CAP.12. INSTALAŢII DE CUPTOARE

12.1. SCHEMA GENERALĂ A CONSTRUCŢIEI UNUI CUPTOR

12.1.1. Definiţii. UtilizăriCuptorul industrial este o instalaţie energo-tehnologică în care prin

acţiunea căldurii se atribuie unui produs sau unui material anumite însuşiri fizice sau chimice necesare pentru prelucrarea ulterioară sau pentru elaborarea lui ca produs finit.

Utilizarea cuptoarelor în industriile metalurgică, siderurgică şi constructoare de maşini este deosebit de răspândită.

Astfel, în cuptoarele Siemens-Martin are loc elaborarea oţelului pornind de la fier brut, deşeuri de fier şi oţel, minereu, cu adaos de calcar.

În cuptoarele de încălzire, lingourile sau semifabricatele de metal îşi măresc plasticitatea pentru a fi mai uşor prelucrate ulterior.

În cubilourile de turnătorie fonta este topită pentru a fi turnată. Concomitent se poate modifica şi compoziţia chimică a acestuia, în raport cu condiţiile cerute la turnare (fontă cenuşie, fontă rezistentă la temperaturi înalte, etc.).

În unele cuptoare de tratament termic piesele de oţel se încălzesc, iar apoi se răcesc după un regim bine stabilit, realizându-se astfel modificări ale structurii interne a metalului, fără o modificare a compoziţiei lui chimice (călire, recoacere, normalizare, revenire).

În metalurgia metalelor feroase şi neferoase cuptoarele sunt agregate tehnologice principale. Astfel, în întreprinderile metalurgice pentru metale feroase se utilizează cuptoare înalte (furnale) pentru obţinerea fontei, cuptoare Martin şi electrice pentru elaborarea oţelurilor, cuptoare pentru încălzirea lingourilor înainte de laminare etc.

La fel de mare este importanţa cuptoarelor în industria sticlei, a porţelanului, a faianţei, a cărămizilor refractare, a cimentului etc.

Executând anumite funcţii tehnologice cuptoarele sunt agregate energetice complexe, care consumă cantităţi mari de combustibil de calitate superioară.

Consumul de combustibil al cuptoarelor industriale ocupă unul din primele locuri în bilanţul general de combustibil al unei ţări, utilizarea judicioasă a acestuia fiind o problemă de actualitate, cu atât mai mult cu cât preţul combustibilului la scară mondială creşte.

12.1.2. Părţile principale ale uneiinstalaţii de cuptor

O instalaţie de cuptor este un agregat complex, adică cuprinde, în afară de cuptorul propriu-zis, o serie de alte instalaţii şi mecanisme anexe, necesare pentru funcţionarea cuptorului.

Figura 12.1 prezintă, în mod schematic o instalaţie de cuptor compusă din următoarele părţi principale:

1

Fig. 12.1. Schema generală a unui cuptor1- focar; 2- camera cuptorului; 3- instalaţie regenerativă; 4-cazan recuperator;

5-instalaţie de tiraj; 6-ventilator

1 - Focarul (1) - este adaptat combustibilului utilizat, deci construcţia lui depinde de felul combustibilului. Pentru combustibili solizi se utilizează focare cu grătar, pentru cei lichizi injectoare, iar pentru cei gazaşi arzătoare. Mărimea focarului, arzătoarelor şi injectoarelor depinde, în afară de felul combustibilului şi de debitul de combustibil folosit. Focarul se găseşte sau în imediata apropiere a cuptorului propriu-zis (spaţiului de lucru) sau face parte chiar din acesta. În acest caz, arzătoarele sau injectoarele sunt fixate direct pe pereţii cuptorului şi trimit flăcări în spaţiul de lucru.2 - Cuptorul propriu-zis (2) este format din spaţiul de lucru în care are loc transmisia căldurii de la gazele produse prin ardere la materialul supus prelucrării.

Spaţiul de lucru este limitat lateral de pereţii cuptorului, jos de vatră şi sus de boltă, care trebuie să suporte temperaturile de regim şi în acelaşi timp să evite evacuarea căldurii spre exterior în atmosferă.

Pentru a îndeplini aceste condiţii, ele se execută în general din două feluri de materiale [12.1]:

a) spre interior, din material ceramic refractar; acesta trebuie să suporte atât temperatura ridicată a gazelor, cât şi atacul chimic al gazelor, prafului şi zgurilor produse în spaţiul de lucru;

b) spre exterior, pereţii laterali, bolta şi vatra au un strat de material izolator şi de protecţie. Acestea evită pierderile de căldură din spaţiul de lucru şi protejează pereţii contra degradării mecanice.

Toată zidăria cuptorului este înconjurată de un schelet metalic numit armătura cuptorului.

Dimensiunile spaţiului de lucru depind de capacitatea cuptorului şi de regimul lui termic. Cuptoarele pentru încălzit, de exemplu, pot avea o suprafaţă a camerei de lucru între 0,25 şi 60 m2, iar cuptoarele pentru ciment o lungime a tamburului de până la 150 m.3 - Instalaţia regenerativă (3) permite reducerea temperaturii gazelor de ardere prin preîncălzirea aerului sau a combustibilului gazos înainte de a se introduce în focar.

2

Prin preîncălzirea aerului şi a combustibilului temperatura de ardere a acestuia se măreşte, ridicând astfel şi temperatura în camera de lucru a cuptorului. În felul acesta se realizează o mărire a economicităţii instalaţiei, micşorându-se consumul specific de combustibil şi mărindu-se randamentul cuptorului, [12.1.].4 - Cazan recuperator (4). În multe cazuri gazele de ardere, la ieşirea din camera de lucru, conţin mai multă căldură decât cea necesară pentru preîncălzirea aerului şi a combustibilului gazos. În aceste cazuri este indicată instalarea unor cazane recuperatoare pentru producerea aburului sau apei calde (fierbinţi) necesare în scopuri tehnologice. În felul acesta randamentul cuptorului industrial se măreşte semnificativ. Uneori recuperatorul este aşezat imediat după camera cuptorului, preîncălzitoarele de aer şi combustibil fiind amplasate după el. 5 - Instalaţia de tiraj (5) are rolul de a evacua în atmosferă gazele de ardere, precum şi produsele gazoase degajate în urma prelucrării materialului în cuptor.

În majoritatea cazurilor, în camera de lucru a cuptorului, gazele de ardere se află sub o uşoară suprapresiune şi deplasarea lor nu este asigurată de instalaţia de tiraj, ca în cazul generatoarelor de abur. Instalaţia de tiraj asigură de obicei mişcarea gazelor după ce acestea au părăsit camera cuptorului. Tirajul poate fi natural sau asigurat forţat de către un ventilator. Cuptoarele sunt înzestrate şi cu utilaje mecanice care servesc la încărcare, descărcare, transport de materiale în interiorul cuptorului (vagoane, benzi de transport etc.). De asemenea, cuptoarele pot fi înzestrate cu aparate pentru reglajul arderii sau pentru reglarea automată a cuptorului în întregime.

Schema prezentată în figura 12.1 este generală, nu însă şi unică. În unele cazuri căldura care părăseşte cuptorul se foloseşte pentru preîncălzirea materialului înainte de introducerea lui în camera de lucru. Alteori nu este necesară preîncălzirea aerului şi a combustibilului în regeneratoare, aceasta asigurându-se în interiorul cuptorului, utilizându-se căldura materialului care se răceşte etc.

12.1.3. Variantele utilizării combustibilului încuptoarele industriale

Modul de utilizare a combustibilului în focarul cuptoarelor industriale este divers, depinzând atât de tipul combustibilului, cât şi de construcţia şi scopul cuptorului.

Cuptoarele industriale pot funcţiona cu combustibili solizi, lichizi sau gazoşi.

Dintre combustibilii solizi, lemnul şi cărbunele de lemn sunt rar luaţi în consideraţie la încălzirea cuptoarelor industriale, din cauza costului lor ridicat, afară de cazul când sunt disponibile deşeurile de lemn ieftin. Dacă sunt necesare un reglaj bun de temperatură şi o automatizare a dozării aportului de combustibil, nici ceilalţi combustibili solizi nu por fi utilizaţi, afară de cazul când se utilizează instalaţia de ardere cu semigaz [12.2]. O excepţie importantă o alcătuiesc cuptoarele în vrac, la care combustibilul şi materialul sunt dispuse în straturi alternative, iar aerul este insuflat sub presiune (furnale, cubilouri, cuptoare de var). De asemenea, o reglare bună a temperaturii şi o automatizare a aportului de combustibil se pot obţine cu praf de cărbune (de exemplu, la cuptoarele de ciment rotative).

3

Combustibilii gazoşi şi lichizi prezintă mari avantaje la exploatarea cuptoarelor şi anume:- transport comod, pe conducte, sub presiune;- permit o ardere cu exces scăzut de aer deoarece se pot amesteca cu aerul mult mai

bine;- posibilitatea repartizării degajării de căldură pe mai multe arzătoare;- există posibilitatea de potrivire a formei flăcării după geometria interioară a

cuptorului respectiv;- o reglare comodă a procesului de ardere şi a aportului de combustibil;- lipsa totală de cenuşă în cazul combustibililor gazoşi şi aproape totală, la

combustibilii lichizi.Principiile generale de utilizare a combustibililor solizi în cuptoare sunt

prezentate în figura 12.2.După prima schemă, combustibilul solid natural se utilizează direct în

cuptor prin ardere pe grătare. Înainte de ardere se efectuează, în oarecare măsură, o prelucrare mecanică a combustibilului, în scopul măririi gradului de utilizare a acestuia în cuptor: uscare, sortare etc.

