Электротермические процессы и установки. Учебное пособие по теоретическому курсу. Учебное пособие по теоретическому курсу Под ред. В. Н. Тимофеева, Е. А. Головенко, Е. В
 Скачать 7.73 Mb.
|
|
Пример. Печь Н-60 работает на нагреве стальных изделий под закалку. Температура нагрева 820ºС, теоретический расход энергии при этой температуре В=0,156кВт·ч/кг, мощность печи 60 кВт, ее потери холостого хода 13 кВт. 68 209 , 0 244 60 85 , 0 ; 244 156 , 0 13 60 85 , 0 кг ч кВт А ч кг g мин макс ⋅ = ⋅ = = − ⋅ = Мощность печей в эксплуатации часто оказывается меньше номинальной либо вследствие понижения напряжения в питающей сети, либо из-за старения нагревательных элементов. Показатели работы печей в этом случае резко ухудшаются. Так, при снижении напряжения сети на 10% мощность печи Н-60 снизится на 19%, до 60·0,81= 48,5 кВт, поэтому ее максимальная часовая производительность упадет до , 181 156 , 0 13 5 , 48 85 , 0 ч кг = − ⋅ а минимальный удельный расход энергии возрастет до 229 , 0 181 5 , 48 85 , 0 кг ч кВт ⋅ = ⋅ Поэтому причины снижения мощности печи необходимо устранять, в первом случае, приняв меры к повышению подаваемого к печи напряжения до номинального значения (переключением отводов питающего трансформатора или усилением сети), во втором случае, заменив нагреватели на новые, даже если они и не перегорели. Выражения (1.1) и (1.2) относятся к печам, работающим непрерывно, круглосуточно. Если же печь работает в две или одну смену в сутки, то в эти выражения следует внести коррективы. При этом следует рассмотреть три варианта работы печи. При первом варианте печь отключается на все время простоя, следовательно, при двухсменной работе она будет включена на 16 ч, а 8 ч будет остывать, при односменной работе она будет под током 8 ч, а 16 ч будет отключена. В обоих этих случаях необходимо, очевидно, за время работы скомпенсировать то количество тепла, которое было потеряно за время простоя. Исследование ряда кривых остывания садочных печей показало, что при мощности тепловых потерь в 25 % номинальной мощности печь через 8 ч остывает в среднем до 78% своей номинальной температуры, через 16 ч – до 62%. Считаем, что количество отдаваемого остывающей печью тепла пропорционально ее температуре, получаем, что в данном случае средняя мощность тепловых потерь за 8 ч простоя составляет 89% их 69 номинального значения, а за 16 ч – 81%. Отсюда полезная энергия, отдаваемая изделиям при двухсменной работе, будет равна (0,85Р печи – Р пот )16 – 0,89Р пот ·8, а максимальная часовая производительность В Р Р В Р Р Р g пот печи пот пот печи макс 44 , 1 85 , 0 16 8 89 , 0 16 ) 85 , 0 ( − = ⋅ − − = (1.3) и при односменной работе будем иметь аналогично 6 , 2 85 , 0 8 16 81 , 0 8 ) 85 , 0 ( В Р Р В Р Р Р g пот печи пот пот печи макс − = ⋅ − − = (1.4) Минимальный удельный расход энергии по-прежнему может быть определен из выражения 85 , 0 макс печи мин g Р А = В большинстве случаев, особенно при односменной работе, печь включается до начала смены с тем, чтобы к началу последней была достигнута рабочая температура. Можно принять, что при таком предварительном разогреве восстанавливается 75% тепла, потерянного печью в период остывания, а остальные 25% - в период ее работы. При этом максимальная часовая производительность печи будет равна при двухсменной работе В Р Р g пот печи 11 , 1 85 , 0 − = (5) и при односменной работе 4 , 1 85 , 0 В Р Р g пот печи − = (6) Удельный расход энергии при этом определяется тем количеством энергии, которое будет израсходовано как за период работы печи, так и за период ее разогрева. Для двухсменной работы он будет равен: макс пот печи макс пот печи мин g Р Р g Р Р А 33 , 0 85 , 0 16 8 75 , 0 89 , 0 85 , 0 6 + = ⋅ ⋅ + ⋅ = (7) 70 а для односменной работы 2 , 1 85 , 0 8 16 75 , 0 81 , 0 85 , 0 8 макс пот печи макс пот печи мин g Р Р g Р Р А + = ⋅ ⋅ + ⋅ = (8) При третьем варианте печь вообще не отключается в период простоя между сменами. В этом случае часовая производительность печи (отнесенная к ее часам работы) останется такой же, как и при круглосуточной работе, а удельный расход энергии будет равен при двухсменной работе макс пот печи мин g Р Р А 5 , 0 85 , 0 + = (9) и при односменной работе 2 85 , 0 макс пот печи мин g Р Р А + = (10) В табл. 1.10 даны показатели работы печи Н – 60 при нагреве стальных изделий до