工业炉强辐射传热节能新技术

1 80
40
30. 5
39. 87
25. 5
33. 33
3
13. 33
28. 5
28. 79
四川都江机械厂 负载: 从加 料毕至 840 )
耗时( min) 耗电( kW( h)
84. 5 106. 8
55. 5 68
29 38. 8
34. 3 36. 3
RX3 75 9
负载: 840 ) 保温 1 h
& 保温阶段减少耗电。在 R X3 75 9 箱式 炉上, 保温阶段的通电时间减少 1/ 2 以上。90 kW 台车式电阻炉一般通电 1 m in 能维持保温 4 min。有时 1 h 内, 后区( 30 kW) 总共通电只 有 8 min, 前区( 60 kW) 保持 930 ) 不耗电; 炉 温稳定无疑将有利于接触器、继电器使用寿命 的延长。
炉膛加热达到稳定态后, 炉墙虽以散热为主, 但 绝大部分热量留在炉膛内, 更确切地说是留在 元件内, 使同样温度下炉内热量增加, 提高了炉
温稳定性, 这个特点具有以下优越性: % 装出料Leabharlann Baidu温度波动小, 箱式炉出料后一
般! 温度降低∀减少 60~ 80 ) , 炉温回升快; 在 相同条件 下, 当炉 温达到 850 ) 后断 电, 24 h 后, 温度降至 200 ) , 改造后, 断电 24 h 后测量 炉膛温度为 450 ) , 因此周期作业炉空炉升温 时间明显缩短, 启动快。
显然, 如果能够将炉膛内呈! 漫反射∀ 状分 布的热射线, 经过调控以射线束形式集中地射 向被加热的工件, 提高加热工件的有效热, 则炉 子热效率将显著提高, 能耗将大幅度下降。
2 强辐射传热节能新技术原理
中、高温电阻炉是辐射型炉子, 工件获得 的热量[ 2] :
Q = F( tW - tM ) FM =
件是一种工业标准黑体。其全发射率高达 = 0. 96( 在 1 078 K 时) , 它有以下特征: % 元件的
高发射率由其几何参数和表面特性获得, 基本 不老化, 具有高稳定性[ 3] ; & 元件本身不是热
源, 使工业实施方便可靠; ∋ 元件具有调控热 射线的功能。
对炉膛内呈漫射状的热射线, 元件以其高
吸收特性尽快吸收, 当其再以高发射特性重新 发射热射线时, 借元件自身几何结构使热射线
近似呈束状直接射向工件, 提高了对工件的辐
照度, 完成了热射线从无序到有序的调控过程,
ts
大大地提高了热射线的到位率。
2 3 炉墙对金属的传热速度
根据式:
CD F=
eTdW 100
4
-
TM 4 100
tG - tM
耗电( kW( h) 34. 8
30
4. 8
13. 8
负载: 从装 料到出炉
耗电( kW( h) 141. 6
98
43. 6
30. 8
注: 1) 该炉改造完毕为 1993 年 10 月 4 日( 室温为 25 ) ) , 测试时间为 1993 年 12 月 27 日( 室温为 7 ) ) , 由于天冷散热快且处
单位及炉型 中国第二重型机器厂1)
RX3 45 9 华西机电制造公司
RJX 45 9 成都工程机械总厂
RT 2 90 10
绵阳市内燃机配件厂 RX3 75 9
表1
项
目
正火: 负载 从装料到出炉 回火: 负载 从装料到出炉 空炉: 从室温升至 840 )
负载: 从装料到出炉 负载: 从室 温升至 840 ) 负载: 保温 1 h 负载: 从装 料到出炉
∋ 炉膛较多的热容量有利于克服短期停 电带来的不利影响, 例如保温后期遇上停电, 基 本上不影响工件加热质量。
∗技术实施方便, 勿需对炉体作任何改 动, 施工周期短, 一般 4~ 6 d 即可完成, 马上投 产运行。
4 燃料炉强辐射传热的实践
该强辐射传热节能新技术也可应用于燃料
炉。
高温炉气与炉衬内表面辐射换热热流量的
耗电( kW( h) 耗时( min) 耗电( kW( h)
冷炉: 从室 温升至 850 ) 再装料到出炉
耗时( min)
负载: 从加 料毕至 850 )
负载: 850 ) 保温 26 min 负载: 从装 料到出炉