După schema a doua, combustibilul solid, după o sortare şi uscare prealabilă este măcinat în mori speciale, iar praful este ars în cuptor sub formă de combustibil pulverizat.

După schema a treia, combustibilul solid este gazeificat în instalaţii speciale. Gazul de generator obţinut, după o prealabilă prelucrare (curăţire) şi o uşoară comprimare este ars în cuptor folosindu-se arzătoare de combustibil gazos.

Fig. 12.2 Variantele utilizării combustibililor solizi în cuptoare

4

În schema a patra se prevede o ardere a combustibilului în generatoarele unei centrale electrice, energia electrică obţinută după o transformare prealabilă, utilizându-se pentru încălzirea electrică a cuptorului.

Cea mai simplă schemă de utilizare este prima, ea necesitând şi cele mai mici investiţii. Complexitatea schemelor de utilizare a combustibilului solid în cuptoare creşte de la prima la a patra. Alegerea schemei optime se face numai printr-un calcul tehnico-economic care să determine cea mai avantajoasă schemă de utilizare a combustibilului.

Cărbunii folosiţi în cuptoarele industriale pot fi: lignit, huilă sau antracit.Lignitul se poate prelucra pentru a se transforma în combustibil lichid sau

în subproduse chimice. Prin gazeificare cu oxigen se poate obţine gaz de cocserie. Din huilă, prin încălzire cu îndepărtarea aerului se obţine combustibilul

artificial solid, denumit cocs. Cocsul şi antracitul fiind combustibili bogaţi în carbon, pot fi transformaţi

fie în gaz de generator, prin gazeificare cu aer, fie în gaz de apă prin gazeificare cu abur. Arderea cocsului (sau antracitului) în cuptoarele industriale nu are loc direct, în majoritatea cazurilor, ci se produce, mai întâi gaz în generatoare sau se folosesc focare cu semigaz (gaz relativ bogat în CO).

În cuptoarele încălzite cu combustibili, energia chimică, după ce a fost transformată în căldură şi transferată gazelor de ardere, trebuie să fie transmisă, prin intermediul acestor gaze fie direct, fie indirect, produsului sub formă de căldură utilă. Acest lucru se realizează însă, numai parţial întrucât, chiar în cele mai bune cuptoare, există căi pe care o parte din căldură se scurge în afară în mod inutil.

Totodată, în spaţiul cuptorului, la punctul unde gazele părăsesc cuptorul ele nu se pot răci sub temperatura produsului. De aceea ele vor părăsi cuptorul la o temperatură care se află peste cea a spaţiului înconjurător. Ele posedă încă în acel moment un conţinut de căldură important, care pentru procesul din cuptor este pierdut.

12.2. CLASIFICAREA CUPTOARELORINDUSTRIALE

În industrie există o mare varietate de cuptoare industriale, cu diferite destinaţii.

Datorită acestei mari diversităţi, o clasificare a cuptoarelor este dificilă şi de aceea, în momentul de faţă, nu există o clasificare unanim acceptată a acestora.

Există totuşi anumite caracteristici generale care pot sta la baza unei clasificări.

1) După destinaţia tehnologică se deosebesc:- cuptoare metalurgice (furnale pentru producerea fontei din minereu,

cuptoare pentru producerea oţelului, cuptoare pentru laminare);- cuptoare pentru industria constructoare de maşini (pentru tratamente

termice, pentru forje etc.);- cuptoare pentru obţinerea cimentului;

5

- cuptoare pentru arderea materialelor ceramice etc.

2) Funcţie de procesele care au loc în cuptoare, se deosebesc:- cuptoare de topire şi de ardere, în care încărcătura care se prelucrează se

încălzeşte până la topire (furnale, cuptoare electrice, cuptoare cu creuzete, de topit sticla etc.);

- cuptoare de încălzire, la care materialul supus prelucrării se încălzeşte sub temperatura de topire (recoacere, călire etc.);

- cuptoare de uscare (uscătoare).Datorită specificului lor, cuptoarele de uscare constituie o grupă specială denumită uscătoare [12.1].

3) După regimul termic, se deosebesc următoarele tipuri de cuptoare:- cu regim de temperatură şi cu regim termic constante în timp (cuptoare cu

bazin pentru topirea sticlei, cuptoare tunel cu funcţionare continuă);- cu regim de temperatură constant şi cu regim termic variabil (cuptoare cu

funcţionare continuă şi încărcare intermitentă);- cu regim de temperatură variabil şi cu regim termic constant (cuptoare

circulare de tip Hoffman);- cu regim de temperatură şi cu regim termic variabile în timp (cuptoare cu

funcţionare intermitentă).

4) După sursa de căldură se deosebesc cuptoare:- cu combustibil solid (în strat sau pulverizat);- cu combustibil lichid;- cu combustibil gazos;- cu mai mulţi combustibili (lichid şi gazos sau solid şi gazos);- la care combustibilul face parte din încărcătură (de exemplu convertizoare,

cuptoare pentru ars minereuri cu conţinut de sulf etc.);- electrice.

5) După modul de transmisie a căldurii:- cuptoare în care căldura se transmite materialului supus prelucrării datorită

arderii combustibilului solid care se amestecă cu materialul. Căldura se transmite materialului de la combustibilul incandescent (prin radiaţie şi conducţie termică) şi de la gazele de ardere (prin radiaţie şi convecţie). Din această categorie fac parte majoritatea cuptoarelor verticale (furnale, cubilouri, cuptoare de ars var etc.);

- cuptoare în care căldura se transmite materialului supus prelucrării de la gazele de ardere. Acestea se mai numesc cuptoare cu flacără. Transmisia căldurii la material se face în principal prin radiaţie de la flacără, de la pereţii şi bolta cuptorului şi prin convecţie de la gazele de ardere. Din această grupă fac parte majoritatea cuptoarelor ca de exemplu: cuptoarele Martin, cuptoarele de forjă, cuptoarele pentru tratamente termice, cuptoarele tunel şi circulare etc.;

6

- cuptoare în care căldura se transmite materialului prin pereţii camerelor sau ai vasului în care se află materialul. Transmisia căldurii către material se face mai ales prin radiaţie de la pereţii camerelor sau vaselor, prin conducţie, dacă materialul vine în contact cu pereţii vasului şi prin convecţie de la gazele aflate în cameră. Din această categorie fac parte cuptoarele cu muflă şi cele cu retortă);

- cuptoare în care căldura se degajează în materialul supus prelucrării datorită reacţiilor exoterme. În aceste cuptoare, particulele de material care intră în reacţie (a căror temperatură creşte), transmit căldura particulelor alăturate, prin radiaţie şi conducţie. În cazul existenţei gazelor de ardere, căldura se transmite prin radiaţie şi convecţie de la gaze la material. În cazul în care căldura degajată nu este suficientă, se introduce o cantitate suplimentară de căldură produsă prin arderea combustibilului. Din această categorie fac parte cuptoarele pentru arderea minereurilor care conţin sulfuri.

- cuptoare electrice, în care căldura se transmite materialului prin radiaţie de la un arc electric sau de la o rezistenţă, prin conducţie de la rezistenţă, prin convecţie şi radiaţie de la gazele încălzite de rezistenţă, prin radiaţie şi conducţie de la pereţii încălziţi de o rezistenţă şi prin trecerea curentului electric direct prin material. Din această categorie fac parte cuptoarele cu arc electric pentru elaborarea oţelului, cu rezistenţă electrică pentru tratamente termice, de inducţie pentru călire şi cu încălzire mixtă pentru obţinerea carburii de calciu (carbid).

6) După forma camerei de lucru. Spaţiul de lucru este locul în care se aşează materialul care trebuie tratat termic împreună cu adaosurile necesare (de exemplu fondanţi). După forma spaţiului de lucru se deosebesc:

- cuptoare verticale, la care spaţiul de lucru este un puţ cu înălţimea de cel puţin o dată şi jumătate mai mare decât diametrul (furnale, cuptoare de var, cubilouri);

- cuptoare cu camere. Spaţiul de lucru este o cameră cu pereţi permanenţi sau temporari. Materialul se aşează în cameră în strat înalt sub formă de rânduri.

- cuptoare cu vatră, la acre spaţiul de lucru este prevăzut cu una sau mai multe vetre, pe care materialul se aşează într-un strat subţire (cuptoare de încălzire pentru forjă, cuptoare de tratament termic);

- cuptoare cilindrice rotative, la care spaţiul de lucru al cuptorului este format dintr-un tambur orizontal sau înclinat cu 5...10°;

- cuptoare tunel, la care spaţiul de lucru este format dintr-un canal orizontal de lungime mare, în care materialul este transportat în vagonete sau transportoare (cuptoare de încălzire pentru forjă);

- cuptoare cu creuzete, la care spaţiul de lucru este format dintr-o cameră în care se aşează creuzetele. În general materialul se obţine în creuzete în stare topită (cuptoare pentru topirea metalelor neferoase).

