное значение имеет температура наружной поверхности печей, которая, естественно, в различных частях различна. Следует иметь в виду, что при температуре 70 начинается интенсивное пригорание ( сухая перегонка) оседающей на поверхности органической пыли, а при температуре более 80 возможен ожог тела при соприкосновении со стенкой.
 [5]

Кроме того, снижается температура наружной поверхности печей и повышается срок службы нагревателей. В настоящее время запирающие камеры поставляются кабельным заводам в комплекте с эмаль-печами.
 [7]

Коэфициент теплоотдачи а зависит от температуры наружной поверхности печи, а также от скорости движения комнатного воздуха, омывающего эту поверхность.
 [8]

Печи должны иметь хорошую тепловую изоляцию; температура наружной поверхности печи сопротивления должна быть не более 45 С.
 [9]

Печь отжига тарелочек должна иметь тепловую изоляцию, обеспечивающую температуру наружной поверхности печи не выше 45 С.
 [10]

Если баланс не сошелся, то значит, что температура наружной поверхности печи принята неправильно. В таком случае задаются другой температурой t3, повторяют весь расчет снова и затем строят график зависимости q от / з, по которому довольно точно определяется температура поверхности печи, а затем находится тепловыделение от печи.
 [11]

Если баланс не сошелся, то значит, что температура наружной поверхности печи принята неправильно. В таком случае задаются другой температурой t3, повторяют весь расчет снова и затем строят график зависимости q от tz, по которому довольно точно определяется температура поверхности печи, а затем находится тепловыделение от печи.
 [12]

Если баланс не сошелся, то з начит, что температура наружной поверхности печи принята неправильно. В таком случае задаются другой температурой 4, повторяют весь расчет снова и затем строят график зависимости q от t, из которого довольно точно определяются температура поверхности и тепловыделения от печи.
 [13]

Нагревательные печи должны иметь тепловую изоляцию стен, обеспечивающую разность температур наружных поверхностей печи и воздуха помещения не выше 30 – 40 С.
 [14]

Страницы:  

   1

   2

Тепловой
расчет печи заключается в составлении
теплового баланса, который включает
только статьи расхода энергии. Единственная
статья прихода – это тепло, выделяемое
нагревателями, т.е. их установленная
мощность, что и является целью расчета
теплового баланса лабораторной печи.
В лабораторных печах нагреваются
металлические тела очень малой массы,
иногда единичные образцы, и величина
полезной энергии, затраченной на нагрев
металла, часто не имеет существенного
значения и составляет менее 10 % от общего
расхода тепла, поэтому лабораторные
печи имеют очень низкий коэффициент
полезного действия (КПД).

В
общем случае статьями расхода энергии
являются:

• полезная
  энергия, затраченная на нагрев образцов;

• энергия,
  необходимая для нагрева вспомогательных
  устройств – тары;

• потери
  теплопроводностью через футеровку
  печи в окружающую среду;

• потери
  излучением через отверстия в футеровке;

• затраты
  энергии на нагрев воздуха, циркулирующего
  в рабочем пространстве конвективной
  печи, или на нагрев нагнетаемой в печь
  защитной атмосферы;

• затраты
  теплоты на аккумуляцию футеровкой и
  конструкциями печи как при разогреве
  печи от холодного состояния, так и при
  частичном остывании печи при достаточно
  долго открытой дверце или отключенных
  нагревателях.

Для
лабораторных печей наиболее важным
является определение тепловых потерь
через футеровку, затраты теплоты на
короткие замыкания и аккумуляции тепла
футеровкой печи, а также потери излучением
через окно. Последнее связано с тем, что
в лабораторных печах производят
термообработку очень мелких изделий,
для которых время нагрева и выдержки
обычно составляет несколько минут,
поэтому приходится часто открывать
дверцу печи, в
результате чего печь теряет тепло
излучением через окно.

Из-за
очень малой массы образцов и малого их
количества остается неиспользованное
пространство в камере печи, что приводит
к увеличению тепловых потерь. Уменьшать
размеры рабочего пространства не всегда
возможно, так как для размещения
нагрева­телей требуется определенная
минимальная площадь стенок камеры печи.

Затраты
полезного тепла на нагрев металла:

(2.1)

Потери
тепла на нагрев тары:

(2.2)

Потери
теплопроводностью через футеровку печи

Исходными
данными для расчета тепловых потерь
через футеровку печи являются:

–
конструктивный эскиз футеровки с
основными размерами;

–
данные о коэффициентах теплопроводности
используемых огнеупорных и теплоизоляционных
материалов;

–
значение коэффициента теплоотдачи с
внешней поверхности стенки в окружающую
среду.

Тепловые
потери теплопроводностью через плоскую
многослойную стенку при стационарном
режиме работы печи могут быть определены
по формуле (при температуре окружающей
среды t_окр
= 20 °С):

(2.3)

Начальный
выбор температур границ раздела слоев
стенки и наружной поверхности печи
производится следующим образом:

1)
принимаем температуру на границе между
первым и вторым слоями футеровки печи
t_1,2
= (0,8…0,9)t_п.
Если имеется третий слой, температуру
на границе между вторым и третьим слоем
t_2,3
принимают равной (0,5…0,6)t_п.

2)
температуру наружной поверхности печи
t_нар
для начала принимаем равной 50 °С;

3)
температуру окружающей среды t_окр
здесь и далее принимаем равной 20 °С.

На
основании принятых температур находят
среднюю температуру каждого слоя

.
Выбрав материал каждого слоя, находят
средний коэффициент теплопроводности

для этой температуры. Затем для плоских
стенок определяют среднюю поверхность
каждого слоя.

