Wpływ konstrukcji ścian na straty ciepła w piecach komorowych

Hutnik - Wiadomości Hutnicze, t. 82, nr 3, 215, s. 32-39 Wpływ konstrukcji ścian na straty ciepła w piecach komorowych The influence of the chamber furnace wall structure on heat losses Beata HADAŁA, Zbigniew MALINOWSKI, Andrzej GOŁDASZ, Marcin RYWOTYCKI AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej, al. Mickiewicza 3, 3-59 Kraków Przemysłowe piece grzewcze, do których zaliczamy również piece komorowe, są najliczniejszą grupą zróżnicowaną konstrukcyjnie. Ich cechą charakterystyczną jest zmienność atmosfery wypełniającej komorę roboczą oraz wykorzystanie do ich budowy materiałów ogniotrwałych i izolujących. Wielkość zużytej energii cieplnej, zapewniającej realizację danej technologii nagrzewania wsadu lub obróbki cieplnej istotnie wpływa na koszt produkcji. Znaczne oszczędności paliwa i poprawę wydajność produkcji można osiągnąć poprzez zmniejszenie ilości ciepła zakumulowanego w elementach konstrukcyjnych pieca oraz traconego do otoczenia, przy zachowaniu wyrównanej temperatury w przestrzeni roboczej pieca. W pracy dokonano oceny zmian w czasie strat ciepła do otoczenia oraz strat ciepła na akumulację w piecu komorowym ze ścianami różnej konstrukcji. Obliczenia wykonano za pomocą programu opartego na metodzie elementów skończonych. Wytypowano konstrukcję ściany o najmniejszej energochłonności. Industrial furnaces, especially chamber furnaces are commonly used in industry. The chamber wall structures differ in thickness, as well as in the thermal insulation. The chamber furnace temperature varies in time depending on the technological process parameters. The heating time varies as well. Due to that reasons, heat losses to the atmosphere and the heat accumulated in the furnace volume have essential influence on the production costs. Reduction of the heat losses can have positive impact on the atmosphere pollution as well. The heat losses to the environment including the heat accumulated in the furnace walls have been analyzed. Several wall structures have been taken into account. The heat losses and furnace walls temperatures have been calculated using finite element method. The best structure of the furnace wall has been selected for the examined type of the chamber furnace. 1

Słowa kluczowe: piec komorowy, straty ciepła, metoda elementów skończonych Keywords: chamber furnace, heat losses, finite element method Wstęp. Rynek charakteryzuje się różnymi typami oraz odmianami pieców grzewczych. Ich głównym zadaniem jest nagrzewanie wsadu przeznaczonego do przeróbki plastycznej metali (do temperatury rzędu 125 13 C), nagrzewanie półwyrobów do obróbki cieplnej, nagrzewanie wyrobów finalnych w celu poprawy ich własności (w temperaturze 5 1 C) poprzez: odprężanie, odpuszczanie, wyżarzanie, normalizowanie itp. W kuźniach i prasowniach głównie znajdują zastosowanie piece komorowe, których konstrukcja składa się z bocznych ścian oraz z trzonu stałego lub wysuwanego przez drzwi wsadowe. Piece komorowe mogą być opalane prawie każdym rodzajem paliwa lub ogrzewane elektrycznie, należą do grupy pieców pracujących okresowo. Konstrukcja ścian pieca oraz trzonu składa się z materiałów ogniotrwałych i termoizolacyjnych oraz stalowego pancerza. Typową konstrukcję pieca komorowego przedstawiono na rys. 1. Rys. 1. Schemat przyjętych oznaczeń przegród dla obliczeń zmiany strat i akumulacji ciepła z powierzchni zewnętrznej pieca Fig.1. Schematic for the laboratory furnaces structure Praca ścian pieca grzewczego jest jednostronna, ponieważ tylko jej wewnętrzne powierzchnie są narażone na działanie wysokiej temperatury oraz agresywnego środowiska atmosfery, panującej w piecu. W związku z tym, na grubości ściany występuje istotny spadek temperatury, co pozwala na zastosowanie materiałów różniących się oporem cieplnym oraz kosztem zakupu i wymiany uszkodzonych powierzchni. 2