- cuptoare cu bazin, la care spaţiul de lucru este format dintr-o cameră, prevăzută la partea inferioară cu un bazin în care produsul se obţine în stare topită.

7

12.3. PRINCIPIILE GENERALE ALE ARDERIICOMBUSTIBILILOR ÎN CUPTOARE

Procedeele de ardere a combustibililor sunt în funcţie de natura combustibililor, destinaţia cuptorului, procesul tehnologic, construcţia şi capacitatea cuptorului.

În cele ce urmează se vor prezenta unele principii generale ale arderii combustibililor în cuptoare, principii care stau la baza construiri focarelor de cuptoare [12.1], [12.7].

12.3.1. Cuptoare cu temperaturi joase,cu acţiune continuă

Această grupă cuprinde cuptoarele cu temperaturi în cameră de 800...1000°C, folosite pentru prelucrarea termică a metalelor neferoase, a produselor de oţel etc.; gazele de ardere care intră din focar în camera cuptorului trebuie să fie produse de o ardere terminată, deoarece în camera nu se poate realiza o ardere definitivă a gazelor. Practic, arderea stabilă a gazelor în camera cuptorului se poate produce numai când temperatura cuptorului, tc, depăşeşte cu cel puţin 200....300°C temperatura de inflamabilitate a gazului, adică

tc = tinfl + (200...300) grdValori curente ale temperaturii de inflamabilitate sunt:- pentru gaz de furnal, tinfl = 700.....800°C;- pentru gaz de generator, tinfl = 650.....800°C;- pentru gaz de iluminat, tinfl = 560.....730°C.În figura 12.3 este prezentată schema unui cuptor de joasă temperatură.

Scăderea temperaturii gazelor de ardere se recomandă să se facă prin amestecarea gazelor fierbinţi cu gaze de evacuare, printr-o recirculaţie de gaze.

Această grupă cuprinde cuptoare cu temperaturi în cameră mai mari de 1000°C (tc > 1000°C). Aici gazele ard stabil chiar în cameră, de exemplu, într-un cuptor de forjă, la temperatura de 1200...1300°C.

Fig.12.3 Cuptor de joasă temperatură cu acţiune continuă1-focar; 2-camera cuptorului; 3-gaze de ardere; 4-material supus încălzirii.

8

12.3.2. Cuptoare cu temperaturi ridicate,cu acţiune continuă

Dacă gazele care ard sunt răcite brusc, sub temperatura de inflamabilitate, atunci reacţia de ardere se opreşte şi se degajă funingine.

În acest caz poate fi aplicată regula de bază pentru construcţia de cuptoare, potrivit căreia combustibilul trebuie, pe cât posibil, să ardă în apropierea produselor, adică centrul de ardere să fie în camera cuptorului. În asemenea cazuri, focarul şi camera de lucru sunt comasate [12.6].

În figura 12.4 este prezentată o schemă de construcţie a unui cuptor de acest tip, încălzit cu gaze, păcură sau praf de cărbune.

La cuptoarele de dimensiuni mari care folosesc combustibil solid (huilă sau lignit) se utilizează o construcţie cu focar care produce semigaz, a cărui ardere completă se produce în camera cuptorului, figura 12.5.

Fig. 12.4 Cuptor de temperatură ridicată cu acţiune continuă1-focar; 2-camera cuptorului; 3-materialul supus încălzirii.

Fig. 12.5 Schema unui cuptor, cu focar cu semigaz, pentru arderea combustibilului aşezat în straturi

1-alimentarea cu aer primar; 2- aer secundar; 3-grătarul; 4-uşa focarului; 5-uşa pentru conducerea focului; 6-uşa pentru evacuarea zgurii şi cenuşii; 7-zona zgurii; 8-zona de ardere; 9-

zona de reducere; 10-stratul de combustibil proaspăt; 11-semigazul; 12-camera cuptorului.

9

12.3.3. Cuptoare cu ardere discontinuă,cu regim termic variabil

Această grupă de cuptoare se caracterizează prin aceea că produsele supuse prelucrării sunt încărcate când cuptorul este rece; după aceea ele sunt încălzite, conform regimului prescris, până la o temperatură maximă, iar apoi sunt răcite, încălzirea şi răcirea produselor şi a zidăriei cuptorului producându-se concomitent.

În această categorie intră cuptoarele cu cameră pentru arderea (coacerea) produselor ceramice (porţelan, faianţă, refractare).

La aceste cuptoare focarele se construiesc astfel ca, la începutul procesului, când în cuptor temperatura nu este mare (tc < 900....1000°C), în ele să se realizeze o ardere completă a combustibilului. În etapa a doua de ardere, tc > 900....1000°C, iar în focar se stabileşte un regim de focar de semigaz.

12.4. TIPURI CONSTRUCTIVE DE CUPTOARE INDUSTRIALE

În industrie se întâlneşte o mare varietate de tipuri de cuptoare. În continuare se prezintă câteva tipuri care au o mai largă răspândire.

12.4.1. Cuptoare verticale (turn)Cel mai reprezentativ cuptor vertical este furnalul sau cuptorul înalt, care

are spaţiul de lucru dispus în lungul axei verticale.În figura 12.6 este reprezentată schema funcţională a unui furnal.

Fig. 12.6 Schema funcţională a furnalului

Minereul, combustibilul (cocsul) şi fondantul se încarcă (sub formă de şarje) prin gura superioară a furnalului echipată cu un dispozitiv de încărcare.

10

În tot timpul funcţionării furnalului spaţiul de lucru este izolat de atmosferă prin dispozitivul de încărcare, în vederea recuperării din partea superioară a gazului de furnal, care este apoi folosit drept combustibil în instalaţiile de ardere energetice şi în instalaţiile de încălzire a aerului necesar arderii.

Furnalele sunt instalaţii cu o dublă funcţiune: o funcţie tehnologică (fabricarea fontei) şi o funcţie energetică (producerea gazului de furnal), ceea ce conduce la un randament ridicat de 85-87%.

Din grupa cuptoarelor verticale fac parte, de asemenea cubilourile şi cuptoarele verticale de clingher.

În figura 12.7 este prezentată schema unui cubilou, folosit în turnătoriile de fontă. În aceste cuptoare se topeşte fontă, deşeuri de la turnătorii, alice de fontă şi oţel cu adaos de cocs, drept combustibil şi var drept fondant.

Fig.12.7 Cubiloul

11

Fig.12.8 Cubilou cu anticreuzet

Aerul de ardere se comprimă cu ajutorul unei suflante şi este introdus în conductele inelare de aer de unde este insuflat în cuptor prin mai multe guri de vânt.

Adeseori, se execută cubilourile cu antecreuzet (figura 12.8). Prin această măsură se obţine o elaborare uniformă a şarjei datorită evacuării neîntrerupte a zgurii şi fontei.

12.4.2. Cuptoare cu vatrăDin această categorie tipul reprezentativ este cuptorul Siemens-Martin,

care serveşte la elaborarea oţelului de o calitate dorită, pornind de la fierul brut, deşeuri de fier şi oţel, minereu, cu adaos de calcar.

Temperatura de topire a oţelului este de 1550-1650°C, ceea ce impune ca temperatura gazelor de ardere să fie de 1850-1950°C.

Cuptorul Martin, figura 12.9, are două camere de regenerare care servesc la ridicarea temperaturii aerului până la 1000-1200°C şi a combustibilului gazos până la 800-1000°C. Preîncălzirea puternică a celor doi agenţi este necesară pentru atingerea temperaturii de 1800-1950°C în spaţiul de lucru. Temperatura gazelor de ardere la ieşirea din cuptor este de 1750-1850°C şi scade în regenerator până la 500-700°C.

La cuptoarele moderne se folosesc cazane recuperatoare în care se introduc gazele de ardere ieşite din regenerator.

În spaţiul de lucru al cuptorului se introduc materialele aferente elaborării oţelului prin uşile laterale cu ajutorul unor macarale speciale cu braţe.

Productivitatea orară a acestor cuptoare se află între 160 vatră în cazul încălzirii cu gaz de generator şi 320 vatră la gaz de cocserie sau păcură.

Puterea suprafeţei de încălzire este de 300-400 kW/m2 [12.2].

12

Fig. 12.9 Schema funcţională a cuptorului MartinI - spaţiu de topire; II - regeneratorul de aer; III - regeneratorul de gaze combustibile;

IV - capul cuptorului; 1-intrarea aerului rece în regenerator;2-intrarea gazului preîncălzit în cuptor; 3-intrarea gazului în spaţiul de topire; 4-intrarea

aerului rece în regenerator; 5-intrarea aerului fierbinte în capul cuptorului; 6-intrarea aerului fierbinte în spaţiul de topire; 7-canalul de intrare a gazelor de ardere în regeneratoarele de aer;

8-idem pentru regeneratoarele de gaze; 9- ieşirea gazelor de ardere din regeneratoarelede aer; 10-idem din regeneratoarele de gaze; 11 şi 12-registre de schimbare a direcţiei gazelor;

13-canal de trimitere a gazelor de ardere la cazanul recuperator. Prin folosirea oxigenului în locul aerului se pot mări considerabil aceste valori, îmbunătăţindu-se randamentul cuptorului şi reducându-se timpul de topire.

Randamentul unui cuptor obişnuit Siemens-Martin este de 35%, în timp ce al celui care foloseşte oxigen poate atinge 50%.

