3.2.4 Конвективный режим работы печей

Конвективный режим работы тепловых установок характеризуется преобладающим значением теплоотдачи конвекцией.

Область применения конвективного режима весьма ограничена. В основном этот режим как самостоятельный применяют в сушилках силикатной технологии, работающих при температуре не выше 400—500⁰С, в зонах подогрева и охлаждения туннельных печей для обжига керамики, в конвективных зонах и холодильниках вра­щающихся печей для обжига цементного клинкера.

Вместе с тем на практике наряду с радиационным теплообменом существенную роль играет теплопередача конвекцией в области рабочих температур 500-900⁰ С, если теплоноситель имеет достаточно высокие скорости. При особенно больших скоростях движения теплоносителя конвективная теплопередача может иметь заметное влияние на процесс теплообмена и при более высоких темпера­турах.

Теплопередача конвекцией может быть выражена известной формулой Ньютона:

где t_п- температура газов, устанавливаемая на основании принятого способа усреднений, ⁰С; t_м-температура поверхностного нагрева, ⁰С; F_м-поверхность нагрева, м²; α_к –коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт (м²·⁰С).

Коэффициент теплоотдачи конвекцией представляет собой величину, зависящую от размеров и свойств пограничного слоя теплоносителя у поверхности нагреваемого тела, а последние определяются парамётрами, относящимися к потоку теплоносителя и омываемой им поверхности.

где - соответственно скорость, теплоемкость, плотность и абсо­лютная вязкость газа; Ф — характеристика формы поверхности нагрева; е; b — размеры поверхности нагрева.

Учитывая сложность вышеприведенной зависимости, коэффициент теплоотдачи конвекцией для различных случаев находят экспериментально. Используя теорию подобия, можно объединить отдельные величины, характеризующие свойства потока теплоносителя, в определенные комплексы.

Условия Свободной конвекции характеризуются следующими уравнениями:

где

здесь - коэффициент кинематической вязкости, м²/с; g ускорение силы тяжести, м/с²; 𝛾 - удельный вес, Н/м³; β - коэффициент объемного расширения; d — характерный линейный размер потока, м; a — коэффициент температуропроводности.

Условия вынужденной конвекций характеризуются уравнением

где Re = 𝜔d/v — критерий Рейнольдса.

Из этого уравнения (3.40) следует, что в случае свободной конвек­ции интенсивность теплоотдачи определяют значением критерия Gr, т. е. двумя главными параметрами l и ∆t, входящими в этот комплекс.

Разность температур ∆t между теплоносителем и поверхностью нагрева, от которой зависит теплоотдача, создает скорость движения теплоносителя вдоль поверхности нагрева, а протяженность поверхности нагрева l - возможность развития движения.

В условиях вынужденной конвекции, как следует из уравнения (3.41), определяющим комплексом является критерий Рейнольдса, т. е. интенсивность теплоотдачи зависит от скорости движения потока относительно поверхности нагрева.

Значения определяющих комплексов для ряда случаев как свободной, так и вынужденной конвекции в настоящее время вычислены и представлены в табл. 3.1 (свободная конвекция) и в табл. 3.2 (вынужденная конвекция) [4].

Таблица 3.1

Значения критерия Нуссельта в условиях свободного конвективного теплообмена для тел различных геометрических форм

Форма	Область существования	Значение критерия
	Cr · Pr<108…109 Ламинарное течение
	Cr · Pr>108…109 Турбулентное течение
	Cr · Pr<108…109 Ламинарное течение	То же, самое что и для плоскости
	Cr · Pr>108…109 Турбулентное течение	≫≫≫
	Cr · Pr=10-3…1013 Pr>0,7	Nu=C1C2(Gr·Pr)n Gr·Pr C1 n 1·10-3…5·102 1,18 0,125 5·102…2·107 Ламинарное течение 0,53 0,25 2·107…1·1013 Турбулентное течение 0,135 0,33 Теплопередача сверху С2=1,3 Теплопередача снизу С2=0,7
	Cr · Pr=10-7…1012
	То же, самое что и для плоскости. С2=1

Таблица 3.2

Значение определяющих критериев в условиях вынужденной конвекции

Форма тела	Область существования	Значение критерия
	Pr=0,5…1000	Nu=C1C2CδRen Pr0,31 Re C1 n 0,4………….….4 4………...……40 40……….....4000 4000…..…40 000 40 000….400 000 0,989 0,911 0,683 0,193 0,0265 0,330 0,385 0,466 0,618 0,805 5000.…...100 000 0,102 0,675 5000……100 000 0,246 0,588 5000……100 000 0,153 0,638 5000….…19 500 19500…..100 000 0,160 0,0385 0,638 0,785 Температура газа 20…10000С: Угол потока теплоносителя 900 800 700 600 500 400 300 200 Угловой фактор Сδ 1 1 0,99 0,95 0,86 0,75 0,63 0,5
	Re<2300 Ламинарное течение
	Re=2300…1000000 Турбулентное течение Pr=0,6…500, d/l=0…1
	Re≥200 ds≥10d куска ls≥3…6d куска	Ψ= коэффициент прозрачности
		Nu=0,18C1,95 Re0,88 -20C
		Nu=0,63 Re0,54
	Re<300000…500000 Pr=0,1…103	Nu=0,664 Re0,5 Pr0,33
	Re=20…150000	Nu=0,37 Re0,6 Pr0,33
	Re=13…2100
	20<Re<4000	Поперечное направление с n 20<Re<400 4,5 0,21 400<Re<4000 0,32 0,59 Продольное направление 20<Re<400 4,5 0,27 400<Re<4000 0,7 0,61