Тепловой баланс зоны охлаждения: практический подход для инженера-теплотехника

1. Введение

В большинстве технологических процессов (например, обжиг керамики, термообработка металлов, стекловарение) изделие сначала нагревается в зоне нагрева, затем выдерживается при заданной температуре в рабочей/изотермической зоне, и, наконец, должно быть правильно охлаждено в зоне охлаждения.

В структуре непрерывных термических агрегатов (печи, сушилки, обжиговые аппараты) зона охлаждения представляет собой технологический модуль, предназначенный не только для контролируемого снижения температуры обрабатываемого материала, но и для рекуперации высокопотенциального тепла. Тепловой баланс данной зоны представляет собой количественную модель, базирующуюся на первом начале термодинамики, где суммарный теплоприток равен суммарному теплорасходу за установленный временной интервал. Правильно организованная зона охлаждения превращается в источник бесплатного тепла для других частей технологического цикла.

Пример применения технологии рекуперации в промышленных печах — газовая барабанная печь СБО–14.90/6,5–И2 и электрическая барабанная печь СБО-9,5.62,5/5,5-И1. Для оценки эффективности такой рекуперации и применяется тепловой баланс.

Тепловой баланс зоны охлаждения — это количественный учет всей поступающей и уходящей тепловой энергии в зоне охлаждения термического оборудования (промышленной печи, сушилки, термической печи и т.д.), составленный за определенный промежуток времени (обычно за 1 час). Его цель — оценка эффективности работы зоны охлаждения и поиск путей оптимизации энергопотребления.

2. Математическая формализация балансовой модели

Общее уравнение теплового баланса для стационарного режима работы зоны охлаждения может быть представлено в виде:

ΣQᵢₙ = ΣQₒᵤₜ

2.1. Статьи притока тепла (Input Terms):

• Q_material_in – энтальпия материала при температуре входа в зону охлаждения (T_in): Q_material_in = G_m * ∫_{T_ref}^{T_in} c_pm(T) dT, где G_m – массовый расход материала, c_pm – его теплоемкость.
• Q_coolant_in – энтальпия подаваемого охлаждающего агента (чаще всего воздуха). В печах с рекуперацией это часто воздух, предварительно подогретый в рекуператоре (preheated combustion air). В других случаях — воздух окружающей среды: Q_coolant_in = G_a * c_pa * T_a_in.
• Q_exo – тепловыделение от возможных экзотермических процессов, продолжающихся в материале на этапе охлаждения.

2.2. Статьи расхода тепла (Output Terms):

• Q_material_out – энтальпия материала при температуре выхода из зоны (T_out).
• Q_coolant_out – Ключевая полезная статья: энтальпия нагретого охлаждающего агента, направляемого в систему рекуперации (вторичный воздух) — например, в качестве подогретого воздуха для горения (preheated combustion air) в зонах нагрева или для других технологических нужд.

Q_coolant_out = G_a * c_pa * T_a_out.

• Q_loss_wall – тепловые потери через ограждающие конструкции (стены, свод, под) в окружающую среду, определяемые теплопроводностью и конвективно-лучистым теплообменом.
• Q_loss_emission – потери с потоком газов, выбрасываемых из зоны.
• Q_loss_struct – потери на нагрев элементов внутрипечной арматуры (конвейерных роликов, тележек, опорных балок, skid pipes (холодильники, подовые трубы). Нагрев этих элементов, особенно в печах с шагающим подом или рольгангом, составляет значительную долю потерь и требует отдельного учёта.

3. Критерий энергетической эффективности

Интегральным показателем эффективности функционирования зоны охлаждения служит коэффициент утилизации тепла (КУТ):

КУТ = (Q_coolant_out − Q_coolant_in) / Q_material_in * 100%

Оптимизация технологического режима сводится к максимизации данного коэффициента при соблюдении технологических ограничений на скорость и равномерность охлаждения материала. Максимизация этой величины напрямую снижает потребность в топливе в зоне нагрева, что является конечной целью рекуперации.

4. Методологические аспекты анализа

• Идентификация доминирующих статей баланса. Экспериментальные данные и моделирование показывают, что в типовых конструкциях основные потери приходятся на Q_loss_wall и Q_loss_emission.
• Взаимосвязь с общей системой регенерации тепла агрегата. Зона охлаждения является источником среднетемпературного тепла для систем предварительного нагрева шихты (рекуператоры) или дутьевого воздуха (регенераторы). Оптимальная организация газодинамических потоков между зонами является критически важной для повышения КПД агрегата в целом.
• Учет нестационарности. Для периодических (камерных) печей баланс составляется для полного цикла «нагрев-выдержка-охлаждение», где управление скоростью охлаждения является частью технологического регламента.

5. Направления оптимизации (по результатам балансовых расчетов)

• Интенсификация теплообмена внутри зоны для снижения перепада температур между материалом и агентом, что позволяет уменьшить расход охлаждающего агента при том же теплосъёме. Для интенсификации теплообмена применяется "импульсное охлаждение" (impingement heating/cooling) и организация газодинамических потоков.
• Модернизация тепловой изоляции для минимизации Q_loss_wall.
• Оптимизация аэродинамической схемы с целью сокращения объема выбрасываемых газов (Q_loss_emission) и максимизации доли направляемого в рекуперацию вторичного воздуха.
• Внедрение систем автоматизированного управления расходом охлаждающего агента в зависимости от температуры материала и его производительности.

6. Внешние факторы. Тепловой баланс помещения

Цех (окружающая среда) тоже участвует в теплообмене, но как внешний фактор.

• Климат цеха: Температура и влажность воздуха в цехе могут влиять на эффективность воздушного охлаждения (например, если используется вентилятор, гонящий воздух цеха).
• Потери (или приток) тепла в цех: Через стенки оборудования часть тепла может рассеиваться в помещение цеха. В точных расчетах это учитывают как потери в окружающую среду (строку в балансе).
• Безопасность и условия труда: Тепло, рассеиваемое оборудованием в цех, нужно учитывать при проектировании вентиляции и кондиционирования самого цеха.

Эти потери являются частью общих тепловых потерь агрегата и должны учитываться в сводном балансе.

7. Заключение

Составление и анализ детального теплового баланса зоны охлаждения является неотъемлемой частью энергоаудита и проектирования современного термического оборудования. Данная методология позволяет перейти от эмпирического управления к научно обоснованной оптимизации, трансформируя зону охлаждения из энергопотребляющего элемента в активный источник вторичных энергоресурсов, что ведет к существенному снижению удельных энергозатрат на единицу продукции.

Детальный тепловой баланс — это не просто отчёт, а рабочий инструмент для обоснования модернизации, будь то улучшение изоляции, установка более эффективных горелок с использованием подогретого воздуха или подбор нового рекуперативного оборудования.

Если вам требуется профессиональный энергоаудит существующей печи, расчет теплового баланса или проектирование новой энергоэффективной установки «под ключ» — обратитесь к нашим инженерам.

Источник методологии: Trinks, W., Mawhinney, M.H., Shannon, R.A., Reed, R.J., Garvey, J.R. Industrial Furnaces. 6th Edition. John Wiley & Sons, 2004. – Главы 5, 8.

От редактора: Статья является адаптивным переводом, оптимизированным под формат блога. Доказательная часть и часть научной информации сокращена для удобства чтения.

Ознакомиться с полным текстом оригиналов (на английском языке) можно по представленным данным.

Материал подготовил и адаптировал для компании «ТУЛА-ТЕРМ»: Валенцев А.А.