Cuptoarele cu vatră pot avea vatra fixă ca în cazul cuptorului Martin, fie basculată, figura 12.10.

13

Fig. 12.10 Cuptor de topit cu vatră basculantă cu rezistenţe electrice

12.4.3. Cuptoare de topire cu creuzetAceste cuptoare de topire pot fi încălzite cu cocs, gaz, păcură sau curent

electric. În aceste cuptoare există unul sau mai multe creuzete în care se află metalul topit sau aliajul.

Şarja nu este în contact direct cu flacăra şi - dacă se iau măsuri de prevenire - nici cu gazele de ardere. Acest contact ar putea fi, în multe cazuri periculos deoarece, o baie de metal topit absoarbe uşor gazele.

Cuptoarele de topit cu creuzet, ca cel din figura 12.11 se execută cu creuzet fie demontabil sau nedemontabil.

Creuzetele pot fi confecţionate din grafit cu un element de aliere ceramic, din carbură de siliciu sau din fontă, în funcţie de regimul termic al cuptorului. De exemplu, pentru aliaje de aluminiu sau magneziu se întrebuinţează creuzete din oţel sau fontă (au conductivitate termică mai mare faţă de cele din grafit sau carbură de siliciu).

Spaţiul de lucru al acestor cuptoare poate fi de secţiune circulară, dreptunghiulară sau ovală.

Fig.12.11 Cuptor cu creuzet încălzit cu cocs

14

12.4.4. Cuptoare cu propulsie

Aceste cuptoare sunt cele mai utilizate utilaje continue pentru laminoare, reprezentativ fiind cel cu trei zone termice şi cu încălzire bilaterală, figura 12.12, [12.4].

Fig. 12.12 Schema cuptorului cu propulsie cu trei zone şi încălzire bilaterală1-zona de preîncălzire; 2-zona de încălzire; 3-zona de egalizare; 4-arzător; 5-canal de fum; 6-

împingător; 7-orificii de încărcare şi descărcare; 8-glisiere; 9-suporturi pentru glisiere; 10-vatră monolit

Ele se folosesc pentru încălzirea lingourilor de oţel înainte de prelucrarea la cald. Gazele de ardere circulă în contracurent cu materialul care se deplasează pe şine.

În camera de temperatură înaltă, temperatura gazelor de ardere ajunge până la 1400-1500°C, iar în zona de preîncălzire scade până la 800-1000°C [12.9], [12.10].

12.4.5. Cuptoare cu combustibil din secţiile de forjă

În secţiile de forjă se folosesc, în mod frecvent, cuptoare cu funcţionare ciclică, cum sunt cele cu vatră fixă (cu una două camere sau cu fantă), unul dintre acestea fiind prezentate în figura 12.13, pentru încălzirea semifabricatelor cu dimensiuni reduse şi cele cu vatră mobilă, pentru încălzirea lingourilor de dimensiuni mari, în vederea forjării prin presare.

15

Fig. 12.13 Cuptor cu vatră fixă pentru forjă1-spaţii de lucru; 2-arzător; 3-canal de fum; 4-orificiu de încărcare - descărcare; 5-semifabricat

Cuptorul cu vatră mobilă are aceeaşi configuraţie ca şi cel cu vatră fixă, dar vatra este deplasabilă pe orizontală.

12.4.6. Cuptoare rotative

Aceste cuptoare sunt formate dintr-un tambur cilindric de tablă căptuşit cu material refractar, având axa puţin înclinată faţă de orizontală.

Lungimea tamburului variază între 2-50 m, diametrul interior fiind de 1,5-3 m.

Cilindrul este rezemat pe două sau mai multe perechi de role şi este prevăzut cu o coroană dinţată, cu ajutorul căreia este acţionat cu o mişcare de rotaţie, figura 12.14.

Fig. 12.14 Cuptor rotativ

16

Materialul se încarcă printr-o pâlnie la o extremitate şi se descarcă prelucrat la celălalt capăt al tamburului.

Procesele fizico-chimice au loc sub influenţa căldurii dezvoltate prin arderea combustibilului care se transmite materialului supus arderii în condiţiile deplasării acestuia în contracurent cu gazele de ardere [12.8].

Aerul necesar arderii se suflă cu ajutorul unui ventilator; materialul umple numai o parte a secţiunii cuptorului. Pentru a mări suprafaţa de contact între gazele de ardere şi material, tamburul cuptorului este prevăzut cu şicane.

Cuptorul rotativ serveşte pentru calcinarea, prăjirea, uscarea şi arderea diverselor materiale.

În faţa cuptorului se află focarul.În cazul arderii clincherului de ciment la temperatura de 1400-1450°C se

foloseşte drept combustibil păcură, praf de cărbune, gaze naturale sau de cocserie.Cuptoarele rotative pentru clincher au lungimi mai mari, de 70-170 m.

Înclinarea tamburului este de 4°.La arderea magnezitei metalurgice la temperatura de 1650°C se foloseşte

drept combustibil păcura cu exces mic de aer.Pentru arderea şamotei la temperatura de 1300-1350°C şi a varului la

temperatura de 1200-1300°C se poate întrebuinţa, pe lângă combustibilii citaţi şi gazul de gazogen care poate fi preîncălzit.

12.4.7. Cuptoare tunel

Aceste cuptoare sunt utilizate în special pentru arderea produselor ceramice. După forma canalului de lucru ele pot fi: cu canal drept (figura 12.15) sau cu canal circular.

Fig. 12.15 Schema de funcţionare a unui cuptor tunel

Principiul de funcţionare al acestor cuptoare constă în deplasarea continuă a vagoanelor încărcate cu produse care se ard în contracurent cu gazele de ardere. Convenţional cuptorul se împarte în zonele de preîncălzire, ardere şi răcire. Transmisia căldurii se realizează fie direct de la gazele de ardere la material, fie prin intermediul muflei, în care caz gazele de ardere nu intră în spaţiul de lucru.

Aceste cuptoare au dezavantajul stratificării curenţilor (curenţi calzi la partea superioară şi reci la bază). Pentru evitarea acestui neajuns se realizează o circulaţie transversală (forţată) a gazelor de ardere în zona de preîncălzire sau a aerului în zona de răcire.

17

Viteza gazelor în cuptor pentru evitarea stratificării curenţilor, trebuie să fie de 1-1,5 m/s, iar viteza de înaintare a trenului de vagonele 1-2,5 m/h. Fiind un cuptor cu funcţionare continuă cu posibilităţi de recuperare a căldurii fizice a gazelor de ardere, el este unul din cuptoarele cu randamentul termic cel mai bun.

12.5. SCHIMBUL DE CĂLDURĂ ÎN INCINTELE CUPTOARELOR

12.5.1. Schimbul de căldură prin radiaţie în incinte constituind sisteme compuse din suprafeţe de corpuri cenuşii

În acest caz incintele sunt umplute cu atmosferă transparentă (absorbanţă neglijabilă la radiaţie)A. Fluxul termic transmis de la suprafaţa interioară a muflei la suprafaţa şarjei – ambele suprafeţe izoterme de corpuri cenuşii – se calculează cu relaţia (indicele c se referă la muflă – cuptor, iar m, la şarjă – material):

[W] (12.1)

unde: Ccm [W/m2 K4] este coeficientul redus de radiaţie al sistemului; Ar [m2] – aria suprafeţei convenţionale de radiaţie, iar Tc şi Tm [K] – temperatura suprafeţei interioare a muflei şi, respectiv, a suprafeţei şarjei.

Valoarea coeficientului Ccm depinde de forma şi poziţia reciprocă a suprafeţelor, de factorii energetici de emisie c şi m ai acestora şi de ariile suprafeţelor lor, Ac şi Am.

Sistemele cele mai reprezentative sunt prezentate în figura 12.16, coeficienţii reduşi de radiaţii fiind calculaţi cu relaţiile [12.11]:

- pentru cazurile 1,2 şi 3:

, Ar = Am (12.2)

- pentru cazurile 4,5 şi 6:

, (12.3)

Ar fiind aria suprafeţei de protecţie a şarjei pe vatră (cazurile 4 şi 5), respectiv aria suprafeţei circumscrise celei a şarjei (cazul 6);

18

Fig. 12.16. Incinte de mufle sau de cuptoare cu flacără deschisă, având şarje de diferite forme:1,2,3 – şarja prezintă o suprafaţă de încălzire continuă, plană sau convexă; 4,5,6 – şarja

prezintă o suprafaţă de încălzire continuă, concavă; 7,8 – şarja este constituită din bucăţi distanţate între ele. Ac – aria suprafeţei interioare a muflei (cuptorului); Az – aria suprafeţei

interioare a pereţilor (zidăriei); Ar – aria suprafeţei convenţionale de radiaţie a şarjei; Am – aria suprafeţei şarjei (materialului).

- pentru cazul 7 (t/d > 1 , vatra fiind puţin termoconductoare):

, (12.4)

, (12.5)

În acest caz Ar este aria suprafeţei vetrei ocupată de şarjă.- pentru cazul 8 (vatra fiind puţin termoconductoare):

19

, (12.6)

(12.7)

, (12.8)

unde rv este coeficientul unghiular de iradiere între suprafaţa convenţională de radiaţie şi cea a vetrei (relaţie valabilă pentru piese lungi, l >>t); Ar se ia egală cu aria suprafeţei vetrei ocupată de şarjă.

