Основы теплопереноса в промышленных печах

В промышленных печах одновременно протекает ряд процессов: горение топлива, реакции диссоциации продуктов сгорания и газообразного топлива, тепло- и массообменные процессы, связанные со структурными и химическими преобразованиями в материале, эндотермические реакции восстановления и перекристаллизации сырья и т.д. Все эти процессы бывают взаимосвязаны, протекают одновременно, а совокупность этих процессов составляет суммарный процесс тепловой обработки материала.

Однако важнейшим из них остаётся процесс переноса тепла. Этот процесс зависит от типа печи, формы и размеров рабочего пространства, способа расположения нагреваемых изделий, типа и способа сжигания топлива.

По виду технологического процесса нагрева материала различают:

• Без изменения структуры и физико-химических свойств;

• С изменением структуры и физико-химических свойств;

• С плавлением шихтовых материалов.

По способу нагрева различают:

• Прямой нагрев материала (непосредственный контакт материала с продуктами сгорания или факелом). Такой процесс нагрева наблюдается в мартеновских и стекловаренных плавильных печах, методических нагревательных печах, обжиговых камерных печах, барабанных вращающихся печах и в нагревательных колодцах;

• Косвенный нагрев материала (непосредственный контакт материала с факелом отсутствует). При таком режиме нагрева материал может быть изолирован от дымовых газов и тепло передаётся материалу через разделяющую поверхность. Такой режим нагрева реализован в коксовых печах, муфельных печах и печах с радиационными трубами. Учитывая усложнённые конструкции таких печей и значительное влияние на теплоперенос стенки, косвенный нагрев более сложный и дорогой по сравнению с прямым нагревом.

• Нагрев в кипящем слое промежуточного теплоносителя. Этот процесс нагрева идёт очень интенсивно вследствие активного перемещения кускового мелкозернистого материала по объёму печи и его перемешивания. Такие печи применяются для обжига и обогащения руд в металлургии, при обжиге серного колчедана в химической промышленности, термических печах и т.д.

• Нагрев в расплавленных жидких средах (расплавах солей), который применяется, как правило, в технологии термической обработки материала. В качестве солей используется: NaCl, KCl, KNO₃, BaCl₂, NaNO₃ и их смеси. Его преимущества – быстрый безокислительный нагрев.

Перенос тепла в печах от факела (источника тепла) к материалу носит сложный характер и его принято разделять на внешний и внутренний теплообмен.

Процесс внешнего теплообмена представляет собой передачу тепла к наружной поверхности материала (расплава) от факела и обмуровки печи. В общем случае внешний теплообмен может быть лучистым, конвективным и смешанным, и определяется он температурой газового потока, его степенью черноты и скоростью движения газов.

Внутренний теплообмен – это процесс переноса тепла внутри нагреваемого материала или расплава, обусловленный перепадом температур по толщине. В твёрдых телах – это перенос тепла теплопроводностью, в расплавах перенос тепла зависит от газовыделений, перемешивания и теплопроводности расплава.

В зависимости от уровня рабочих температур в печи, технологических процессов протекающих в печах – определяющим может быть либо внешний либо внутренний теплообмен.

В сталеплавильных и стекловаренных печах скорость плавки определяет внешний теплообмен. В нагревательных колодцах, при нагреве массивных тел и тел с малым коэффициентом теплопроводности , определяющим является внутренний теплообмен. Материал в этом случае нагревают строго по своему графику во избежание: коробления, растрескивания, большого угара металла и т.д.

При нагреве тонких тел ( критерий Віо ≤0,1) внутренним теплообменом можно пренебречь, так как перепад температур по толщине материала для этих тел небольшой.

При прямом нагреве материала процесс переноса тепла условно представлен на рис.1,2

Тепло от факела

Поверхность материала материала

Кладка печи

Потери в окр. среду

Рис.1 Схема процесса переноса тепла в печи.

Рис.2 Процесс переноса тепла в печи.

При сжигании топлива в рабочем пространстве печи продукты сгорания передают свою энергию на металл и на кладку путём излучения и конвективного теплообмена. При этом кладка излучает на металл (материал), а металл (материал) излучает на кладку. И кладка и металл излучают сами на себя. Часть тепла через кладку и окна отводится в окружающую среду.

Как правило, степень черноты газов невелика, ε_г ≈ 0,25-0,35 и она сильно зависит от концентрации Н₂О и СО₂ в продуктах сгорания. Для ряда нагревательных печей с электрическим обогревом, в качестве газовой среды, используется воздух или инертный газ - азот. Такую газовую среду можно считать лучепрозрачной, то есть излучательной и поглощательной способностью таких газов можно пренебречь.