Ściany pieców służących do nagrzewania wsadu (wlewki, kęsiska, kęsy) do temperatury rzędu 125 C 13 C mogą być wykonane z materiałów glinokrzemianowych typu szamotowych pod warunkiem, że nie mają bezpośredniego kontaktu ze wsadem i opadającą z niego zgorzeliną. Dolne powierzchnie ściany wykonuje się z odpornych na działanie tlenków żelaza wyrobów chromitowomagnezytowych lub magnezytowych. Materiały te mogą występować, jako wyroby formowane, masy konstrukcyjne, betony i prefabrykaty betonowe [1]. Ściany zbudowane z materiałów o zwartej budowie, w celu zmniejszenia strat ciepła do otoczenia, charakteryzują się, odpowiednio dobraną, dużą grubością. W piecach, w których warunki pracy pozwalają, jako wykładzinę stosuje się tylko materiały ogniotrwałe, włókniste lub porowate, które charakteryzują się niskim współczynnikiem przewodzenia ciepła, wysoką odpornością na nagłe zmiany temperatury oraz małą gęstością właściwą. Zastosowanie wyrobów izolacyjnych porowatych lub włóknistych pozwala na istotne zmniejszenie wymiarów i ciężaru konstrukcji ścian pieca. Wyłożenia ogniotrwałe pieców, w których zastosowano materiały włókniste są bardziej efektywne ze względu na stosunkową niższą ich pojemność cieplną w stosunku do materiałów konwencjonalnych (tablica 1). Materiały te obniżają koszt instalacji oraz czas montażu pieca z powodu nieużywania podczas budowy materiałów zawierających wodę. Poprawiają ekonomię prowadzenia pieca poprzez zmniejszenie strat ciepła przez akumulację do obmurza w systemie pieców pracujących okresowo, dzięki czemu skracają czas nagrzewania i chłodzenia pieca. Charakteryzują się znacznie lepszymi własnościami izolacyjnymi niż produkty porowate. W stosunku do tradycyjnej konstrukcji wymurówki ogniotrwałej z izolacją zewnętrzną, uzyskuje się zmniejszenie strat ciepła przez ściany i sklepienie od 4 do 5 % oraz 25-krotnie mniejsze straty ciepła przez akumulację [2]. Spotyka się również konstrukcje wielowarstwowe, złożone z materiałów o różnych właściwościach izolacyjnych. Tablica1. Porównanie własności tradycyjnych materiałów ogniotrwałych i wyłożeń włóknistych [2] Table 1.Comparison of the typical insulating refractories and light weight refractories [2] Własność Materiały Włókna tradycyjne ceramiczne Gęstość pozorna, g/cm 3 1.6 2.8.1.3 Pojemność cieplna 1 m 3 obmurza, kj/k pow. 2 ok. 2 Współczynnik przewodzenia ciepła w 1 C, W/(m K) pow. 1. ok..2 Odporność na nagłe zmiany temperatury mała nieograniczona Tablica 2. Właściwości termofizyczne materiałów konstrukcyjnych pieca laboratoryjnego Table 2.Thermophysical properties of the laboratory furnace wall materials Rodzaj przegrody λ ρ c 3