B. Fluxurile termice recepţionate de şarjă (indicele m), respectiv de zidărie (indice z) în cuptoarele cu boltă radiantă sau cu tuburi radiante (figura 12.17) se determină cu relaţiile [12.12]:

[W]

(12.9)

[W]

(12.10)unde:

, (12.11)

, (12.12)

, (12.13)

, (12.14), (12.15)

, (12.16) - factorul energetic de emisie efectiv al suprafeţei de schimb termic prin

radiaţie; Ar – dependent de factorul energetic de emisie al suprafeţei şarjei, de forma acesteia şi de modul de dispunere a ei în cuptor; iar şi - factorul energetic de emisie al suprafeţei radiantului şi al zidăriei.

20

(12.17)

(12.18)(12.19)(12.20)

- pentru cazurile 1 – 3:Ar = Am şi r = m ;

- pentru cazurile 4 – 6:Ar este aria suprafeţei circumscrisă şarjei (cazul 4), respectiv proiecţia suprafeţei şarjei pe vatră (cazurile 5 – 6):

(12.21)- pentru cazul 7 (t/d > 1, vatra puţin termoconductoare):

, (12.22)

Ar este aria suprafeţei vetrei ocupată de şarjă; rm se determină cu relaţia (12.5).

- pentru cazul 8:Ar este aria suprafeţei vetrei ocupată de şarjă, iar r şi rv se calculează cu

relaţia (12.7), respectiv (12.8).

21

Fig. 12.17. Incinte de cuptoare cu boltă radiantă (1-2) sau cu tuburi radiante (3-8)1-3 – şarja prezintă o suprafaţă de încălzire continuă, plană sau convexă; 4 - 6 – şarja prezintă o suprafaţă continuă, concavă; 7 - 8 – şarja constituită din bucăţi distanţate între ele. Ab – aria suprafeţei bolţii radiante sau a tuburilor radiante; Az – aria suprafeţei interioare a pereţilor; Ar

– aria suprafeţei convenţionale de radiaţie a şarjei; Am – aria suprafeţei şarjei.

22

12.5.2. Schimbul de căldură prin radiaţie în incintele cuptoarelor cu flacără deschisă

a) Incinte umplute cu gaz radiant, cu factor energetic de emisie g , şi temperatura Tg const. (gaze de ardere).Pierderile termice prin pereţi sunt acoperite de fluxul termic transmis de gaz pereţilor prin convecţie, astfel încât suprafaţa pereţilor poate fi considerată reflectantă de radiaţii.

Fluxul termic transferat şarjei de temperatură superficială Tmconst. se calculează cu relaţia:

[W],

(12.23)iar temperatura suprafeţei interioare a pereţilor se determină din relaţia:

(12.24)Valoarea ariei convenţionale de radiaţie Ar şi a factorului energetic de

emisie r se determină, în funcţie de geometria sistemului gaz – pereţi – suprafaţă de încălzire, dupa cum urmează (fig.12.16):

- pentru cazurile 1 –3:Ar = Am şi r = m ;

- pentru cazurile 4 şi 5, Ar este aria protecţiei suprafeţei şarjei pe vatră, iar r

se calculează cu relaţia (12.21);- pentru cazul 6, Ar este aria suprafeţei circumscrisă secţiunii şarjei, iar r se

calculează cu relaţia (12.21);- pentru cazurile7 şi 8 (vatra cu rezistenţă termică mare), Ar este egală cu

aria suprafeţei vetrei ocupate de şarjă, iar r se calculează respectiv cu relaţiile (12.22) şi (12.7).

b) Incinte cu temperaturi variabile pe lungimeCazul 1: Lungimea zonei de ardere a combustibilului (flăcării) este practic egală cu lungimea supfrafeţei de încălzire a şarjei (fig.12.18.a); temperatura flăcării este variabilă pe lungime, iar cea a suprafeţei şarjei (Tm) este constantă sau variază în limite restrânse (de exemplu, incinta cuptoarelor cu vatră pentru elaborarea aliajelor: Siemens-Martin, rotative etc.)

Fluxul de căldură primit de suprafaţa şarjei se poate calcula cu relaţia:

[W], (12.25)

23

unde: r şi Ar au aceleaşi semnificaţii ca şi la cuptorul cameră şi se calculează cu relaţiile indicate acolo; Kq – coeficientul de neuniformitate a fluxului pe suprafaţa de încălzire a şarjei, determinabil cu relaţia:

, (12.26)

unde: [W/m2] este valoarea medie, pe întreaga suprafaţă de încălzire, a fluxului unitar incident; [W/m2] – valoarea medie a fluxului termic unitar, pe lăţimea suprafeţei de încălzire, la capătul final al acestuia, determinat din relaţia:

[W/m2] (12.27)

Fig.12.18 Scheme de cuptoare cu flacără deschisă cu temperatura variabilă pe lungime:a – lungimea zonei de ardere (La) este practic egală cu cea a suprafeţei de încălzire (Li); b – lungimea zonei de încălzire este egală cu suma lungimilor zonei de ardere şi a celei în care

gazele de ardere se răcesc (Lr).

În relaţia (12.27) qf este fluxul unitar rezultat corespunzător sfârşitului suprafeţei de încălzire, calculabil cu relaţia (12.23), în care Tg corespunde temperaturii de evacuare a gazelor din incintă, iar g se ia corespunzător acestei temperaturi.

În cazul unei desfăşurări normale a arderii şi a gazodinamicii flăcării, avem Kq 1 (de exemplu, la cuptorul Siemens-Martin, Kq 1,0 ...1,05). Dacă lipsesc date experimentale privitoare la valoarea acestui coeficient, se poate considera Kq

1,0.Cazul 2: Lungimea suprafeţei de încălzire este mai mare decât lungimea

flăcării, putându-se deosebi două părţi: una, corespunzătoare lungimii flăcării (zonei de ardere a combustibilului), a doua în care are loc răcirea gazelor de ardere, ca urmare a cedării de căldură (fig. 12.18.b)

Fluxul termic primit de şarjă în prima zonă se determină ca în cazul 1. Pentru zona a doua, se consideră un flux unitar mediu, care poate fi calculat, în funcţie de valorile fluxului unitar, la începutul zonei (qi) şi la sfârşitul zonei (qf) ca:

- medie aritmetică:(12.28)

- medie geometrică:(12.29)

- medie logaritmică:

24

(12.30)

12.5.3. Schimbul de căldură în cuptoarele cu straturi fixe de materiale granulare

a) Coeficientul de convecţie de la gazul ce străbate stratul la suprafaţa bucăţilor de material se poate calcula cu relaţiile:

Nu = 0,106 Re ( pentru Re =20 ... 2000) (12.31) (pentru Re > 200), (12.32)

Dimensiunea caracteristică fiind diametrul bucăţilor, iar viteza gazului rezultă din raportarea debitului la întreaga secţiune a stratului.

b) Fluxului termic transmis suprafeţei de arie Ab [m2] a unei bucăţi se calculează cu relaţia:

[W], (12.33)unde: [W/m2K] este coeficientul de convecţie ce se determină din relaţiile (12.31), (12.32), Tg şi Tb – temperatura gazului şi respectiv a suprafeţei bucăţii; q [W/m2] – fluxul termic corespunzător ariei unitare a suprafeţei bucăţii.

c) În cazul unui strat cu granulaţie neuniformă, fluxul termic unitar mediu (considerând uniformă repartizarea în strat a fracţiunilor granulometrice, viteza gazului uniformă pe secţiune, iar temperatura superficială a bucăţilor egală), se poate calcula cu relaţia:

[W/m2], (12.34)

unde n este numărul fracţiunilor granulometrice din strat; Mi – participaţia masică a fracţiunii în strat; [m] – diametrul mediu al bucăţilor din fracţiune; i

[W/m2K] – coeficientul de convenţie corespunzător diametrului .d) Fluxul termic transferat de gaz bucăţilor dintr-un strat cu aria secţiunii

As [m] şi înălţimea H [m] (pe care temperatura bucăţilor poate fi considerată constantă), se calculează cu relaţia:

[W], (12.35)

unde f este porozitatea stratului, [W/m2] – fluxul termic unitar mediu pe înălţimea stratului, calculat cu relaţia:

, (12.36) şi fiind, respectiv, fluxurile specifice medii corespunzătoare secţiunilor

inferioară şi superioară a stratului.

25

12.5.4. Schimbul de căldură în cuptoare cu strat fluidizat de materiale granulare

a) Fluxul termic cedat, prin convecţie şi radiaţie, unei granule de material aflată în stratul fluidizat dintr-un cuptor continuu, se poate calcula cu relaţia:

[W], (12.37)

unde: b este factorul energetic de emisie al granulei; Tf [K] – temperatura finală a granulei; Ts [K] – temperatura momentană a suprafeţei granulei; Tg [K] – temperatura gazului la ieşirea din strat; Ab [m2] – aria suprafeţei granulei; [W/m2K] – coeficientul de convenţie a cărei valoare se poate determina din relaţiile:

( pentru Re < 35) (12.38)

(pentru Re > 35), (12.39)Dimensiunea caracteristică este diametrul particulei db, iar viteza se ia cea de plutire.