耗时( min) 耗电( kW( h) 耗电( kW( h) 耗电( kW( h)
改造前 2 36 1 06 1 55 42. 5 173. 4 37. 8 211. 2
1+
M
OF
FM FW
1-1
W
( tW-
tM) F M
W
式中: M 为 金属 的 黑 度; FM 为 金 属 的面 积; W 为 炉墙的黑 度; F W 为 炉墙的 面积; OF 是
M = W = 1 时的辐射换热系数。
可以看出, 当 t W 一定时, 实际可以利用的 因素有炉墙面积 FW 和炉墙黑度 W。 2 1 增大炉膛传热面积
3
, 可见高温时, 即使很小
的温差也能产生很高的传热速度, 由于添装了
强辐射元件, 炉膛温度升高, 强化了辐射传热。
强辐射元件安装布置见图 1。

n
ad
图 1 强辐射元件安装布置图 1 强辐射元件 2 炉膛空间
3 强辐射传热节能效果及分析
我们对节能型的 RX3 型等系列箱式炉及 RT2 90 10 台车式电阻炉进行强辐射传热节能技术改 造, 取得了显著的节电效果, 测试结果见表 1。
1前言
目前, 热处理电阻炉节能的技术原理基本 上是通过热平衡计算和测试发现炉体蓄热和散 热损失高达 60% ~ 70% , 加热工件的有效热仅 25% ~ 30% , 以此为依据, 采用热容很小的耐火 纤维等隔热材料保温后, 减少散热和蓄热损失, 以降 低电耗[ 1] 。这种 节能方法只 是将热量 堵 在了炉膛内部, 并没有改变热射线呈! 漫反射∀ 的状态, 这正是加热工件有效热低的重要原因。
* ! 九五∀ 国家级 科技成 果重 点推广 计划; 国家 专利, 专利 号: ZL94236755. 3; ! 八五∀ 国 家技 术创新 新技 术推 广优 秀项目奖; 国家经贸委列为全国重点新技术推广项目。 李治岷: 1936 年生, 四川工业学院工业炉节能中心, 教授。 ( 收稿: 1998 01 19 修回: 1998 03 04)
显然, 按现有的设计规范, 当炉围伸展度确 定后, 炉膛内表面积 F W 即已确定, 这个面积当 然就是参与炉内传热的面积 F W。当我们在炉 膛内的适当部位加装众多的多孔材料的空腔锥
台强辐射元件后, 它们的存在不仅从宏观上, 而 且在微观上大幅度地增加了炉膛的传热面积。
其增加的面积可以达到炉膛面积 F W 的 1 倍以 上, 相当于增大了炉围伸展度( F W/ F M ) , 增大 了 Q 值。所以这些元件对加快传热速度的作用 是显而易见的。
2 2 提高炉膛黑度 传统的提高炉膛黑度的方法是采用高红外
发射率材料进行涂装, 以期获得较高的发射率, 迄今能达到的水平为 0. 88 ~ 0. 92, 但其老化现 象难以从根本上解决, 这种方法使强化炉内传
15
设备与应用
#工业加热∃ 1998 年第 2 期
热的效果受到影响。 我们设计的多孔l f材料的空腔锥台强辐射元
理工件为 42CrM o 钢, 限速升温, 故节约率数据低。
16
设备与应用
# 工业加热∃ 1998 年第 2 期
从以上测试结果看, 强辐射传热节能有以 下特点:
( 1) 加热工件的升温时间大幅度缩短, 负 载升温阶段节电率大幅度提高
加热工件的升温时间是热处理的一个重要
环节, 也是能源消耗最大的工序。由于强辐射 元件提高了对工件的辐照度, 从而使工件升温 时间大幅度缩短, 负载升温节电率大幅度提高, 与节能型的 RX3 系列炉相比, 这个阶段节电率 高达 33. 33% ~ 36. 53% 。
设备与应用
# 工业加热∃ 1998 年第 2 期
工业炉强辐射传热节能新技术*
李治岷 魏玉文 四川工业学院工业炉节能中心 ( 成都 611744)
摘要 阐述了在工业炉内设置强辐射元件, 取得 了强辐射传热节能的效果。该元 件将炉内漫 射状的热 射线 调控为指向工件的射线束, 以便将热量直接传 递给工件, 与 RX3 节能型的箱式热处理炉相比, 实施本技术后节 电率 可达 20% ~ 30% , 工业黑体的全射率达 0. 96。 关键词 工业炉 节能 强辐射
W/ ( m2 ( ) )
式中: t G - t M 为炉气与金属的温度差; T W 为炉