W/(m K) kg/m 3 J/(kg K) materiał izolacyjny.2 2 1 Obudowa 25 75 5 Podczas pracy urządzeń grzewczych wielkość strat ciepła do otoczenia oraz strat ciepła na nagrzanie wymurówki pieca, można określić dwoma metodami: przybliżonymi analitycznymi oraz numerycznymi. W przypadku pieców o działaniu okresowym, straty zewnętrzne ciepła przez wymurówkę do otoczenia, wyliczane są za pomocą równania Newtona, przy użyciu metody analitycznej. Jednakże do obliczeń przyjmuje się wartość średniej temperatury powierzchni zewnętrznej przegrody, w czasie kiedy temperatura powierzchni zewnętrznej zaczyna przewyższać temperaturę otoczenia aż do momentu zakończenia cyklu nagrzewania [3]. Wartość współczynnika przejmowania ciepła przyjmowana jest jako wartość stała. Straty ciepła na akumulację wylicza się w przypadku, gdy znane są masy i średnie pojemności cieplne poszczególnych warstw przegrody oraz średnia na grubości, końcowa i początkowa temperatura każdej warstwy na początku i na końcu nagrzewania [3]. W praktyce, zmianę temperatury w wymaganych punktach można uzyskać przez bezpośredni pomiar lub za pomocą przybliżonych metod obliczeniowych. Modelowanie numeryczne pozwala uzyskać rozwiązanie przy znajomości warunków brzegowych, zastosowaniu zmiennych w czasie i przestrzeni parametrów termofizycznych uzależnionych od temperatury dla całego cyklu grzewczego. Dokładność uzyskanych wyników symulacji można zweryfikować poprzez porównanie z pomiarami uzyskanymi w rzeczywistym procesie. Celem pracy jest określenie typu konstrukcji obmurza pieca komorowego pozwalającego osiągnąć najmniejsze wartości ciepła zużytego na akumulację i straty ciepła do otoczenia. Model matematyczny wymiany ciepła. Przedmiotem modelu matematycznego jest niestacjonarna złożona wymiana ciepła w wyniku konwekcji, radiacji i przewodzenia w układzie spaliny-przegrodaotoczenie. Otoczeniem jest powietrze atmosferyczne opływające zewnętrzną powierzchnię ścian pieca. Modelowana jest wymiana ciepła zarówno w czasie nagrzewania ścian od spalin jak i ich chłodzenia podczas przedmuchiwania komory pieca powietrzem atmosferycznym. Określenie pola temperatury ściany pieca wymaga rozwiązania równania Fouriera-Kirchhoffa w przestrzennym układzie współrzędnych kartezjańskich: (1) gdzie: c - pojemność cieplna właściwa, J/(kg K) x, y, z - współrzędne kartezjańskie, m λ - współczynnik przewodzenia ciepła, W/(m K) ρ - gęstość, kg/m 3 4

- czas, s T - temperatura, K Rozwiązanie równania (1) jest możliwe metodami numerycznymi. Do rozwiązania wymiany ciepła wybrano metodę elementów skończonych [4], stosując technikę reszt ważonych Galerkina. Funkcje kształtu określano przy zastosowaniu wielomianów pierwszego stopnia. Testy zastosowanego modelu numerycznego dla chłodzenia płyty przedstawiono w pracy [5]. Rozwiązanie numeryczne testowano również pod kątem gęstości siatki elementów. Dobrano minimalną długość boku elementu od strony spalin wynoszącą.1 mm. Długość boku kolejnego elementu zwiększano dwukrotnie aż do osiągnięcia maksymalnego wymiaru boku elementu w kierunku strumienia przewodzonego ciepła wynoszącego 1 mm. Liczba elementów zależała od grubości ściany i wynosiła od 45 do 122. Testowano również długość kroku przyrostu czasu stosowanego w modelu numerycznym. Testy numeryczne wykazały konieczność zastosowania minimalnego przyrostu czasu wynoszącego.1 s. Długość kroku przyrostu czasu zwiększano do wartości maksymalnej wynoszącej 1 s. W celu uzyskania stabilnych i efektywnych rozwiązań opracowano algorytm doboru długości kroku przyrostu czasu oraz algorytm kontroli poprawności rozwiązania. W obliczeniach zastosowano trzeci warunek brzegowy opisany prawem Newtona: qk ( x, y,z, ) = ( x, y, z, ) T1( x, y, z, ) - T a ( x, y, z, ) (2) gdzie: T a - temperatura płynu od strony wewnętrznej lub zewnętrznej ściany pieca, K T 1 - temperatura powierzchni ściany pieca, K α - efektywny współczynnik wymiany ciepła, W/(m 2 K) q k - gęstość strumienia ciepła, W/m 2 W piecach opalanych paliwem nośnikiem energii jest ciepło produktów spalania paliwa. Wymiana ciepła w komorze występuje w układzie: gaz, wymurówka, nagrzewany materiał i zachodzi głównie przez promieniowanie oraz w mniejszym stopniu przez konwekcję. W modelu wymiany ciepła założono, że efektywny współczynnik wymiany ciepła na powierzchni wewnętrznej ściany jest sumą dwóch członów, pozwalających na wyznaczenie ciepła przejmowanego przez konwekcję od spalin i w wyniku promieniowania spalin [6]: (3) Zastępczy współczynnik wymiany ciepła α gs w wyniku promieniowania w układzie spaliny-ściana pieca obliczono ze wzoru [7]: (4) 5

gdzie: T 1 - temperatury ścian pieca, K T g - temperatura spalin, K ε sp - emisyjność ściany pieca, ε g - emisyjność zastępcza spalin [4]. Współczynnik wymiany ciepła w wyniku konwekcji na powierzchni ściany α k wyznaczono z zależności [8]: (5) gdzie: L - średnia wysokość komory pieca. Na powierzchni zewnętrznej ściany pieca, gęstość strumienia ciepła określono efektywnym współczynnikiem wymiany ciepła α 2, który uwzględnia radiacyjną α rad i konwekcyjną wymianę ciepła α kon z otoczeniem: (6) (7) (8) gdzie: Nu - liczba kryterialna Nusselta [9], T ot - temperatura otoczenia po zewnętrznej stronie ściany pieca, K l - wymiar charakterystyczny ściany, stropu lub trzonu, m pow - współczynnik przewodzenia ciepła powietrza [1] W/(m K). Zmianę akumulacji ciepła w czasie nagrzewania wyliczono z równania: (9) Zmiana strata ciepła do otoczenia została określona równaniem: (1) W modelu uwzględniono zmianę ciepła właściwego, przewodności i gęstości materiałów ścian pieca oraz powietrza w funkcji temperatury. 6

Weryfikacja modelu numerycznego. Analizę poprawności numerycznego rozwiązania modelu matematycznego przewodzenia ciepła przez przegrodę, przeprowadzono na postawie wyników badań rzeczywistego procesu nagrzewania wsadu w piecu laboratoryjnym należącym do Katedry Techniki Cieplnej i Ochrony Środowiska, AGH. Urządzenie laboratoryjne należy do pieców typu komorowego opalanego gazem ziemnym. Piec wyposażony jest w jeden palnik podmuchowy typu kinetycznego. Konstrukcja ściany złożona jest z dwóch warstw: warstwy wewnętrznej wykonanej z materiału izolacyjnego (wełna izolacyjna) oraz zewnętrznego pancerza. Grubość poszczególnych warstw przedstawiono na rys. 2, właściwości termofizyczne materiałów w tablicy 2. Wymiary komory wewnętrznej pieca wynoszą: długość 134 mm, szerokość 45 mm, wysokość 55 mm. Pomiar rzeczywistej temperatury ściany pieca w czasie nagrzewania wlewka wykonano w trzech punktach pomiarowych (1 punkt - 5 mm od powierzchni wewnętrznej izolacji, 2 punkt - w połowie grubości izolacji, 3 punkt - na styku izolacji z metalową konstrukcją), których lokalizację przedstawiono na rys. 2. Podczas eksperymentu dokonano również pomiaru zmiany temperatury atmosfery pieca oraz nagrzewanego materiału. Proces nagrzewania wsadu stalowego o wymiarach: średnica 8 mm, długość 337 mm, był prowadzony przez 65 minut, aż do uzyskania temperatury równej 1 C w osi wsadu. Na rys. 3 przedstawiono zmianę temperatury atmosfery pieca w funkcji czasu nagrzewania. Wlewek nagrzewano wraz z piecem od temperatury atmosfery wynoszącej 2 C dla = min do 11 C dla = 65 min. Rys. 2. Budowa ściany pieca laboratoryjnego Fig.2.The laboratory furnace wall structure Na rys. 4 6 przedstawiono porównanie zmiany temperatury w trzech punktach pomiarowych z wynikami obliczeń numerycznych, zgodnych z punktami pomiarowymi. Dla pierwszego punktu pomiarowego najwyższą różnicę temperatury pomiędzy zmierzonymi a wyliczonymi wartościami, wynoszącą około 1 C, uzyskano w czasie pierwszych 5 minut nagrzewania. Tak duża różnica wynika z braku możliwości dokładnego sprecyzowania prawidłowej zmiany atmosfery pieca w momencie rozruchu palników. Pomiary zmiany temperatury spalin wykonano w różnych strefach komory pieca. Wyniki pomiarów wykazały największe różnice pomiędzy punktami pomiarowymi w początkowym czasie nagrzewania. W drugim punkcie pomiarowym największą różnicę uzyskano 7

Temperatura, o C Temperatura, o C po 48 min nagrzewania i wynosiła ona 2 K. W przypadku punktu nr 3 błąd obliczeń wzrastał wraz z czasem i po godzinie wynosił 16 K. Tak dobra zgodność otrzymanych wyników numerycznych z pomiarami pozwala na stwierdzenie, że wykorzystany do obliczeń model numeryczny może w pełni zostać wykorzystany do obliczeń związanych z przenikaniem ciepła przez przegrodę, wykonaną z materiałów o małej przewodności cieplnej. 12 1 8 6 4 temperatura atmosfery w piecu 2.4.8 1.2 Rys. 3. Zmiana temperatury atmosfery pieca laboratoryjnego Fig.3. The laboratory furnace temperature variation in time 1 8 6 4 2 1 punkt pomiarowy pomiary obliczenia numeryczne.4.8 1.2 Rys. 4. Porównanie zmiany temperatury ściany pieca laboratoryjnego z obliczeniami numerycznymi w punkcie nr 1 Fig.4. The laboratory furnace temperature variations at point 1 in the chamber wall 8

Temperatura, o C Temperatura, o C 2 16 2 punkt pomiarowy pomiary obliczenia numeryczne 12 8 4.4.8 1.2 Rys. 5. Porównanie zmiany temperatury ściany pieca laboratoryjnego z obliczeniami numerycznymi w punkcie nr 2 Fig.5. The laboratory furnace temperature variations at point 2 in the chamber wall 4 36 3 punkt pomiarowy pomiary obliczenia numeryczne 32 28 24 2.4.8 1.2 Rys. 6. Porównanie zmiany temperatury ściany pieca laboratoryjnego z obliczeniami numerycznymi w punkcie nr 3 Fig.6. The laboratory furnace temperature variations at point 3 in the chamber wall Obliczenia numeryczne pieca komorowego. Analizie poddano piec komorowy, opalany gazem ziemnym, z wysuwanym trzonem. Grubość modelowanego obmurza jest zgodna z wymiarami rzeczywistymi pieca komorowego. Przyjęty przebieg zmiany temperatury atmosfery komory pieca przedstawiony na rys. 8, jest typowy dla procesu nagrzewania i wygrzewania wsadu poddawanego obróbce cieplnej. Ściany boczne wykonane są z jednej lub kilku warstw składających się materiałów 9

ogniotrwałych i izolujących oraz obudowy w postaci stalowego pancerza. W celu oszacowania całkowitej energii potrzebnej na nagrzanie obmurza pieca, scharakteryzowano również zmianę strat ciepła przez strop, drzwi wsadowe oraz trzon. Na rys. 7 przedstawiono konstrukcję poszczególnych elementów obmurza pieca oraz grubości materiałów. Tablica 3. Właściwości termofizyczne materiałów konstrukcyjnych obmurza pieca. Table 3.Thermophisocal properties of the industrial furnace materials L.p. 1. 2. 3. 4. 5. Materiał Włókno ceramiczne Cegła szamotowa Cegła szamotowa L1 Beton ogniotrwały Stal - do temp. 72 C - powyżej 72 C Pojemność cieplna właściwa, J/(kg K) Gęstość, kg/m 3 14 13 14 17 15 21 1 12 785 Współczynnik przewodzenia ciepła, W/(m K) 6. Pyty kaolinowe 88 2 Tablica 4. Zestawienie wartości zakumulowanego oraz odebranego ciepła z powierzchni zewnętrznej obmurza pieca Table 4. The heat losses to the atmosphere and heat accumulated in the furnace chamber at the end of process Nazwa przegrody Całkowita ilość zużytego ciepła, MJ/m 2 Straty akumulacji na końcu procesu MJ/m 2 Starty ciepła na końcu procesu, MJ/m 2 ściana nr 1 514 444 7 ściana nr 2 5 461 39 ściana nr 3 77.6 2.6 75 strop 59 111 398 wrota 87.3 3.3 84 trzon 24 14 136 W tablicy 3 przedstawiono właściwości termofizyczne materiałów konstrukcyjnych, przez t oznaczono względną temperaturę t=t/1. Do obliczeń przyjęto szerokość oraz wysokość poszczególnych konstrukcji równą 1 m. Schemat przyjętej numeracji ścian przedstawiono na rys. 1. Dwie ściany, oznaczone nr 1 i nr 2, posiadają grubość przekraczającą 1 m. Dodatkowo zbudowane są z materiałów twardych o dużej pojemności cieplnej. Ściana nr 3 oraz wrota zbudowane są z materiałów włóknistych o trzykrotnie mniejszej grubości. Wyniki obliczeń numerycznych w postaci zmiany w czasie ciepła 1

akumulowanego oraz traconego do otoczenia przedstawiono na rys. 9 1. Najwyższe straty ciepła związane z akumulacją uzyskano dla ściany nr 1 i nr 2. Wynoszą one odpowiednio 444 MJ/m 2 i 461 MJ/m 2. Najniższe uzyskano dla ściany nr 3 oraz drzwi wsadowych wykonanych z płyt kaolinowych, są one niższe o 99.8 % w stosunku do ścian zbudowanych z cegieł. Konstrukcja ściany nr 2, wykonana z połączenia 2 rodzajów cegły szamotowej, uzyskała najniższe wartości strat ciepła do otoczenia. Są one prawie dwukrotnie niższe w porównaniu do wyników otrzymanych dla ściany nr 1, nr 3 oraz wrót (tablica 4). ściana 1 ściana 3 ściana 2 strop wrota trzon Rys. 7. Budowa i grubość elementów konstrukcyjnych pieca oraz lokalizacja punków pomiaru temperatury w przegrodach. Fig.7.The industrial furnace walls structure and the location of temperature sampling points 11

Temperatura, o C 1 pomiar 8 6 4 2 4 8 12 16 2 Rys. 8. Zmiana temperatury atmosfery w piecu komorowym Fig.8. The industrial furnace temperature variations in time 6 Straty akumulacji ciepła, MJ/m 2 4 2 ściana 1 ściana 2 ściana 3 strop trzon wrota 4 8 12 16 2 Rys. 9. Zmiana strat akumulacji ciepła obmurza pieca komorowego Fig.9.The heat accumulated in the chamber walls as a function of time 12

Straty ciepła, MJ/m 2 Temperatura, o C 4 3 2 1 ściana 1 ściana 2 ściana 3 strop trzon wrota 4 8 12 16 2 Rys. 1. Zmiana start ciepła do otoczenia z powierzchni obmurza pieca komorowego Fig.1. The heat losses to the atmosphere from the furnace walls 1 8 1 punkt, ściana 1 3 punkt, ściana 1 1 punkt, ściana 2 3 punkt, ściana 2 6 4 2 4 8 12 16 2 Rys. 11. Zmiana temperatury ściany nr 1 i nr 2 w czasie cyklu technologicznego Fig.11. The temperature variations of the furnace walls 1 and 2 13

Temperatura, o C Temperatura, o C 1 8 1 punkt, strop 3 punkt, strop 1 punkt, trzon 3 punkt, trzon 6 4 2 4 8 12 16 2 Rys. 12. Zmiana temperatury stropu i trzonu w czasie cyklu technologicznego Fig.12. The temperature variations of the chamber furnace roof and stove 1 8 1 punkt, wrota 2 punkt, wrota 3 punkt, wrota 6 4 2 4 8 12 16 2 Rys. 13. Zmiana temperatury wrót w czasie cyklu technologicznego Fig.13. The temperature variations of the chamber furnace gate Na rysunkach 11 13 przedstawiono przebiegi zmiany temperatury w trzech punktach pomiarowych analizowanych przegród. Największy gradient temperatury występował dla przegród wykonanych z materiałów włóknistych. W przerwie między cyklami nagrzewania, powierzchnia wewnętrzna ściany wykonana z tych materiałów ulegała szybszemu wychłodzeniu. Uzyskano wartości temp. niższe o 17 C w stosunku do powierzchni ścian wykonanych z materiałów charakteryzujących się wyższą pojemnością cieplną (rys. 13). 14

Do budowy stropu zastosowano 2,5 krotnie mniejszą grubość cegły szamotowej oraz 3,5 krotnie mniejszą grubość cegły szamotowej L1 (rys. 7) niż w ścianie nr 2. Tak dobrana konstrukcja spowodowała akumulację ciepła zbliżoną do wartości otrzymanej dla trzonu oraz najwyższą wartość strat ciepła do otoczenia wynoszącą 398 MJ/m 2. Temperatura powierzchni zewnętrznej stropu po 6 h od rozpoczęcia procesu technologicznego przekroczyła 1 C (rys. 12). Trzon jest elementem zamykającym od spodu przestrzeń roboczą pieca. W piecach komorowych trzon oprócz funkcji izolacyjnych, przenosi obciążenia mechaniczne od spoczywającego na nich wsadu. W badanym piecu stanowi oddzielny element zbudowany na zespołach jezdnych. Ze względu na rodzaj pełnionej funkcji, zbudowany jest z warstwy ogniotrwałej (beton izolacyjny), izolacyjnej (cegła szamotowa L1) oraz stalowej konstrukcji. Wyniki obliczeń zmiany strat ciepła oraz zmiany strat akumulacji ciepła wykazują, że typowa budowa trzonu jest przyczyną akumulacji dużej ilość energii cieplnej oraz jest przyczyną niedostatecznej izolacji cieplnej. Straty ciepła do otoczenia na końcu procesu wynoszą 136 MJ/m 2, straty ciepła na akumulację 14 MJ/m 2. Temperatura powierzchni zewnętrznej trzonu, w całym analizowanym czasie nie przekroczyła 53 C. Masywna, zwarta konstrukcja trzonu pozwala na dowolne ułożenie na jego powierzchni nagrzewanego wsadu, jednakże powoduje duże straty ciepła na akumulację, rodzaj zastosowanego materiału nie umożliwia dostatecznej izolacji. Podsumowanie. W procesach przeróbki plastycznej na gorąco istotne obniżenie kosztów produkcji można osiągnąć poprzez zmniejszenie nakładów energii potrzebnej na nagrzanie i utrzymanie we właściwej temperaturze obmurza pieca. W pracy dokonano analizy wpływu konstrukcji obmurza pieca na ilość ciepła akumulowanego oraz oddawanego do otoczenia. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że całkowita ilość zużytego ciepła w procesie nagrzewania jest najniższa dla przegrody wykonanej wyłącznie z materiału włóknistego. Obliczenia wykazały, że ściana wykonana z grubej warstwy cegły szamotowej, pozwala uzyskać straty ciepła z powierzchni zewnętrznej na poziomie strat wyliczonych dla ściany z materiału włóknistego. Podobieństwa występują również w rozkładzie pola temperatury powierzchni zewnętrznych. Obie konstrukcje pozwalają na bezpieczne przebywanie pracowników w ich strefie. Jednakże zastosowanie materiałów twardych prowadzi do ośmiokrotnego zwiększenia energii cieplnej potrzebnej na uzyskanie wymaganej temperatury pracy. Tak duża różnica spowodowana jest stratami ciepła akumulowanego w ścianie pieca, a w konsekwencji traconego do otoczenia w czasie postoju pieca. Final note: The project was financed under the GekonProgramme the Environmentally Friendly Concept Generator. Project No. GEKON1/O2/21382/4/214 15

Literatura: 1. Piech J.: Wyłożenia ogniotrwałe pieców i urządzeń cieplnych, AGH UWN-D, Kraków, 1999 2. Pawłowski S., Serkowski P.: Materiały ogniotrwałe. Własności i zastosowanie w urządzeniach przemysłowych, ZPWW, Gliwice, 1996 3. Szecówka L.: Wymiana ciepła w piecach przemysłowych, WPCz, Częstochowa, 26 4. Malinowski Z.: Numeryczne modele w przeróbce plastycznej i wymianie ciepła, AGH UWN- D, Kraków, 25 5. Malinowski Z., Telejko T., Hadała B., Cebo-Rudnicka Agnieszka, Szajding A.: Dedicated three dimensional numerical models for the inverse determination of the heat flux and heat transfer coefficient distributions over the metal plate surface cooled by water, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 75, 214, pp. 347 361 6. Malinowski Z., Rywotycki M.: Modelowanie nagrzewania pasma w piecach pokrocznych, Hutnik Wiadomości Hutnicze, 28, nr 1, s. 61 64 7. Gołdasz A., Telejko T., Rywotycki M., Szajding A.: The influence of radiation model on the distribution of heat flux in the pusher furnace, Archives of Metallurgy and Materials, vol. 57, 212, pp. 1143 1149 8. Senkara T.: Obliczenia cieplne pieców grzewczych w hutnictwie, Katowice, Wyd. Śląsk, 198 9. Yunus A. Ç.: Heat and mass transfer, McGrawHill, New York, 27 1. Hadała B., Malinowski Z.: Validation of the boundary conditions in on-line temperature model for plate rolling mill, Archives of Metallurgy and Materials, vol. 55, 21, pp. 455 461 16