Temperatura gazului la ieşire din strat se poate calcula cu formula:

[K], (12.40)

unde KM = Mef/Mt este raportul dintre masa efectivă a particulelor din strat şi masa teoretică a lor, valoarea lui fiind cuprinsă între 20 şi 50; [kg], P [kg/s] este productivitatea cuptorului, [s] – durata încălzirii particulelor; Tef [K] – temperatura efectivă a particulelor în strat; Ti [K] – temperatura iniţială a particulelor; - coeficientul total mediu de transfer termic la particulă.

Mărimile care intră în relaţia (12.40) se calculează cu formulele:[K], (12.41)[W/m2K], (12.42)

unde este valoarea medie a coeficientului de transfer termic prin radiaţie, exprimat prin formula:

[Wm2K], (12.43)

unde

(12.44)

26

(12.45)Coeficientul care apare în relaţiile (12.37), (12.40) şi (12.41) se

determină cu relaţiile (12.38) sau (12.39).b) Pentru determinarea coeficientului de convenţie la transferul termic gaz-

particule în strat fluidizat, mai ales în condiţiile lipsei practice a radiaţiei, există o diversitate de relaţii empirice, valabile în anumite condiţii (intervalul pentru valorile numărului Reynolds, natura fazelor etc.).

Literatura tehnică [12.11] şi [12.12] pune la dispoziţie diferite diagrame care permit determinarea coeficienţilor de transfer de căldură.

12.6. ANALIZA ENERGETICĂ A CUPTOARELOR12.6.1. Bilanţul termic al cuptoarelor cu combustibilDeterminarea necesarului (consumului) de combustibil pentru desfăşurarea

unui proces este o etapă importantă în proiectarea unui cuptor industrial deoarece, în funcţie de acesta, se dimensionează instalaţia de producere a căldurii şi instalaţia de evacuare a fazei gazoase rezultate din ardere.

Calculul consumului energetic se efectuează prin întocmirea bilanţului termic.

Diagrama de bilanţ termic oferă o imagine fidelă a modului în care trebuie să funcţioneze un cuptor, dacă este vorba de un proiect nou - bilanţ termic teoretic, sau a modului în care funcţionează un cuptor după o anumită perioadă de exploatare - bilanţ real, dacă se efectuează aşa-zisa ridicare de bilanţ termic, pe baza măsurării parametrilor de funcţionare [12.5].

Bilanţul termic se efectuează fie orar (de exemplu, la cuptoarele de încălzire cu funcţionare continuă), fie pe un ciclu tehnologic (exemplu, la cuptoarele de topire şi la cele de încălzire cu funcţionare discontinuă).

Pentru întocmirea bilanţului termic al unui cuptor este necesar să se stabilească, în primul rând, conturul bilanţului.

Pentru cuptoarele fără instalaţie de recuperare, conturul bilanţului corespunde limitei exterioare a spaţiului de lucru.

Pentru cuptoarele dotate cu instalaţii de recuperare care reintroduc în spaţiul de lucru toată căldura recuperată, se stabilesc două contururi:

a) un contur care cuprinde spaţiul de lucru şi recuperatorul, luate împreună, contur în care căldura recirculată nu apare ca intrare;

b) un contur care cuprinde separat recuperatorul.Pentru cuptoarele dotate cu instalaţii de recuperare care trimit căldura

recuperată în afara cuptorului, se stabilesc două contururi de bilanţ:a) un contur care cuprinde spaţiul de lucru al cuptorului;b) un contur care cuprinde separat recuperatorul.Pentru cuptoarele dotate cu instalaţii de recuperare care reintroduc în

spaţiul de lucru numai o parte din căldura recuperată şi livrează în afară o altă parte din aceasta, indiferent dacă recuperarea se face într-unul sau în mai multe recuperatoare, se stabilesc următoarele contururi:

27

a) un contur pentru spaţiul de lucru, în care se consideră ca intrare căldura recirculată;

b) câte un contur pentru fiecare recuperator în parte, dacă există mai multe recuperatoare separate.

Elementele bilanţului termic al unui cuptor se măsoară în [kJ/h], [kJ/ciclu] sau [kJ/u.p.p] (u.p.p - unitatea de produs).

Transformarea cantităţilor de căldură măsurate sau calculate în [kJ], în unitatea de măsură admisă se face cu relaţia:

(12.46)

unde Q' este cantitatea de căldură exprimată în kJ; Q - cantitatea de căldură exprimată în kJ/u.p.p; Pp - producţia exprimată în u.p.p.Desfăşurarea bilanţului are la bază lucrarea [12.5].

Ecuaţia generală a bilanţului termic este: (12.47)

în care Qi este cantitatea de căldură furnizată spaţiului de lucru; Qc - cantitatea de căldură consumată efectiv pentru desfăşurarea procesului din spaţiul de lucru al cuptorului.

A. Determinarea căldurii intrate în spaţiul de lucruÎn termenul Qi se găsesc componentele de bilanţ termic prezentate în cel ce

urmează, pentru cazul cel mai complex.1) Căldura chimică a combustibilului (dezvoltată prin ardere), Qcb se

exprimă prin relaţia:[kJ/h] (12.48)

în care Pci este puterea calorică a combustibilului, în kJ/kg sau kJ/m3N; Bcb -

consumul orar de combustibil în kg/h sau m3N/h.

Pentru cuptoarele metalurgice, în cazul arderii cocsului în strat (la furnal sau cubilou), relaţia este de forma:

[kJ/h] (12.49)

în care Pci(r) este puterea calorică reală a cocsului, care ţine seama de randamentul arderii acestuia; k- conţinutul de carbon al cocsului, în %; K- consumul specific de cocs, în kg cocs/kg produs finit; P - producţia orară de material finit, în kg/h.

2) Căldura fizică a combustibilului, se exprimă prin relaţia:[kJ/h] (12.50)

în care tcb este temperatura combustibilului, în °C; ccb - căldura specifică a combustibilului, în kJ/kgk sau kJ/m3

NK.3) Căldura fizică a aerului de combustie,

[kJ/h] (12.51)unde va este volumul specific real de aer de combustie, în m3

N/kg; ta - temperatura aerului, în °C; cpa - căldură specifică a aerului la ta , în kJ/m3

NK. Preîncălzirea combustibilului sau (şi) a aerului de combustie este impusă

fie de procesul tehnologic, în scopul obţinerii unor temperaturi de ardere mai înalte, fie de necesitatea reducerii consumului de combustibil, aceasta din urmă însă,

28

numai dacă cele două componente se preîncălzesc cu ajutorul căldurii recuperate din gazele de ardere evacuate de la acelaşi cuptor (adică fără alt efort energetic).

4) Căldura fizică a materialului care se prelucrează, [kJ/h] (12.52)

în care M este masa de material prelucrat orar, în kg/h; tm - temperatura materialului, °C; cm - căldura specifică a materialului introdus în cuptor, la tm, în kJ/kgK.

Observaţie. Dacă încărcătura este neomogenă (compusă din mai multe materii prime ca în cazul cuptorului de topire) se poate scrie relaţia:

[kJ/h] (12.53)în care M1...,Mn sunt masele componentelor încărcăturii, în kg/h; c1...cn - căldurile specifice ale componentelor, la temperaturile lor.

5) Căldura fizică a materialelor auxiliare, , folosite în scop tehnologic - abur, fondanţi, atmosferă controlată, medii solide sau lichide pentru tratament termic - sau elemente de fixare şi susţinere: suporturi, rasteluri, mufle, coşuri, cutii, vagonete, se exprimă prin relaţia:

[kJ/h] (12.54)unde Maux este masa elementului auxiliar, în kg/h, caux - căldura specifică a elementului auxiliar, la temperatura taux, în kJ/kgK.

6) Căldura fizică a zidăriei cuptorului, Qf z . Se ia în consideraţie la cuptoarele cu funcţionare discontinuă (termic şi tehnologic), când la reluarea ciclului de încălzire (topire), zidăria are temperatura mai înaltă decât a mediului ambiant şi se exprimă prin relaţia:

[kJ/h] (12.55)

în care Mz(i) este masa stratului i de zidărie, în kg; tz(i) - temperatura medie a stratului i, în °C; cz(i) - căldura specifică a materialului din stratul i, la temperatura tz(i), în kJ/kgK; - durata totală a ciclului tehnologic, în h.

7) Căldura dezvoltată de reacţiile exoterme, Qex, poate să apară la topire, când în încărcătură sunt componente care se oxidează, sau la încălzire, când de asemenea, are loc oxidarea suprafeţei încărcăturii - caz în care este nedorită. Se exprimă prin relaţia [12.3]:

[kJ/h] (12.56)unde a este proporţia din masa încărcăturii (componentei) care se oxidează într-o oră, în %; qex - efectul termic al reacţiei de oxidare, în kJ/kg.

Prin însumarea căldurilor prezentate se obţine căldura intrată în spaţiul de lucru al cuptorului:

[kJ/h] (12.57)

Observaţie. Căldurile intrate în conturul de bilanţ al cuptorului au fost exprimate în kJ/h. Ele se pot exprima, în funcţie de specificul cuptorului, în kJ/ciclu sau kJ/u.p.p.

