Практическая работа: Расчет теплозащитных экранов

Практическая работа: Расчет теплозащитных экранов.

Цель занятия:  Определить температуру металлического экрана. Определить необходимое количество проточной воды. Определить оптимальную толщину теплоизоляции.

Задача практического занятия:

• закрепление и углубление теоретических знаний по этой теме.

• приобретение навыков расчета по теплозащитным устройствам.

• приобретение опыта работы со справочной нормативной литературой.

Содержание и порядок выполнения

Защита от тепловых излучений имеет большое гигиеническое и техническое и экономическое значение. Для локализации тепловых потерь и защиты рабочих мест в зависимости от интенсивности теплового облучения (плотности теплового потока) используют многие виды непрозрачных, полупрозрачных и прозрачных экранов.

По принципу действия экраны подразделяются на теплоотражающие, теплопоглощающие и теплоотводящие (приложение 3.1). отнесение экрана к той или иной группе производится в зависимости от того, какая способность более сильно выражена. При конструировании экрана стремятся получить низкую степень черноты обеих его поверхностей (как у теплоотражающих экранов), высокое термическое сопротивление (как у теплопоглощающих экранов) и благоприятные условия для естественного движения воздуха вдоль экрана (для конвективного  теплоотвода). Ниже приводятся примеры  расчетов для различных типов экранов.

Теплозащитные металлические экраны применяются для локализации источников лучистого тепла, защиты от облучения на рабочих местах и снижения температуры поверхностей, окружающих рабочее место (1).

Температура металлических экранов, применяется для экранирования различных теплоизолирующих поверхностей (кладка печи), определяется по формуле

Т₀ = 100                                                  (1.1)

Где Т₀ – температура экрана, К

Т₁ – температура источника излучений экранируемой поверхности, К

Т₂ – среднее значение температуры воздуха в рабочей зоне, К

А=  (1.2) – приведенная степень черноты между экранируемой поверхностью и экраном;

ε₁ – степень черноты экранируемой поверхности;

ε₂ – степень черноты экрана эта формула применяется при условии, что Т₁ > T₀ > T₂ (температуры экранируемой поверхности и экрана выше температур окружающих экранов оборудования, строительных конструкций и температуры воздуха), т.е. поступление тепла на экран извне мало и им можно пренебречь.

Значение величины ε₁ и ε₂ определяется по приложению1.2, а приведенная степень черноты А – по формуле (1.2).

Расчет теплоотводящих экранов.

Теплоотводящие экраны представляют собой полы сварные плиты из стальных листов толщиной 2-3мм, в которых циркулируют техническая вода. Вода здесь является средой, которая поглощает тепло и уносит его. Температура внешней стенки плиты определяется ее толщиной, скоростью протекания воды и ее начальной температурой.

Теплоотводящие экраны  устанавливают в зоне открывающихся крышек, дверец, заслонок и т.д. на расстоянии 500-600 мм от горячей поверхности и на расстоянии 15-20 мм от поверхности без проемов. Теплоотводящее экранирование поверхности печей должно обеспечивать температуру наружной поверхности экрана не выше 30-35 ⁰С в рабочей зоне (но не ниже 20⁰С) и 40-45⁰С вне рабочей зоны. При перепаде температур между уходящей и входящей водой более 10 градусов требуется большое количество воды, циркулирующей в системе, что затрудняет массовое применение теплоотводящих экранов. Ввиду этого расчет теплоотводящих экранов сводится к определению расхода воды.

Количество теплоты, переданное излучением с 1м² горячей стенки воде, определяем по формуле

Е_м = С₀ А_пр []  Вт/м² ,                                            (1.3)

Где С₀– коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,67 Вт/м²К⁴;

А_пр – приведенная степень черноты, равная

А_пр =                                                                       (1.4)

Где  ε₁ и ε₂ – степень черноты соответственно горячей стенки и стального листа экрана;

Т₁ –температура горячей стенки, К

Т₂ – температура стенки экрана, К

Необходимое количество воды для охлаждения экрана (G) равно

G =  кг/ч                                                                        (1.5)

Где а –коэффициент поглощения инфракрасных лучей материалом экрана и водой, равной

0,9

F – площадь стенки экрана, м²

С – теплоемкость воды, равная 4,19-10³ Дж/кг.К

t_ух – температура уходящей  воды (не более 35⁰С)

t_n – температура поступающей воды

Расчет теплопоглощающих экранов.

Теплопоглощающие экраны находят широкое применение в горячих цехах. В качестве примера применения и расчета теплопоглощающего экрана рассмотрим двухслойную стенку поста управления (1.3), где внешний слой, на который опирается перекрытие поста управлении, выложен из шамотного кирпича, а внутренний (теплоизоляционный) слой из  каолинового ультралегковеса. Расчет сводится к определению толщины теплоизоляционного слоя (σ₁) и производится по методике, изложенной в ОСТ 142-/2.

 

 

 

Пространство цеха

 

 

Рис.3.3 График изменения температуры стенки поста упараления

Величина теплового потока Q, поступающего в пост управления, определяется в зависимости от величины суммарного термического сопротивления с учетом нормируемой температуры τ_вн, которая согласно требованиям санитарных норм τ_вн ≤ 45⁰С (комфортные условия τ_вн ≤ 35⁰С)

Суммарное термическое сопротивление

R₀ = R_H + R_k + R_B,                                                                      (1,9)

Где R_H – сопротивление тепловосприятию со стороны облучаемой поверхности, м²град./Вт;

R_к – термическое сопротивление двухслойной стенки

R_B – сопротивление теплоотдаче внутреннего слоя

Суммарное тепловое сопротивление R₀ может быть выражено как

R₀ =                                                       (1.10)

Где τ_н и τ_вн – соответственно температура наружного и внутреннего слоев кладки, ⁰С

t_н и t_в – температура воздуха цеха и рабочей зоны поста управления, ⁰С

Q – тепловой поток от внутренней поверхности кладки в рабочую зону поста управления кВт/м²

Расчет производим при температуре внутренней поверхности кладки τ_вн = 50⁰С. Принимаем в расчете τ_вн = 50⁰С (выше санитарной нормы на 50⁰С, что в пределах ошибки измерения), на практике достигается выполнение требований санитарных норм. В этом случае значение теплового потока

Q= 2E=2δF[]                                             (1.11)

Где Е – теплоотдача излучением от кладки при данной температуре; возможно предположить, что при τ_вн = 50⁰Сдоли теплоотдачи излучением и конвекцией примерно равны;

σ – коэффициент излучения кладки, принимаем равными коэффициенту излучения абсолютно черного тела.

σ = 5,67 Вт/м²К⁴

F-площадь поверхности излучения, принимаем равной 1 м². тепловое сопротивление слоев кладки может быть выражено

R_k = R^/_k +R^//_k =                                                                 (1.12)

Где R^/_k и R^//_k – соответственно тепловое сопротивление внутреннего (легковес) и внешний (шамот) слоев кладки, м²град/Вт

δ₁ и δ₂ –соответствующие толщины слоев кладки, м

λ₁ и λ₂ – соответствующие теплопроводности материалов кладки, Вт/мК

Принимая в формуле (1.10) τ_н= t_н , получим из формул (1.10) и (1.12)

,

Откуда

δ₁ = λ₁(-)                                                                     (1.13)

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:

• повторение основных теоретических вопросов

решение примеров и задач по данной теме

выполнение самостоятельных заданий.

Варианты для самостоятельной работы.

К расчету теплоотражающих экранов.

Варианты	Температура источника излучения Т1 , К	Температура воздуха Т2, К	Материал т сьепень черноты		Приведенная степень черноты, А	Ответ: температура экрана, Т0, 0С
			Экранируемой поверхности, ε1	Экрана ε2
1	2	3	4	5	6	7
1	343	293	0,8	0,3
2		308		0,3
3				0,25
4				0,2
5				0,1
6				0,07
7	1000	293	0,8	0,3
8		303		0,2
9		293		0,1
10		303		0,3
11		293		0,2
12		303		0,1
13	500	293	0,9	0,3
14		303		0,2
15		293		0,1
16		303		0,3
17		293		0,2
18		303		0,1
19	1000	293	0,9	0,3
20		303		0,2
21		293		0,1
22		303		0,3
23		293		0,2
24		303		0,1
25	500	293	0,6	0,3
26		303		0,2
27		293		0,1
28		303		0,3
29		293		0,2
30		303		0,1

Примечание. Значения степени черноты экранируемой поверхности ε₂: для 0,8-0,98; для стального листа, окрашенного алюминиевой краской 0,2-0,67; для шамотного кирпича 0,59-0,85; для алюминиевого листа 0,1-0,85.

Варианты для самостоятельной работы.

К расчету теплоотводящих экранов

Варианты	Температура стенки, Т1, К	Степень черноты стенки , ε1	Степень черноты экрана, ε2	Приведенная степень черноты Апр	Площадь экрана F, м2	Количество теплоты, Ен Вт/м2	Ответ: расход воды G кг/ч
1	2	3	4	5	6	7	8
1	453	0,85	0,275	0,267	1,5
2	473	0,85			1,5
3		0,75			1,5
4		0,65			1,5
5		0,85			2,0
6		0,75			2,0
7		0,65			2,0
8	423	0,85			1,5
9		0,75			1,5
10		0,65			1,5
11		0,85			2,0
12		0,75			2,0
13		0,65			2,0
14	373	0,85			1,5
15		0,75			1,5
16		0,65			1,5
17		0,85			2,0
18		0,75			2,0
19		0,65			2,0
20	1675	0,85			1,5
21		0,75			1,5
22		0,65			1,5
23		0,85			2,0
24		0,75			2,0
25		0,65			2,0

Варианты для самостоятельной работы.

К расчету теплопоглощающих экранов

Вариант	τн =tн0С	τвн =tн0С	tв  0C	Ответ δi м
1	2	3	4	5
1	25	25	18
2	35	25	18
3	45	25	18
4	55	25	18
5	65	25	18
6	75	25	18
7	85	25	18
8	95	25	18
9	105	25	18
10	115	25	18
11	25	35	18
12	35	35	18
13	45	35	18
14	55	35	18
15	65	35	18
16	75	35	18
17	85	35	18
18	95	35	18
19	105	35	18
20	115	35	18
21	25	25	22
22	35	25	22
23	45	25	22
24	55	25	22
25	65	25	22
26	75	25	22
27	85	25	22
28	95	25	22
29	105	25	22
30	115	25	22
31	25	35	22

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1)                Что такое конвективный способ передачи тепла?

2)                Какую энергию излучают нагретый вещества?

3)                От степени нагрева различают какие виды лучей?

4)                Что представляет собой инфракрасное излучение?

5)                От чего зависит мощность инфракрасного излучения?

6)                Основные законы инфракрасного излучения?

7)                Какова должна быть температура для горячих цехов в летний период?

8)                Какие теплозащитные устройства вы знаете?

9)                Какой материал используется для их изготовления?

Глоссарий:

 

Задача1.1.Определить температуру металлического экрана, если температура экранируемой поверхности Т₁ = 273 + 70 =343 К и температура воздуха в рабочей зоне

Т₂ = 273 +35 = 308 К. кирпичная кладка печи закрыта стальными листами (ε₁ = 0,8) в качестве материала экрана выбран полировочный алюминиевый лист, степень черноты которого ε₂ = 0,2.

Решение По формуле (1.2) определяем приведенную степень черноты

А = = =0,190

Искомую температуру экрана определяем по формуле (1.1)

Т₀ = 100 = =314,42 К или 41⁰С

Вывод. Полученная температура экрана 41⁰С удовлетворяет требованиям санитарных норм СН 245-71, согласно которых температура оборудования на рабочих местах не должна превышать 45⁰С.

Задача 1.2  Температура боковой стенки мартеновской печи = 180⁰С. Стенки печи выполнена из огнетушительной воды на один экран размером 1,5 х 1м. материал экранов – окисленная оцинкованная сталь. Температура поступающей воды 18⁰С. Принимаем температуру экрана t₂ = 33⁰C/

Решение Согласно приложения (1.2) степень черноты огнеупорного кирпича ε₁= 0,85, экрана ε₂ = 0,276. площадь экрана 1х1,5=1,5 м².

Определяем количество теплоты, переданной излучением с 1м² горячей стенки воде по формуле (1.3)

Е_м = С₀ А_пр [] = 5.67*0.267 [] = 514 Вт/м², где по формуле (1.4)

А_пр = =0,267

Т₁ = 273 +180 = 453 К, Т₂=273+33=306 К

Необходимое количество воды для охлаждения экрана определяем по формуле (1.5)

G = = =39,8 кг/ч

Задача 1.3 Определить оптимальную толщину теплоизоляции из каолинового ультралегковеса (λ₁ = 0,2 Вт/мК) двухслойной стенки поста управления, если внешний слой выложен из шамота толщиной δ₂=0,23 м, при условии, что τ_н = τ_n = 75⁰C, t_в=18⁰С. Задаемся также, что температура внутренней стенки со стороны поста управления τ_вн=25⁰С.

Решение   По формуле λ = а + вТ (приложение 1.5) находим что теплопроводность шамота в условиях поставленной задачи

λ2 = 6,672*10^-1 + 0,6 *10^-3 *298 = 0,6672 + 0,1788 = 08460 Вт/мК

величина теплового потока Q

Q= 2Е= 2σF ()⁴ – ()⁴ = 25,671(2,98⁴-2,91⁴)=25,67*1(78,66-71,71)= 81,08 Вт/м². Искомая толщина теплоизоляционного слоя согласно формуле (1.5) составит

δ₁= λ₁(-) = 0,2*()=0,2(0,6166-0,2718)=+0,06896м

Блиц тест:

1.Чему равно количество теплоты, переданное излучением с 1м2 горячей стенки воде

А. С0 Апр []  Вт/м2

В. 2δF[]

С.

D. 100

E.

 

2. Наиболее  распространенным   и эффективным   способом защиты от теплового  излучения является A. экранирование

B. теплоизоляции

C.  ограждение

D. предохранительные устройства

E. отсос излучения

 

3. По принципу действие экраны не бывают

A. тепловыделяющими

B. теплоотражающими

C. теплопоглощающими

D. теплоотводящими

E.теплозащищающими

 

4.Материалом для теплоотражающих экранов не может быть

A. гипсакартон

B. листовой алюминий

C. белая жесть

D. алюминиевая фольга

E. закаленные стекла

 

5. Материалом для теплопоглощающих экранов не может быть

A.деревянное полотно

B. асбест

C. шамотный кирпич

D.шамот в полкирпича

E.динасовый кирпич

Литература :

1). Петров С.В., Шорин А.Ф. Теплозащита в металлургии. / Справочник. –М: металлургия, 1981, -120 с

2). Бабалов А.Ф. промышленная теплозащита в металлургии. –М: Металлургия, 1971, -360с

3). ОСТ 14-2-82. ССБТ. Средства коллективной защиты от тепловых излучений. Введен в действие 29.06.82.

1. 4). Зубарев Ю.В. Пискунов в.А. Охрана труда в черной металлургии. –М: «Металлургия» 1990г.