температуры 820ºС при различных режимах работы (в скобках даны значения в процентах соответствующих значений при круглосуточной работе). Из табл. 1.10 видно, что первый вариант неприемлем, так как он дает наивысший удельный расход энергии. Что же касается второго и третьего вариантов, то они равноценны по расходу электроэнергии, но третий вариант дает несколько большую часовую производительность печи. Одновременно таблица наглядно показывает, насколько простои ухудшают показатели работы печей. Совершенно очевидно, что печь должна работать круглосуточно, ибо простои ее связаны с большими потерями энергии. Поэтому недопустимо пользоваться электропечами для регулирования нагрузки предприятия, так как такое регулирование, снижая пик нагрузки в период максимума, в конечном счете приводит к значительному перерасходу электроэнергии. Также необходимо тщательно подготавливаться к операциям загрузки и выгрузки печей, с тем, чтобы свести их длительность до минимума, и своевременно проводить предупредительный ремонт нагревателей, футеровки и механизмов печей во избежание аварийных простоев. 71 Таблица 1.10 Энергетические показатели печи Н – 60 при различных режимах работы Режим работы Двухсменная работа Односменная работа Максимальн ая часовая производите льность, кг/ч Минималь ный удельный расход энергии, кВт·ч/кг Максимальн ая часовая производите льность, кг/ч Минималь ный удельный расход энергии, кВт·ч/кг При простое печь отключена Печь разогревается перед началом работы Печь не отключается на время простоя 207 (85) 234 (96) 244 (100) 0,246 (118) 0,236 (112) 0,236 (112) 110 (45) 211 (86,5) 244 (100) 0,463 (221) 0,316 (151) 0,316 (151 Полученные выражения (1) – (10) действительны для процессов с малым временем выдержки. Если же последнее велико, то, обозначив отношение времени нагрева изделий τ н к времени всего цикла τ цикл через К, получим: К g g g макс цикл н макс макс = = ′ τ τ (11) 1 К К g Р А А макс пот мин мин − + = ′ (12) Для вышеуказанного примера работы печи Н – 60 будем иметь при К=0,5 ; 122 5 , 0 244 ч кг g макс = ⋅ = ′ 262 , 0 5 , 0 5 , 0 1 244 13 209 , 0 кг ч кВт А мин ⋅ = − ⋅ + = Разумеется, все вышеизложенное не может быть применено ко всем печам, принятые цифровые допущения могут довольно сильно варьировать у 72 печей различных типов, однако изложенная методика может быть применена ко всем садочным печам, и дать в каждом конкретном случае ответ о целесообразности того или иного метода включения печей. В действующей печи с автоматическим регулированием температуры легко опытным путем приближенно определить, близка ли фактическая производительность к максимальной по работе автоматического регулятора. Если во второй половине нагрева в печи происходят частые отключения и период отключенного состояния велик (50-70% общего времени), то печь используется недостаточно, ее производительность может быть увеличена. Наоборот, если период отключенного состояния печи невелик, а в печи периодического действия отключения наступают лишь в конце периода нагрева, то производительность ее близка к максимальной и без увеличения мощности не может быть повышена. Если окажется, что фактическая часовая производительность печи меньше максимальной, определенной по (1) – (12), то следует принять меры к ее увеличению. Это можно сделать, либо сократив время пребывания изделия в печи (сокращение времени нагрева для печи периодического действия, увеличение скорости перемещения изделий в методической печи), либо увеличив загрузку пода печи. Разумеется, для этого необходимо иметь возможность увеличить производительность печи, например отключением части работающих печей. Сокращение времени пребывания изделий в печи, т.е. ускорение их нагрева, может быть достигнуто лишь путем повышения температуры в печи (изменением задания терморегулятора) и лишь тогда, когда это допустимо с точки зрения стойкости нагревательных элементов. При этом при нагреве массивных изделий температурные перепады в них должны быть просчитаны и согласованы с технологами.. Конечные температурные перепады могут быть снижены путем уменьшения температурного задания терморегулятора в конце процесса нагрева до первоначального (рис. 1.37). При этом в печах периодического действия необходимо дважды в течение цикла менять температуру уставки терморегулятора. В методических многозонных печах это может быть достигнуто намного проще, путем установки регуляторов первых зон на максимально допустимую нагревателями температуру, а последней зоны – на температуру, заданную технологическим процессом. Увеличение загрузки пода печи может дать эффект лишь в том случае, если оно будет получено за счет более аккуратной, равномерной укладки изделий, но не за счет увеличения толщины слоя их в направлении теплового потока. Увеличение толщины слоя деталей на поду печи приведет при нагреве «тонких» изделий, к пропорциональному увеличению времени нагрева, и производительность печи останется без изменения. При нагреве «массивных» изделий повышение толщины их слоя вызовет увеличение времени нагрева, пропорциональное квадрату этого 73 повышения, и производительность печи не только не возрастет, но даже уменьшится. Поэтому увеличивать загрузку пода следует весьма осторожно, проверяя полученный эффект по изменению производительности печи. Рис. 1.37. Форсирование нагрева в печах периодического действия путем изменения задания терморегулятора. а – нефорсированный режим; б – скоростной режим. Большое повышение производительности печи может дать увеличение толщины слоя изделий на поду при проведении процессов, в которых значительную часть цикла занимает выдержка при постоянной температуре. В этом случае, несмотря на получение увеличения времени нагрева, производительность печи в конечном счете может оказаться больше первоначальной, так как время выдержки при этом не изменится. В низкотемпературных печах с принудительной циркуляцией атмосферы можно более смело увеличивать загрузку пода для получения повышенной производительности, так как в этих печах теплопередача осуществляется в основном не излучением, а конвекцией. Следует лишь так укладывать изделия, чтобы они свободно обдувались горячим воздухом. Тогда увеличение числа загруженных изделий не приведет к увеличению времени их нагрева, так как пропорционально числу изделий увеличится, и 74 их тепловоспринимающая поверхность и поэтому увеличение производительности печи будет пропорционально увеличению загрузки. Когда производительность печи соответствует ее мощности и мощность используется полностью, может стать вопрос о целесообразности увеличения мощности печи. Такое повышение мощности может оказаться эффективным для изделий, не требующих длительной выдержки, т.е. при закалке, нормализации и отпуске, а также при нагреве заготовок под ковку или штамповку. При этом для печей периодического действия увеличение производительности и снижение удельного расхода электроэнергии будут иметь место также за счет сокращения времени разогрева печи. Мощность печей может быть увеличена путем перерасчета и переделки нагревательных элементов на большую мощность. При этом должны быть проверены также питающие кабели и коммутационная аппаратура. Увеличивать мощность возможно в ряде случаев, так как многие стандартные печи имеют недостаточную мощность. Проведенные для камерной печи мощностью 75 кВт, работающей непрерывно на нагреве стальных деталей до 850ºС, расчеты показали, что повышение ее мощности в 1,5 раза дает увеличение часовой производительности на 86%, повышение к. п. д. на 20% и снижение удельного расхода энергии на 16,7% (табл. 1.11). Проведенные на ряде предприятий опыты по увеличению мощности камерных печей подтвердили реальность этих цифр. Паспортные данные выпускаемых в настоящее время печей сопротивления, особенно стандартных, показывают, что они имеют большие потери холостого хода, достигающие 20 – 30% номинальной мощности печей, вследствие чего к. п. д. этих печей не может быть выше 70 – 80%. Таблица 1.11 Влияние мощности печи на ее энергетические показатели Мощность печи, кВт Производител ьность, кг/ч Коэффициент полезного действия, % Удельный расход энергии, кВт·ч/т 75 112,5 250 450 62,5 75 240 200 В действительности к. п. д. печей в эксплуатации значительно ниже по следующим причинам: 1. Тепловые потери печей, как показали многочисленные испытания, во многих случаях существенно выше паспортных. Объясняется это постепенным ухудшением свойств теплоизоляционных материалов в эксплуатации, а также заменой их при ремонте печи менее качественными. 