B. Determinarea căldurii consumate în procesul

29

tehnologic din cuptorComponentele termenului Qc sunt prezentate în continuare, de asemenea,

pentru cazul cel mai complex. 1) Căldura consumată în mod util, Qu, (exclusiv pentru încălzirea sau

topirea materialului) este căldura fizică a încărcăturii la sfârşitul ciclului termic şi este exprimată prin relaţiile:

- la încălzirea încărcăturii:[kJ/h] (12.58)

în care h(i) este entalpia materialului la intrarea în cuptor, h(f) - entalpia materialului la sfârşitul încălzirii, în kJ/kg.

- la topirea încărcăturii:[kJ/h] , (12.59)

în care este diferenţa de entalpie, de la temperatura iniţială ti la temperatura de topire, tp, în kJ/kg; - diferenţa de entalpie, de la temperatura de topire tp la cea de supraîncălzire ts, în kJ/kg; qtp - căldura latentă de topire a componentelor, în kJ/kg.

2) Căldura acumulată orar în elementele auxiliare care se încarcă o dată cu materialul (mufle, cutii, suporturi, role, vagonete), Qaux:

[kJ/h] , (12.60)în care este diferenţa de entalpie de la temperatura iniţială a elementului auxiliar la cea finală, în kJ/kg.

Dacă în cuptor se află mai multe elemente auxiliare (ca material şi temperatură), se însumează cantităţile de căldură înmagazinate în fiecare dintre acestea.

3) Căldura care se pierde din spaţiul de lucru în mediul înconjurător prin zidărie Qp z

După atingerea temperaturii tehnologice în spaţiul de lucru, prin zidărie se instaurează transferul de căldură conductiv în regim staţionar, când densitatea de flux termic are valoarea maximă. Fluxul total de căldură degajat spre exterior este determinat şi de convecţia liberă şi de radiaţia între suprafaţa exterioară a zidăriei şi mediul ambiant, exprimat prin relaţia:

[kJ/h] , (12.61)în care qp, qv, qb sunt densităţile de flux termic la nivelul peretelui, vetrei, respectiv bolţii, în kJ/m2h; Sp, Sv, Sb - suprafeţele laterale medii ale pereţilor, vetrei, respectiv bolţii.

4) Căldura acumulată în zidărie Qac z este cantitatea de căldură care se transmite zidăriei fie la pornirea cuptorului de la rece (intrarea în funcţiune), fie când între două cicluri tehnologice, zidăria se răceşte şi este necesar să fie adusă din nou la temperatura de lucru (când se intră în regim staţionar); se determină cu relaţia:

[kJ/h] (12.62)

30

în care Mz(i) este masa stratului i din zidărie, în kg; - diferenţa de entalpie a stratului i, între temperatura iniţială şi cea finală (avându-se în vedere că temperatura stratului variază pe grosime, se calculează valori medii ale temperaturilor), în kJ/kg; - durata procesului de acumulare (până la intrarea în regim de lucru staţionar), în h.

Pentru cuptoarele cu funcţionare continuă din punct de vedere termic, în timp, Qac z nu se ia în calculul cantităţii de căldură consumată.

5) Căldura antrenată de gazele de ardere care se evacuează la coş , Qpga

Volumul de gaze de ardere care merg la coş este:- pentru bilanţul termic teoretic (la proiectare);

[m3N/h] (12.63)

- pentru bilanţul termic real:[m3

N/h] (12.64)în care x reprezintă pierderile de gaze de ardere prin exfiltraţii (la nivelul uşilor deschise sau prin neetanşeităţi); vga - volumul specific al gazelor de ardere la coş, în m3

N/kg; Vga(exf) - volumul de gaze de ardere exfiltrate, în m3N/h.

În cazul unui cuptor de topire la care rezultă şi gaze în urma unor reacţii chimice, se poate scrie relaţia:

[m3N/h] (12.65)

în care Vgr este volumul orar de gaze de ardere rezultate din reacţii, în m3N/h.

Relaţia de calcul pentru Qp ga este:[kJ/h] , (12.66)

unde hga c este entalpia gazelor de ardere care merg la coş, în kJ/m3N.6) Căldura antrenată cu gazele de ardere exfiltrate, Qp ga(exf), se

calculează cu relaţia:[kJ/h] , (12.67)

în care hga(exf) este entalpia gazelor exfiltrate, calculată cu formula:[kJ/m3

N] (12.68)unde h0 este entalpia gazelor la temperatura de ardere, în kJ/m3

N.7) Căldura care se pierde în exteriorul spaţiului de lucru prin radiaţie

la nivelul orificiilor deschise Qpr (de regulă, orificii de încărcare - descărcare) se calculează cu relaţia:

[kJ/h] , (12.69)

în care C0 - 5,72 [W/m2K4] - constanta Ştefan Boltzmann (puterea de emisie a corpului absolut negru); S0 - secţiunea orificiului deschis, în m2; - coeficientul de diafragmare, se determină din diagrame; Tc - temperatura absolută din spaţiul de lucru al cuptorului, în K; Ta - temperatura absolută a mediului ambiant, în K; - fracţiunea de timp cât radiază orificiul într-o oră.

8) Căldura preluată de apa de răcire, Qar, se ia în consideraţie la cuptoarele la care sunt elemente care trebuie protejate termic (glisiere, role, uşi etc.).

31

La bilanţul termic, relaţia pentru Qar este:[kJ/h] , (12.70)

în care ks este coeficientul global de schimb de căldură în kJ/m2hK; Ser - aria laterală a elementului răcit, în m2; - diferenţa medie de temperatură în procesul răcirii, în K. Pentru bilanţul real relaţia este:

[kJ/h] , (12.71)în care este debitul orar de apă de răcire, în kg/h; - temperatura apei la intrarea, respectiv la ieşirea din sistemul de răcire, în °C; ca- căldura specifică medie a apei, în [kJ/kgK].

9) Căldura care se consumă în procese endoterme, Qend Procese endoterme pot apărea la cuptoarele de topire, pentru topirea zgurii,

la descompunerea materialelor sau pentru eliminarea umidităţii la diferite cuptoare. Relaţiile de calcul sunt specifice procesului care are loc, astfel:- pentru disocierea (descompunerea) materialelor:

[kJ/h] (12.72)- pentru eliminarea umidităţii:

[kJ/h] (12.73)

- pentru încălzirea şi topirea zgurii: [kJ/h] (12.74)

În aceste relaţii, semnificaţia termenilor este: - este masa componenţei i care se descompune, în kg/h; qi - căldura consumată în reacţia endotermă, în kJ/kg;

- umiditatea care se elimină, în %; M - masa încărcăturii care se prelucrează orar, în kg/h; tev, tvs - temperatura de evaporare a apei, respectiv de supraîncălzire a vaporilor, în °C; ca1, cp(v) - căldura specifică a apei, respectiv a vaporilor, la temperaturile corespunzătoare, în kJ/kgK; qev - căldura latentă de vaporizare a apei, în kJ/kg; - masa orară de zgură care se topeşte, în kg/h; cz - căldura specifică a zgurii, în kJ/kgK; tz - temperatura la care se desfăşoară procesul, în °C; qz - căldura latentă de topire a zgurii, în kJ/kg.

10) Pierderile de căldură accidentale sunt însumate prin Qnep -arderi incomplete, pierderi mecanice de combustibil, neetanşeizare totală a uşilor sau altor orificii etc.

Cu acest termen se închide bilanţul termic.Pentru întocmirea bilanţului teoretic (la proiectare), aceste pierderi se

estimează ca o cotă din totalul cantităţilor de căldură consumate :

[kJ/h]În cazul întocmirii unui bilanţ real (pe bază de măsurători la cuptorul în

funcţiune), relaţia este:[kJ/h] , (12.75)

în care este căldura pierdută prin arderea incompletă, în kJ/h; Pc(i) - puterea calorică inferioară a elementelor combustibile, care ard

32

incomplet, în kJ/kg sau kJ/m3N; a - partea de combustibil cu elementele care ard

incomplet, în %; Qmec =(K'/100) BcbPc - cantitatea de căldură antrenată de pierderile mecanice de combustibil solid, în kJ/h; K' - cota de combustibil care se pierde, în %;

- căldura pierdută cu particulele de praf, din gazele de ardere evacuate din cuptor, în kJ/h; mpraf - masa de praf din gazele de ardere, în kg; cpraf - căldura specifică a prafului, în kJ/kgK;

Qox = mox cox tox - căldura pierdută odată cu evacuarea oxizilor de fier care iar naştere la încălzirea pentru deformare plastică, uneori şi la tratamente termice, dacă acestea se desfăşoară la temperaturi înalte, în kJ/h; mox - masa de oxid evacuată orar, în kg/h; cox - căldura specifică a oxidului, în kJ/kgK; tox - temperatura la care se evacuează oxidul, în °C.

În final, prin însumarea căldurilor scrise, rezultă:

[kJ/h] (12.76)

Din egalitatea Qi = Qc , la bilanţul teoretic, se determină cantitatea de combustibil Bcb consumată orar.

Reprezentarea grafică a bilanţului termic presupune stabilirea ponderii fiecărei cantităţi de căldură în suma totală, atât pentru Qi, cât şi pentru Qc, în procente, după care se trasează diagrame ca cea din figura 12.19.

Fig. 12.19 Reprezentarea grafică a bilanţului termicpentru un cuptor de încălzire, cu combustibil

12.6.2. Bilanţul termic al cuptoarelorelectrice

În cazul cuptoarelor care folosesc drept sursă termică energia electrică, este mai indicat să se efectueze bilanţul de puteri electrice.

Puterea instalată a cuptorului trebuie să acopere cantitatea de căldură necesară tehnologic şi pierderile de putere de natură electrică şi termică.

Ecuaţia de bilanţ termic este:

33

[W] (12.77)în care: P este puterea instalată a cuptorului, în W; Pu - puterea consumată în mod util, în W; Ppe - puterea pierdută pe cale electrică, în W; Ppt - puterea pierdută pe cale termică, în W; Ps - puterea introdusă în spaţiul de lucru pe altă cale decât cea electrică (căldura fizică a încărcăturii şi a elementelor auxiliare, cea din reacţii exoterme etc.), în W.

1) Puterea utilă, Pu se calculează cu relaţia

[W] (12.78)

Qu se calculează cu aceleaşi relaţii ca la cuptoarele cu combustibil.2) Pierderile de natură electrică Ppe se calculează diferenţiat, de la cuptor

la cuptor. a) La cuptoarele de topire cu arc electric pierderile apar la nivelul

cablurilor, barelor, electrozilor, în transformator şi în bobina de şoc şi se calculează cu relaţiile prezentate în continuare.

- Pierderile în cabluri şi electrozi:

[W] , (12.79)

în care kf este un coeficient care ţine seama de raportul Imp/Im; Imp - valoarea medie pătratică a curentului măsurat la capătul alimentat al liniei, determinat cu relaţia:

[A] , (12.80)

Ii - curent pe o fază, în A; n - numărul de faze; Im - valoarea medie a curentului măsurat la capătul alimentat al liniei şi este:

[A] , (12.81)

- rezistivitatea cablului (electrodului), în m; li, Ai - lungimea respectiv secţiunea unei faze, în m, respectiv m2.

- Pierderile în transformator şi în bobina de şoc:[W] , (12.82)

unde sunt pierderile de putere în fierul, respectiv cuprul transformatorului, în W; - coeficientul de încărcare a transformatorului.

b) La cuptoarele cu rezistenţă, pierderile electrice provin din scurt-circuite, iar evaluarea lor se face în funcţie de pierderile termice prin zidărie Ppz şi anume:

[W](12.83)c) La cuptoarele cu inducţie, se înregistrează pierderi electrice în reţea (în

cablu şi prin scurt-circuit) şi în transformator şi se calculează cu relaţiile (12.79), (12.82), (12.83).

34

3) Pierderile de natură termică, Ppt sunt constituite din componenţe similare celor de la cuptoarele cu combustibil şi se determină cu aceleaşi relaţii, operându-se transformarea unităţilor de măsură, de exemplu Paux=Qaux / 3,6 [W], deci:

[W] (12.84)4) Puterea introdusă pe altă cale, Ps provine din încărcătură caldă,

elemente auxiliare calde, reacţii exoterme şi anume: [W] (12.85)

În figura 12.20 este reprezentat grafic bilanţul unui cuptor electric (metodologia de calcul este similară celei de la cuptorul cu combustie).

Fig. 12.20 Diagrama de bilanţ termic pentru cuptoarele electrice

12.6.3. Indicatori de eficienţă energeticăOrice cuptor industrial este caracterizat de anumiţi indicatori de eficienţă

energetică care rezultă în urma întocmirii bilanţului termic teoretic sau real. Aceştia se grupează în randamente şi consumuri specifice.

A. Randamentele cuptoarelor1) Randamentul termic, este specific atât cuptoarelor cu combustibil,

cât şi celor electrice şi este exprimat prin relaţia:

şi (12.86)

2) Randamentul total (general), ţine seama de randamentul arderii la cuptoarele cu combustibil, de randamentul electric la cuptoarele

electrice şi se determină astfel:- la cuptoarele cu combustibil:

[%] , (12.87)în care

[%] (12.88)

(semnificaţia factorilor din formulă este prezentată în paragraful 12.6.1.);- la cuptoarele electrice:

[%] (12.89)cu

35

P Pi = 100% Pu

Ps

Pp.ePp.t

[%] , (12.90)

în care P este pierderea de putere în sursa de alimentare şi reţeaua scurtă, în W. 3) Randamentul de utilizare a combustibilului, este specific

cuptoarelor cu combustibil şi se exprimă prin relaţia:

[%] (12.91)

B. Consumuri energetice specifice1) Consumul specific de combustibil exprimă necesarul de combustibil

pentru prelucrarea unităţii de produs Pp într-o oră sau pe un ciclu de producţie, după cum Bcb este calculat orar sau pe ciclu.

[kg(cb)/kg] sau [m3N/kg] . (12.92)

2) Consumul specific de energie electrică este propriu cuptoarelor electrice şi se exprimă prin relaţia:

[kWh/kg] . (12.93)

3) Gradul de încărcare a cuptorului, este raportul dintre sarcina efectivă Pp şi sarcina normală Pn:

. (12.94)

Gradul de încărcare a cuptorului se stabileşte pe perioada pentru care se face bilanţul din care cauză, pentru a avea o imagine mai completă a încărcării cuptorului la nivelul unui an, se determină şi gradul de încărcare mediu anual:

, (12.95)

unde Pm este încărcarea medie anuală, care se calculează cu formula

, (12.96)

Pan - producţia anuală a cuptorului, Nan - numărul de ore de funcţionare anuală a cuptorului.

4) Gradul de utilizare a capacităţii de producţie a cuptorului, este raportul dintre producţia anuală, Pan şi capacitatea teoretică de producţie Pt.

(15.97)

Capacitatea teoretică de producţie a cuptorului se consideră ca fiind Pt = 8760 Pn.

Legătura dintre şi se obţine combinând ultimele relaţii:

. (12.98)

36

5) Consumul specific de căldură al procesului tehnologic, qpt reprezintă căldura necesară producerii unităţii de produs, deci:

[kJ/kg] (12.99)

6) Coeficientul de recuperare a căldurii, este raportul dintre căldura recuperată (din pierderi sau din căldura considerată utilă) şi totalul căldurii intrate:

(12.100)

Se consideră atât căldura recuperată şi folosită în utilaj, cât şi cea recuperată şi folosită în afara utilajului considerat.

C. Importanţa energo-tehnologică a bilanţurilor termiceBilanţul termic scoate în evidenţă importanţa diferitelor categorii de

pierderi. Datele obţinute prin măsurări dau indicaţii destul de precise şi asupra cauzelor acestor pierderi. Analiza amănunţită a întregului material cules cu ocazia lucrărilor de bilanţ dă posibilitatea să se elaboreze un plan de măsuri fundamentat tehnic, pentru ridicarea randamentului instalaţiei, prin eliminarea pierderilor posibile şi prin recuperarea resurselor secundare.

Planul de măsuri tehnico-organizatorice cuprinde enunţarea măsurilor aplicabile, efectele lor asupra reducerii consumurilor energetice, evaluarea costurilor pentru aplicarea lor, calculul eficienţei economice a măsurilor respective şi termenele de aplicare.

Ţinând seama de bilanţul termic real determinat şi de planul de măsuri tehnico-organizatorice întocmit, se poate realiza bilanţul termic optim, în care pierderile au valorile minime realizabile în condiţiile tehnice actuale, după ce s-au efectuat toate recuperările posibile din punct de vedere tehnic şi avantajoase din punct de vedere economic.

Bilanţul termic normat se întocmeşte pe baza planului calendaristic de punere în aplicare a măsurilor din planul propus ţinând seama de reducerea pierderilor realizate în etapa pentru care se stabileşte bilanţul normat. El are în timp valori diferite, îmbunătăţite treptat, pe măsura înaintării spre etapa finală, când acesta se confundă cu bilanţul optim corespunzător stadiului tehnicii din momentul respectiv.

BIBLIOGRAFIE

[1]. BADEA,A Instalaţii termice industriale. Curs pentru subingineri. IPB, 1981.[2]. BRUNKLAUS, J.H. Cuptoare industriale. Traducere din limba germană. Ed.

tehnică, Bucureşti, 1977.[3]. CARABOGDAN, I.Gh. ş.a. Instalaţii termice industriale. Culegere de

probleme pentru ingineri. vol.II. Ed. Tehnică, Bucureşti, 1983.[4]. DINA, V. ş.a. Cuptoare metalurgice. Pentru subingineri (partea I). IPB, 1990[5]. DINA,V. Transfer de căldură şi instalaţii termometalurgice. Ed. Didactică şi

Pedagogică, Bucureşti, 1996.

37

[6]. MURGULEŢ, N. ş.a. Agregate şi instalaţii termice metalurgie pentru turnătorii. UPB, 1988.

[7]. SAMOILA, C. ş.a. Cuptoare şi instalaţii de încălzire. Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1983.

[8]. TEOREANU, I. ş.a. Instalaţii termotehnologice. Ed. Tehnică, Bucureşti, 1979.[9]. VOICU, Gh. ş.a. Agregate şi instalaţii termice metalurgice. UPB, 1994.[10]. *** Cuptoare industriale (cu combustibil) Colecţia 55 - Tehnica. Ed. Tehnică, Bucureşti, 1952.[11].***Manualul inginerului termotehnician. vol I, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1986.[12]. ***Teplotehniceskii spravocinik. Tom 2. Ed. Energhia, Moskva, 1976.

38