墙温度; T M 为被加热金属的温度。
T
4 W
-
TM4 =
(TM - TM) (
( T M3 +
T
2 W
T
M
+
T WT M2+
T
3 M
)
若 T W 与 T M 相差不多, 则可近似为 4( T W
- TM)(
T W + T M) 2
象, 但实 际情况相反, 空炉升温时 间比原来 缩 短, 耗电减少。这是因为加装强辐射元件后, 有 效发射率提高, 加快了传热速度且保温性能增 强, 故炉膛温度升高得快所致。
( 3) 炉温稳定, 保温时耗电少 本技术中炉围伸展度的增加是在炉膛容积 没有扩展的情况下实现的, 由此出现的炉膛内 壁热容量的7增长归功于众多的强辐射元件。当
Strong Radiation Conduction Energy Saving Technology in Industrial Furnaces
Li Zhimin Wei Yuwen Abstract Some fundamental aspects of energ y saving w ith strong radiation elements are presented. T he said ele ments concentr ate diffuse reflection heat into directional heat beams on the wor kpieces to be heated in furnace. Energy sav ing of 20% ~ 30% and a full emissivit y o f 0. 96 for industr ial black body will be achieved with the said technology , in comparison with the RX3 ser ies energ y sav ing ty pe fur naces. T he results of tests has show n that it has good economic effi ciency and promising prospects in application. Key words industrial furnace, ener gy saving , strong radiation
4 50
76. 5 76. 5 22. 5 99
改造后 192. 3
80 12 5 17. 5 110. 05 30. 13 14 0
27 0
46 51 19. 5 70. 5
节约数
43. 7 26 30 25 63. 35 7. 67 71. 2
节约率( % ) 18. 52 24. 52 19. 3 58. 8 36. 53 20. 3 33. 7
( 2) 炉衬不作改动, 空炉升温时 节电效果 显著
在炉衬不改动的情况下, 安装大量强辐射 元件, 虽然增加了炉体蓄热, 但升温时间反而缩 短, 这是因为: 增加炉围伸展度的同时, 提高了 炉膛的发射率。从基尔霍夫定律可知, 在热辐 射范围内, 一切物体的吸收率 A 与同温度下的 黑度 相等。由于炉膛表面黑度增高, 其吸收 能力相应提高, 炉膛温度较未安装强辐射元件 之前增高了。从四次方定律可知, 炉膛对被加 热工件的辐射传热量相应增加, 从而强化了炉 内的热交换, 虽然与此同时炉膛表面温度的升 高会使通过炉衬的散热损失有所增加, 但由于 炉膛对工件的辐射传热量与炉膛表面温度成四 次方的关系, 而通过炉壁单位面积所传递的热 量只与炉衬内外表面的温差成一次方的关系, 炉衬散热损失增加 的较少。在加 装众多元 件 后, 明显地增加了炉衬的负蓄热损失, 按理应当出 现空炉升温时间比原来延长、耗电量增加的现
计算式如下[ 4] :
Q=
5. 67. 55 1+ 1- 1
G GC
TG 10 0
4
-
TC 100
4
FC
W
G
C
式中: T G、T C 分别为炉5 气和炉衬内表面温度,2
K ; G、GC 分别为炉气在温度 T G 和 T C 时的黑