Расчет футеровки печи

Публикация: 24.04.2023
Время чтения: 7 мин.
Просмотров: 55

Футеровка печи разделяет высокотемпературную зону нагрева и обечайку теплового агрегата. Тепловая изоляция чаще всего бывает многослойной. Толщина каждого слоя определяется в зависимости от условий эксплуатации, теплопроводности вещества, из которого он состоит, а также допустимой разности температур на его границах.

Содержание

  1. Нормативная база
  2. Принцип определения толщин слоев теплоизоляции печей
  3. Распределение температуры по толщине футеровки
  4. Формула
  5. Особенности, влиящие на расчет футеровки

Нормативная база

Общие требования к конструкциям, проектированию, а также ремонту промышленных печей и тепловых агрегатов собраны в ГОСТ 34518-2019 на основе большого количества межгосударственных стандартов. В нем изложены особенности футеровки пода, стен, свода печей разного назначения и из различных материалов.

Несмотря на появление новых технологий и огнеупорных смесей расчет толщины теплоизоляции опирается на ведомственную строительную норму ВСН 429-81. В пункте 3 этой инструкции изложена методика расчета толщины стенок футеровки и требование минимизации затрат на ее возведение.

Принцип определения толщин слоев теплоизоляции печей

Футеровка печей и тепловых агрегатов создается по примерам уже надежно работающей теплоизоляции в аналогичных условиях эксплуатации. Ее задача снизить температуру зоны нагрева до искомой температуры внешнего слоя обечайки 60°С или другой проектной. Она может быть одно - или многослойной, но толщина слоев выбранных материалов снижает температуру нагрева до необходимого.

Распределение температуры по толщине футеровки

Распределение температуры в футеровке зависит от теплообмена внутри и снаружи нее, передачи тепла внутри футеровки и его накопления. Это является важным фактором тепловой работы футеровки, определяющим появление нагрузок, деформаций и сопротивление воздействию шлаков. Кроме того, распределение температуры в футеровке определяет условия работы каркасов, кожухов, связей и фундаментов.

Все изменения толщины и теплофизических свойств футеровки, контактирующей с расплавом или другой жидкой средой, сильно влияют на тепловую работу печи или аппарата в целом, включая температурный режим, производительность и удельный расход топлива или электроэнергии.

Считается, что на границе между сыпучим материалом и кладкой тепло передается только через контактную теплопроводность, и температура поверхности футеровки равна температуре материала. Изменение температуры внутренней поверхности футеровки изменяется в циклическом порядке со временем. Время цикла равно времени полного оборота печи. Условно его можно разделить на два периода. В первом периоде поверхность кладки находится в контакте с газовой фазой и постепенно нагревается, получая тепло от излучения и конвекции. Во втором периоде поверхность кладки находится в контакте с нагреваемым материалом, и ее температура остается постоянной. Анализ данных расчета распределения температуры кладки, полученных с использованием численных методов решения уравнения теплопроводности, показал, что колебания температуры со временем происходят на определенном расстоянии от поверхности футеровки, которое называется глубиной проникновения тепловой волны. Колебания температуры, достигающие внутренней поверхности барабана при входе и выходе из-под слоя шихты, могут быть несколько сотен градусов и распространяются на глубину порядка 1-5 см. Чем ближе к поверхности, тем выше термонапряжения, возникающие в кладке, и тем больше вероятность ее разрушения (сколов, трещин и т. д.).

Вращающиеся прокалочные печи работают с открытым нагревом, когда горящий факел и движущиеся дымовые газы непосредственно взаимодействуют с поверхностью прокаливаемых материалов. Горящий факел располагается вдоль оси печи, и его излучающая поверхность и длина определяют зону прокаливания. Характерным для теплообмена во вращающихся печах является нестационарный процесс тепловой работы футеровки, которая в течение каждого оборота печи сначала получает тепло от газового потока, а затем отдает его.

Формулы

Тепловой поток через м2 теплоизоляции рассчитывается по формулам из инструкции ВСН 429-8.

Формула №1

  formula-1.gif

где g - удельный тепловые потери, Вт/м2;

tv.png - температура горячей поверхности футеровки, °С;

tn.gif - температура обечайки, °С;

an.gif - коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности футеровки, Вт/(м2 × N);

ner.gif - тепловое сопротивление N слоев теплоизоляции, (м2 × N)/Вт;

N - число слоев обшивки.

Формула №2

Тепловое сопротивление одного слоя изоляции:

  rov.png

где b1.gif - толщина одного ряда, М;

psy.gif - теплопроводность материала (табл.1 в ВСН 429-81) при средней t слоя, Вт/м.

Оперируя этими формулами и табличными данными, можно легко рассчитать однослойную футеровку при известных условиях эксплуатации. На практике приходится учитывать много параметров.

Особенности, влияющие на расчет футеровки

  1. an.gif. Коэффициент для закрытых и безветренных помещений вычисляют по формуле an.gif= 8,14 + 0,06 × (t СТ - 273), где t СТ – температура снаружи агрегата. На обдуваемых устройствах по формуле formula-an.png, где V – взятая из СНиП II -А-6-72 средняя по году скорость ветра, м/с;
  2. крепежные элементы (анкеры) из керамики или металла увеличивают тепловые потоки. Для точности расчета их следует добавить 5%;
  3. наличие новых огнестойких смесей с увеличенной допустимой температурой и теплопроводностью, которых нет в инструкции ВСН 429-81;
  4. применение новых технологий создания кладки или бетонирования (торкретирования) для теплоизоляции.

Производство расчетов многослойной футеровки для сложных агрегатов состоит из множества вариантов температурных графиков, уравнений и формул. Технически подходящий вариант должен не допускать превышения допустимых температур на границе сред огнеупорных слоев, а также температуры обечайки выше запланированной.

Окончательный вариант футеровки должен быть экономически выгоден и обеспечивать надежную эксплуатацию до капитального ремонта теплового агрегата. Для ремонтируемых агрегатов при расчете толщины слоев теплоизоляции необходимо учитывать степень износа футеровки печи, а также способ ее ремонта – восстановлением кладки или бетонирование огнестойкими смесями.

Все статьи