75 2. Мощность холостого хода, указанная в паспорте печи, фиксирует не все ее тепловые потери; например, ею не учитываются потери на излучение через открытую дверцу или крышку при загрузке и выгрузке, потери на нагрев тары (поддоны), потери аккумулированного кладкой тепла в печах периодического действия. 3. Печи не все время работают при полной мощности, часть цикла (а иногда и весь цикл) они периодически включаются и отключаются терморегулятором, кроме того, они отключаются, как правило, на время загрузки и выгрузки. Поэтому средняя мощность печи за цикл составляет 75 – 90% ее номинальной мощности, а так как энергия тепловых потерь рассеивается в течение всего цикла, то значение этих потерь надо относить не к номинальной, а к средней мощности печи. Все вышеизложенное приводит к тому, что к. п. д. печей сопротивления достигает в действительности 45 – 65% и что поэтому за счет снижения тепловых потерь можно добиться больших результатов по уменьшению удельных расходов энергии. Тепловые потери, а, следовательно, и удельный расход энергии в значительной степени зависят от состояния тепловой изоляции печи. В среднем можно считать, что каждый кубический метр высококачественной тепловой изоляции в электрической печи дает по сравнению с низкокачественной от 5000 до 10000 кВт·ч экономии электроэнергии в год. Стоимость этой сэкономленной за год энергии будет больше стоимости теплоизоляции повышенного качества, и последняя, следовательно, окупится менее чем за 1 год. Поэтому при эксплуатации электрических печей не следует экономить на стоимости тепловой изоляции и ни в коем случае недопустимо применять суррогатные теплоизоляционные материалы, такие, как шлак, песок, мраморная крошка, кирпичный бой, шамотный порошок и т. п. Наоборот, по возможности необходимо при ремонте электропечей заменять имеющуюся в них изоляцию более совершенной. Температура наружной поверхности кожуха электрической печи в работе должна быть равна 40 - 45ºС и во всяком случае не должна превосходить 60ºС. Такие температуры кожуха печи обеспечивают хорошие условия работы для обслуживающего персонала и сравнительно небольшие тепловые потери, Последние не должны превышать 300 – 400 Вт/м 2 . В табл. 1.12 даны значения удельных тепловых потерь стенки кожуха электрической печи в зависимости от ее температуры и состояния поверхности при температуре окружающего воздуха 10ºС. Таблица 1.12 Удельные тепловые потери стенки кожуха электропечи Температура кожуха, ºС 3 0 4 0 5 0 6 0 8 0 1 00 1 50 76 Кирпичная стена, окрашенный металлический кожух, кВт/м 2 Кожух, окрашенный алюминиевой краской, кВт/м 2 0,2 0 ,155 0 ,32 0 ,25 0 ,46 0 ,36 0 ,61 0 ,47 0 ,94 0 ,73 1 ,3 1 ,0 2,4 1 ,8 Пользуясь этой таблицей, можно легко определить фактические тепловые потери действующей печи. Для этого надо ее поверхность разбить на отдельные участки и замерить температуру этих участков при помощи поверхностной термопары. Температура окружающего воздуха может быть замерены ртутным термометром. Такого рода замеры не только позволяют определить суммарные тепловые потери печи, но и выяснить участки, где вследствие неудовлетворительного состояния теплоизоляции наблюдается более высокая температура кожуха, и наметить меры для устранения этих местных перегревов. При окраске кожуха печи алюминиевой краской температурные перепады в ее кладке изменятся и температуры наружных поверхностей увеличатся. Это увеличение, однако, не скомпенсирует полностью экономии, которая получится от снижения коэффициента лучеиспускания стен печи вследствие их окраски, и в результате тепловые потери все же снизятся на 2- 3%. Поэтому окраска наружных стенок электрических печей алюминиевой краской должна производиться в обязательном порядке. Следует тщательно следить за уплотнением выводов печи, запасных отверстий для термопар, гляделок и т.