Расчетная
поверхность отдельного слоя стенки
определяется как среднегеометрическая
из значений внутренней и внешней
поверхности слоя:

(2.4)

Далее
производят проверку ранее принятых
температур границ раздела и наружной
стенки печи по формулам:

(2.5)

(2.6)

(2.7)

Если
полученные при проверке температуры
отличаются от принятых более, чем на 10
°С, то необходимо повторить расчет,
приняв полученные при проверке температуры
за исходные и пересчитав, соответственно,
_i.
Если рассчитанная температура наружной
поверхности t_нар
получилась больше 100 °С, то необходимо
либо увеличить толщину теплоизоляции,
либо принять другой материал с меньшей
теплопроводностью.

Тепловые
потери через цилиндрическую стенку
можно с достаточной для практики
точностью рассчитать по формуле для
плоской стенки, но при отношении внешнего
диаметра печи к внутреннему более двух
тепловые потери рассчитывают по формуле
для цилиндрической стенки:

(2.8)

где
R_i+1
– наружный радиус i-го слоя; R_i
– внутренний радиус i-го слоя.

В
этом случае расчет температур границ
раздела и наружной стенки производится
по формулам:

(2.9)

(2.10)

(2.11)

Потери
теплоты излучением через окна и другие
отверстия в футеровке

Тепловые
потери излучением зависят от формы окна
или отверстия, которые могут быть
круглого и прямоугольного сечения,
температуры в печи, глубины окна (толщины
футеровки стенки, в которой расположено
окно) и относительного времени открывания
окна Δ.

Расчет
потерь теплоты излучением в окружающую
среду производится по формуле:

(2.12)

Относительное
время открытия окна 
определяется по формуле:

 =
_откр/_цикл,
(2.13)

где
_откр
– суммарное время, в течение которого
окно открыто при загрузке и выгрузке;
_цикл
– суммарное время продолжительности
данной технологической операции, включая
нагрев, выдержку, охлаждение с печью,
время загрузки и выгрузки.

Передача тепла
через зеркало ванны в окружающее
пространство происходит лучеиспусканием
и потери тепла могут быть определены
по формуле:

Q_ИЗЛ
= С F_ИЗЛ

_
^

_
^
,
(2.14)

где
С = 4,6 Вт/ (м²·)

коэффициент лучеиспускания расплавленной
соли; F_ИЗЛ

поверхность зеркала ванны, м²;


коэффициент диафрагмирования; _

температура соли, ;
_

температура окружающей среды, .

Потери
через тепловые короткие замыкания.

В
практических расчетах электропечей их
принимают обычно равными 25…100 % от потерь
теплоты через стенки. Для лабораторных
печей эта величина составляет 25…50 % от
потерь через футеровку печи.

N_ткз
= (0,25…0,50)∙N_cт

(2.15)

Исключения
составляют печи с экранной изоляцией,
для которых эта величина будет
(0,75…1,0)∙N_ст.

Аккумуляция
теплоты футеровкой печи.

Определение
теплоты аккумуляцией печи необходимо
при составлении теплового баланса печи
периодического действия, а также для
расчета времени разогрева печи τ_рп
до технологической температуры.

,
(2.16)

где
m_i —
масса i-го слоя футеровки,

– прирост теплосодержания i-го слоя.

τ_pn
принимают условно (для печей с классической
футеровкой в зависимости от заданной
температуры нагрева τ_pn
принимают
от 1 до 4 часов) и уточняют после
окончательного расчета теплового
баланса.

Затраты
на нагрев контролируемой атмосферы.

(2.17)

Расход
контролируемой атмосферы P_КА
принимают по справочным
данным, обычно он составляет не более
0,3…1 дм³/с.
Начальная и конечная теплоемкость
находится по составу применяемой
атмосферы.

Неучтенные
потери

Неучтенные
потери составляют 10…20 % от суммарных
тепловых потерь холостого хода N_х.х.

N_неуч
= (0,1…0,2)N_х.х.
(2.18)

Под
потерями холостого хода понимаются те
потери, которые имеет пустая печь с
закрытой дверцей, прогретая до заданной
температуры.

N_х.х.
= N_ст
+ N_т.к.з.+
N_КА
(2.19)

На
основе полученных данных составляется
таблица теплового баланса печи, в которую
внесены два режима: рабочий режим и
режим разогрева печи.

Таблица
2.1 Тепловой баланс лабораторной печи
при полунепрерывном режиме работы

Статьи расхода	Разогрев печи	Рабочий режим
тепла	Вт	%	Вт	%
Nм	–	–	+	+
Nт	–	–	+	+
Nст.	+	+	+	+
Nткз	+	+	+	+
Nакк	+	+	–	–
Nлуч	–	–	+	+
NКА	+	+	+	+
Nнеуч	+	+	+	+
Nрасч	+	+	+	+

С
помощью мощности, рассчитанной при
рабочем режиме, можно проверить время
разогрева печи, выбранное ранее условно:

(2.20)

По
максимальному значению N_pacч
одного из периодов работы печи (обычно
это стадия разогрева печи) определяем
установленную мощность печи по формуле:

N_уст
= k ∙N_paсч
(2.21)

где
k – коэффициент запаса, k = 1,25…1,40 .

Избыток
установленной мощности, который
учитывается в виде коэффициента k,
необходим по следующим причинам:

1)
вследствие колебания напряжения сети
в пределах ±10 %;

2)
из-за старения нагревательных элементов;

3)
в целях компенсации возможных ошибок,
возникающих при проведении тепловых
расчетов;

4) для создания
повышенного теплового потока от
нагревательных элементов к изделиям
во время первого периода нагрева.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #