3.3.2 Радиационный режим работы печей

Радиационный режим, работы печей предполагает осуществление внешнего теплообмена в основном посредством лучеиспускания.

Существуют три разновидности радиационного режима работы печей, отличающиеся различным соотношением лучистых потоков от пламени на поверхность нагрева и кладку:

а) равномерно распределенный теплообмен;

б) направленный прямой теплообмен;

в) направленный косвенный теплообмен.

Равномерно распределенный теплообмен определяется равномерным полем температур и оптических констант пламени. В этих условиях падающие лучистые потоки от пламени на нагреваемы материал , на кладку печи равны, т. е. .

Рассматриваёмый рёжим работы печей наиболее целесообразен при нагреве массивных изделии, и применяется во всех случаях, когда нагреваемые изделия располагаются в печи в виде садки, причем так, что имеются поверхности нагрева, малодоступные для излучения от кладки. В качестве примера можно привести камер­ные, кольцевые печи, зону обжига туннельных печей и высокотемпе­ратурную зону трубчатых вращающихся печей для обжига сыпу­чих материалов.

Все тепловые установки, работающие по принципу равномерно

распределенного теплообмена, имеют относительно высокую температуру кладки Т_к, значительно превышающую температуру нагреваемого материала Т_м и в идеале приближающуюся к температуре пламени Т_п. Чем выше температура кладки, тем интенсивнее теп­лоотдача лучеиспусканием. Если температура кладки в разных ее местах одинакова, то и противостоящие ей места поверхности нагре­ва при равномерной толщине пламени получают одно и то же коли­чество теплоты.

С другой стороны, теплота, получаемая поверхностью нагреваемого материала, зависит от степени черноты пламени ε_п и достигает максимума при ε_п = 1.

Можно сделать вывод, что интенсификация теплообмена в условиях рассматриваемого режима работы печи определяется температурой пламени и степенью его черноты, причем, как следует из фор­мулы:

влияние температуры более существенно. Однако практика показы­вает, что в области низких значений ε_п увеличение степени черноты пламени играет большую роль, чем в диапазоне высоких значений ε_п. Поэтому даже малое увеличение светимости практически несве­тящихся газов играет большую роль.

Суммарное облучение того или иного элемента поверхности нагрева, следовательно, слагается из облучения его со стороны пламени и со стороны кладки. Идеальный теплообмен достигается в том случае, когда суммарное облучение каждого элемента поверхности нагрева одинаково. Так как обычно равномерное облучение со стороны кладки получить невозможно, то на практике равномерно распределенный режим работы достигается либо за счет интенси­фикации излучения пламени, либо варьированием интенсивности излучения пламени в целях уравнивания суммарного лучистого потока. Последнее достигается утолщением слоя пламени в тех местах, где облучение со стороны кладки меньше.

При расчете нагрева массивных тел принимают следующий путь решения. На основании требований технологии выбирают режим изменения температуры поверхности и центра изделия в процессе нагрева и время нагрева изделия. Процесс нагрева разбивают на ряд интервалов, для каждого из которых определяют величину теплопоглощения. Для каждого интервала нагрева усредняют температуру поверхности нагрева. По величине теплопоглощения и усредненной температуры поверхности нагрева находят необходи­мые параметры внешнего теплообмена (эффективную температуру и степень черноты пламени). По полученной эффективной температу­ре и степени черноты пламени выбирают топливо и определяют пара­метры процесса сжигания.

Таким образом предлагаемый теоретический расчет основан на подборе на параметрах внешнего теплообмена исходя из условий внутренней теплопередачи.

Направленный радиационный теплообмен создается в печи, если падающий лучистый поток от пламени на материал больше, чем на кладку т.e . Сущность рассматриваемого теплообмена заключается в получении возможно большего значения разности за счет создания градиента температур по толщи­не пламени. В результате поверхность, прилегающая к зоне высоких температур, получает больше тепла, чем противоположная, так как слои пламени с меньшей температурой задерживают излучение горячих слоев и экранируют кладку.

Направленный радиационный теплообмен имеет очень широкое распространение и применим для как тонких, так и массивных изделий. Отличительная особенность направленного тепло­обмена состоит в возможности его регулирования и интенсификации в широких пределах за счет изменения расположения факела. В силикатной технологии этот вид теплообмена получил наибольшее распространение в стекловаренных печах.

Основным средством повышения интенсивности передачи при прямом теплообмене является повышение максимальной темпе­ратуры пламени. В этом случае результирующий тепловой поток на поверхности нагрева зависит от средней степени черноты пламени и возрастает по мере ее увеличения. Наибольшее значение имеет степень черноты слоев пламени с максимальной температурой.

Детальный анализ рассматриваемого вопроса в общем виде затруднителен, однако можно рекомендовать следующую схему приближенного расчета направленного радиационного теплообмена:

а) разделение рабочего пространства печи на несколько радиационно взаимодействующих зон, в каждой из которых температуру и другие параметры лучистого теплообмена принимают постоянны­ми. Температуры в отдельных зонах выбирают исходя из практи­ческих соображений;

б) определение результирующих тепловых потоков для поверхности нагрева q_м на основании расчетов внутренней теплопередачи, кДж/м².

Для выяснения необходимой характеристики отдельных зон пламени следует воспользоваться уравнением:

В индексах 1, 2.....n - обозначены зоны пламени; φ - угловые коэффициенты;

ρ-коэффициент отражения.

Если пламя разделено на п зон, то в вышеприведенном уравне­нии будут п неизвестных, а именно Т₁, Т₂, ..., Т_n.

Задаваясь результирующими тепловыми потоками для соответ­ствующих зон и записав для этих потоков вышеприведенное уравне­ние, можно найти неизвестные температуры. При этом необходимо помнить, что алгебраическая сумма результирующих тепловых потоков для всех зон, включая и граничные, должна быть равна нулю, т. е. q_м+q_к+q₁+q₂+…+q_n=0

Направленный косвенный теплообмен. Такой теплообмен создается в печи при условии, если падающий тепловой поток от пламени на кладку печи больше теплового потока, падающего на поверхность нагрева, т. е. .

В отличие от прямого радиационного теплообмена косвенный теплообмен характеризуется тем, что область максимальных темпе­ратур расположена ближе к поверхности кладки, чем к поверхности нагрева. Чем больше тем ближе температура кладки к темпера­туре пламени и тем больше радиация кладки. Интенсивность теп­лового потока от пламени на кладку зависит от степени черноты пламени и его толщины.

В печах рассматриваемый теплообмен в чистом исполнении встре­чается редко в связи с высокой температурой обжига материалов и необходимостью поддерживания температуры кладки в области предельных температур службы кладки.

Однако большое распространение в основном в производстве керамических изделий получил несколько иной способ разогрева излучающей поверхности за счет поверхностного сжигания топлива. В этом случае смесь горючего с воздухом в виде очень тонкого слоя направляется на нагретую керамическую поверхность.

Характерной стороной поверхностного горения является быстро­та теплообмена между тонким слоем горящего газа и керамической поверхностью.

С точки зрения процессов теплообмена при поверхностном сжи­гании топлива следует выделять в печах две зоны. Первая представ­ляет собой зону теплообмена вблизи керамической поверхности, причем тонкий слой практически не участвует в теплообмене с на­греваемым материалом. Вторая — это зона теплообмена между раскаленной керамикой, поверхностью нагрева и остальными эле­ментами печи при наличии лучепоглощающей среды. Чем меньше степень черноты газов, заполняющих печь, тем эффективнее работа печи.

Расчет теплообмена между раскаленной излучающей поверхно­стью и поверхностью нагрева сводится к случаю теплообмена между двумя поверхностями, образующими замкнутую систему. Распреде­ление температур в замкнутой системе может быть найдено из урав­нения

где Н - расстояние от кладки до поверхности нагрева, м; х - текущая ко­ордината по высоте от кладки книзу, м; β - коэффициент поглощения газо­вого слоя.

Суммарный коэффициент теплопередачи в этом случае равен:

Косвенный теплообмен часто организуют путем замены кладки холодными поверхностями с высоким коэффициентом отражения. Печи подобной конструкции получили название рефлекторных пе­чей. На указанном принципе работает большинство вакуумных печей, предназначенных для высокотемпературных обжигов. Особо организуется теплообмен в так называемых муфельных и полумуфельных печах, работа которых основана на теплопередаче через стенку муфеля. Эти печи как теплообменное устройство более сложны, так как тепло поступает в рабочее пространство печи не только в результате сжигания топлива, но и через кладку. Для рабочего пространства этих печей справедливо выражение [4]:

q_м - q_п + q_к.