п. Всякого рода неплотности и отверстия в футеровке вызывают значительные увеличения тепловых потерь. Загрузочные и разгрузочные отверстия печи без нужды не должны оставаться открытыми, дверцы печи следует хорошо уплотнять. В методических печах, у которых загрузочные или разгрузочные отверстия открыты во время работы, следует следить, чтобы их размеры соответствовали габаритам входящих или выходящих деталей, и устраивать в этих отверстиях асбестовые ширмочки. Влияние всякого рода отверстий и неплотностей в печи на ее тепловые потери хорошо иллюстрирует табл. 1.13. Таблица 1.13 Тепловые потери печи через открытые отверстия Потери Температура печи, ºС 77 600 700 800 900 1000 На излучение печи через окна, кВт/м 2 На излучение через небольшие отверстия, кВт/м 2 17 5 26 7,8 36 10,5 55 16,5 75 22,5 Для окон коэффициент диафрагмирования принят равным 0,5, для небольших отверстий 0,15. Сравнение табл. 1.12 с табл. 1.13 показывает, что 1 см 2 отверстия соответствует по потерям 40-50 см 2 кладки печи, а 1 см открытого окна – даже 100-120 см 2 футеровки. Всякого рода металлические скрепы, подвески свода, направляющие и другие аналогичные жароупорные детали, пронизывающие кладку печи, обуславливают повышенные тепловые потери, В среднем эти потери примерно в 30-40 раз превосходят тепловые потери теплоизолированной стены той же поверхности и поэтому такого рода детали следует применять лишь в весьма ограниченном количестве. Большая масса, а следовательно, и большая аккумулирующая способность кладки печи могут явиться существенным источником повышения удельного расхода энергии. В первую очередь это относится к печам, работающим периодически, которые полностью остывают после каждого цикла работы. В таких печах все тепло, накопленное кладкой за время простоя, целиком рассеивается и , следовательно, полностью должно быть покрыто в период нагрева печи. Для таких печей крайне желательно свести до минимума аккумулируемое кладкой тепло за счет применения более легких и более эффективных огнеупорных и теплоизоляционных материалов. Наибольшее значение имеет тепло, аккумулируемое огнеупорной частью футеровки, поэтому его и требуется уменьшить в первую очередь. Одним из наиболее эффективных методов является создание вместо сплошного огнеупорного слоя каркаса из столбиков, служащих для закрепления нагревателей, с заполнением промежутков ультралегковесным кирпичом, материалом со средней плотностью около 300-400 кг/м 3 , недостаточно прочным для крепления на нем нагревателей, но выдерживающим до 1100ºС. Масса такой кладки, а следовательно, и ее аккумулирующая способность могут быть снижены в 2-2,5 раза по сравнению с обычной, и поэтому ее следует особенно рекомендовать для печей периодического действия. Уменьшение аккумулирующей способности футеровки печей может быть достигнуто также при помощи экранной теплоизоляции. В печах с такой изоляцией слой теплоизоляционного материала заменяется рядом 78 экранов, выполненных из материала с малым коэффициентом лучеиспускания, например из листов алюминия или оклеенных с обеих сторон алюминиевой фольгой листов асбеста. В такого рода слоях из экранов передача тепла излучением уменьшается довольно значительно, передача теплопроводностью будет невелика из-за малого коэффициента теплопроводности воздуха, а передача конвекцией в узких промежутках между экранами также не может достигнуть существенного значения. Для того, чтобы оценить качество такой экранной теплоизоляции и выявить область ее рационального применения, были проведены расчеты теплового сопротивления стенки толщиной в 250 мм, состоящей из наружного и внутреннего кожухов и расположенных между ними на расстоянии 25 мм друг от друга девяти экранов. Расчеты были сделаны для температурного перепада в стене в 100ºС при различных граничных температурах (100-0ºС, 200-100ºС, 300-200ºС и т.д.) и для экранов с относительными коэффициентами лучеиспускания ε=0,8, 0,4, 0,2 и 0,1, причем для простоты принималось, что коэффициенты лучеиспускания кожухов и экранов равны. Рис. 1.38. Сравнение тепловых потерь через слои из различных теплоизоляционных материалов и через экранную теплоизоляцию. 79 Результаты расчетов показаны на рис. 1.38, где дана зависимость удельных теплопотерь q от температуры более горячей стенки. Кривая 1 представляет собой теплопотери через воздух теплопроводностью, кривая 2 дает сумму потерь теплопроводностью и конвекцией, а кривые 3 – результирующие потери, включающие теплопроводность, конвекцию и излучение, причем кривая 3 1 относится к экранам с относительным коэффициентом лучеиспускания ε=0,1, кривая 3 2 – к экранам с ε=0,2, кривая 3 3 – к экранам с ε=0,4, и, наконец, кривая 3 4 – к экранам с ε=0,8. Как видим, потери излучением, а следовательно, и результирующие тепловые потери стены с экранной изоляцией растут очень резко с увеличением температур на границах стены. На том же рис. 1.38 показаны удельные тепловые потери стены такой же толщины, выполненной из различных материалов, причем кривая 4 относится к заполнению стены шлаковой ватой со средней плотностью 200 кг/м 3 (один из лучших теплоизоляторов) кривая 5 – к стене, выложенной из диатомитового кирпича со средней плотностью 600 кг/м 3 , и кривая 6 – к стене, выложенной из шамотного кирпича. Из рассмотрения кривых (рис. 1.38) можно сделать выводы: 1. Экранная теплоизоляция может быть экономно применена, как правило, лишь при низких температурах; при температурах свыше 400 - 500ºС потери на излучение становятся настолько велики, что она не может конкурировать с обычными теплоизоляционными материалами. 2. Даже при низких температурах экранная изоляция может конкурировать лишь с теплоизоляцией невысокого качества (диатомитовый кирпич ρ=600 кгс/м 3 ) при условии, если для экранов взят материал с высокими отражательными свойствами, например алюминиевая фольга. Известно, однако, что коэффициент отражения таких материалов с течением времени, особенно при нагреве, уменьшается, а их лучеиспускательная способность увеличивается. Поэтому с точки зрения уменьшения тепловых потерь печи в стационарном режиме применение экранной изоляции не может быть признано целесообразным. Несколько иначе обстоит дело с печами периодического действия, так как в этом случае существенное значение приобретают нестационарные процессы. Возьмем тот же пример – стену толщиной в 250 мм, состоящую из девяти экранов, выполненных или из листового алюминия толщиной в 1 мм или из листового асбеста толщиной в 2 мм, оклеенного с обеих сторон фольгой, и сравним ее массу и теплосодержание с такой же примерно эквивалентной по тепловому сопротивлению стеной, выполненной из различных теплоизоляционных материалов. Результаты сравнения дает табл. 1.14. 80 Таблица 1.14 Аккумулирующая способность теплоизоляционных материалов Показат ель Экран ы из алюми ния Э краны из асбест а Шлаков ая вата Пен одиа- томито- вый кирпич, ρ=0,4 У льтра- легков ес, ρ=0,35 А сбоце мент ные плит ы, ρ=0,2 5 ρ =0,2 ρ =0,4 Масса 1 м 2 , кг Теплое мкость 1 м 2 , 10 3 Дж/ºС 24 ,0 23 ,4 16 ,0 15 ,7 5 0 5 2,3 1 00 1 04,7 100 92, 1 87 ,5 83 ,7 6 2,5 6 0,7 Из табл. 1.14 следует, что даже наилучшие теплоизоляционные материалы обладают аккумулирующей способностью, превосходящей в несколько раз аккумулирующую способность экранной изоляции. Следует, однако, иметь в виду, что во всякой печи, в том числе выполненной с экранной изоляцией, внутренняя часть кладки должна быть сконструирована из огнеупорного кирпича, так как от нее требуется известная механическая прочность, на ней должны быть размещены нагреватели, нагреваемые детали, жароупорная тара. Если учесть аккумулирующую способность такого огнеупорного слоя, то окажется, что введение экранной изоляции снижает теплосодержание печи по сравнению с хорошей теплоизоляцией лишь на 11- 15%, а по сравнению с плохой – на 33-37%. Крепежные детали экранной теплоизоляции увеличивают примерно вдвое ее теплосодержание, а также увеличивают ее конструктивную сложность и дороговизну, в связи с эти развитие средне- и высоко- температурных печей ( за исключением вакуумных) с малой аккумулятивной способностью должно идти в направлении применения высококачественной теплоизоляции типа шлаковой ваты со средней плотностью 200-250 кг/м 3 (свод, стены) и ультралеговеса или пенодиатомового кирпича ( под печи), а не по линии экранной теплоизоляции, которая может найти некоторое применение лишь в низкотемпературных, а также в вакуумных высокотемпературных печах, особенно малоинерционных, в которых ставить другие виды теплоизоляции нерационально или даже невозможно. Тепло остывающих изделий, нагреваемых в электрических печах сопротивления, может быть использовано в тех случаях, когда допустимо медленное охлаждение изделий после нагрева, т. е. в первую очередь при отжиге. 81 Естественно, что при этом усложняются конструктивные решения и удорожается печь, кроме того, требуются дополнительные площади. Поэтому рекуперация целесообразна, когда замедленное остывание изделий требуется технологическим процессом, что обусловливает удлинение печи за счет пристройки камеры охлаждения. Передача тепла от охлаждаемых «горячих» изделий к подогреваемым «холодным» может быть осуществлена следующими путями: 1. При нагреве изделий в садочных печах путем использования специальных рекуперативных камер или колодцев, в которые поочередно помещаются остывающие и подогреваемые изделия. Остывающие изделия будут передавать свое тепло стенкам камеры, нагревая их, а затем при загрузке в нее холодных изделий последние будут подогреваться, поглощая накопленное стенками тепло. Для осуществления интенсивной теплопередачи от изделий к стенкам камеры и наоборот необходимо в течение всего цикла сохранять достаточный перепад температур между теплоизлучающими и тепловоспринимающими поверхностями. Поэтому средняя температура стен камеры должна лежать посредине между средними значениями температур остывающих и подогреваемых изделий. Кроме того, для того чтобы стены камеры являлись в максимальной степени эффективным аккумулятором тепла, необходимо, чтобы они имели большую аккумулирующую способность и значительную теплопроводность. Наиболее целесообразно было бы выполнение их из металла, например из литых чугунных блоков, хорошо теплоизолированных снаружи, тогда падающий на поверхность стен камеры тепловой поток от остывающей садки будет успевать проникать в глубь блоков и изменение температуры на внутренней поверхности последних будет минимальным. Время пребывания садки в печи должно быть увязано с временем ее пребывания в камере рекуперации, так как иначе стены последней будут дополнительно остывать, снижая долю используемого тепла остывающей садки. Следовательно, для эффективности работы такой системы рекуперации необходимо обеспечить четкий ритм движения изделий. Расчеты и проведенные опыты показывают, что таким путем можно сэкономить от 20 до 25% тепла остывающих деталей. 2. Процесс теплопередачи от остывающих изделий к подогреваемым может быть существенно ускорен, если исключить промежуточное звено – стенку камеры. В этом случае необходимо устройство специальных двойных рекуперативных камер или колодцев, в которые и загружаются одновременно охлаждаемые и подогреваемые детали. Теплопередача от горячих изделий к холодным может осуществляться излучением и конвекцией, при этом целесообразно применять принудительную циркуляцию атмосферы. 82 Для уменьшения тепловых потерь камеры рекуперации необходимо снабдить ее высокоэффективной теплоизоляцией. Кроме того, желательно обеспечить максимально полное ее использование во времени, для чего необходимо, чтобы периоды пребывания изделий в печи и в камере рекуперации были равными или кратными друг другу. В первом случае число камер рекуперации должно быть равно числу печей, во втором – кратным ему. При данном методе рекуперации температурный напор между теплоотдающими и тепловоспринимающими поверхностями почти в 2 раза превышает значения температурного перепада при первом методе, поэтому в данном случае оказывается возможным получить больший подогрев изделий за счет тепла остывающих, что позволяет поднять долю используемого тепла остывающих изделий до 30 – 35%. 3. При нагреве изделий в методических печах использование тепла остывающих изделий может дать максимальный эффект. Передача тепла от горячих изделий к холодным может быть осуществлена непосредственно в самой печи как лучистым, так и конвективным теплообменом. Благодаря тому что горячие и холодные изделия находятся в пределах самой печи, в непосредственной близости, потери тепла сокращаются до минимума. Применение принципа противотока, встречного движения остывающих и подогреваемых изделий обеспечивает постоянный, достаточно высокий температурный перепад между ними в течение всего времени рекуперации, а следовательно, и высокую степень использования тепла остывающих изделий. Конструктивно рекуперативные методические печи с противотоком могут выполняться самым различным способом, в виде конвейерных, толкательных, протяжных, рольганговых печей, печей с шагающим или пульсирующим подом. На рис. 1.39 даны схемы протяжных рекуперативных печей с противотоком для ленты: входящая ветвь ленты пробегает в камере рекуперации рядом с выходящей нагретой ветвью, отнимая тепло у последней. На рис. 1.40 показаны два варианта толкательной двухрядной рекуперативной печи для отжига ленты в рулонах. Последние установлены на поддонах, каждый из которых движется в противоположном направлении, осуществляя противоток. Существенным преимуществом таких рекуперативных толкательных печей является отсутствие холостого возврата поддонов. В обычных толкательных печах с односторонним движением нагреваемых изделий оказывается необходимым установить вдоль печи специальный рольганг для возврата холостых поддонов с разгрузочного конца печи к загрузочному. В толкательных рекуперативных агрегатах, работающих по принципу противотока, нет необходимости в таких 83 рольгангах, так как вышедшие из печи поддоны после разгрузки подаются ко второму пути, загружаются и вновь направляются в печь. Рис. 1.39. Схемы протяжных рекуперативных печей с противотоком. а – вертикальная; б – горизонтальная печь; А – камера нагрева; Б – камера рекуперации. Рис. 1.40. Схема толкательной рекуперативной печи для отжига ленты в рулонах. 84 а – горизонтальное расположение потоков рулонов; б – двухэтажная печь. На рис. 1.41 показаны графики температур изделий при их нагреве в методической рекуперативной печи, работающей по принципу противотока. Холодные изделия поступают в печь с двух сторон в камеры рекуперации, зона окончательного нагрева находится в середине печи. В каждой камере рекуперации остывающие изделия, снижая температуру с t 3 до t 4 , отдают свое тепло подогреваемым изделиям, подымая их температуру с t 1 до t 2 , и одновременно покрывают тепловые потери камеры. В зоне окончательного нагрева изделия догреваются до заданной температуры t 3 и проходят выдержку при этой температуре, после чего они поступают во вторую камеру рекуперации, где и отдают накопленное тепло встречным изделиям. Так как весь процесс нагрева и охлаждения изделий происходит в самой печи, то отпадает необходимость переноса их из печи в камеру рекуперации, а следовательно, отпадают и соответствующие тепловые потери. Кроме того, благодаря противотоку подогреваемые изделия по мере возрастания их температуры встречаются со все более горячими изделиями, поэтому температурный напор по длине камеры рекуперации существенно не изменяется и это позволяет подогреть в ней изделия до более высокой температуры. Температура остывающих изделий может быть снижена в пределах печи очень сильно, однако чем больше будет доля рекуперируемого тепла, тем больше будет длина печи. А так как при низких температурах теплопередача существенно замедляется, то имеет смысл ограничиться температурой выдачи изделий около 200 – 250ºС, поместив за камерами рекуперации дополнительные камеры охлаждения, если изделия нельзя выводить прямо на воздух при таких температурах. 85 Рис. 1.41. Кривая распределения температур вдоль двухрядной толкательной печи с противотоком. А – зона окончательного нагрева; Б –зоны рекуперации. Так как операции отжига обычно проводятся при температурах примерно 700ºС или более низких, то для улучшения теплоотдачи и сокращении длины печи имеет смысл применить принудительную циркуляцию печной атмосферы при сравнительно больших скоростях ее движения, около 10 – 15 м/с. В этом случае приходится устанавливать (рис. 4) довольно мощные вентиляторы, расход энергии этими вентиляторами может оказаться весьма значительным. Однако в отличие от камер охлаждения обычных однородных печей здесь большая часть потребляемой вентиляторами энергии, идущая на преодоление трения крыльчатки о воздух и на создание движения последнего, утилизируется, так как она в конечном счете идет на дополнительный подогрев воздуха. В начале работы печи камеры рекуперации бывают холодные и имеют повышенные тепловые потери, кроме того, в них отсутствуют горячие детали. Поэтому после пуска печи в течение некоторого времени необходимо снизить скорость перемещения садки настолько, чтобы первые ее партии успели нагреться до нужной температуры в зоне окончательного нагрева. Такую пониженную скорость движения изделий следует сохранить, пока из печи не выйдут первые остывшие изделия. Лучше, однако, если в камерах рекуперации будут установлены пусковые нагреватели, включаемые лишь на время разогрева печи. Методические рекуперативные печи, работающие по принципу противотока, являются наиболее эффективными с точки зрения использования тепла остывающих деталей. Проведенные разработки протяжных и толкательных печей для отжига стальной и алюминиевой ленты, а также данные эксплуатации таких печей показали, что в таких печах может быть утилизировано более 50% тепла остывающих изделий и что удельный расход энергии может быть снижен на 30 – 40% по сравнению с аналогичными нерекуперативными печами. |