3. Общая классификация нагревательных печей и режимов их работы

Современные тепловые агрегаты, используемые для нагрева материала, состоят из печи и вспомогательного обо­рудования. Печь включает в себя рабочее простран­ство и устройства для получения тепловой энергии: горелки, форсунки в топливных печах и электроды, резисторы в электри­ческих печах. В состав вспомогательного оборудования обычно входят устройства для утилизации тепла отходящих дымовых газов, вентиляторы, дымососы, дымовые трубы, задвижки и др.

В рабочем пространстве печи осуществляются технологиче­ские операции нагрева. Остальные элементы печи служат для наиболее эффективного ее проведения.

Все нагревательные печи классифицируют по технологическому назначению:

1) печи для обжига материалов (известняка, магнезита, огнеупорных материалов и др.);

2) печи для сушки материалов (литейных форм, руды, песка и др.);

3) печи для придания металлу пластических свойств перед обработкой дав­лением;

4) печи для изменения внутреннего строения и структуры металла (термическая обработка).

Данные группы печей подразделяют еще и по конструктивным признакам, методам транспортирования металла через печь, характеру про­дукта, подвергаемого нагреву.

По используемым в печи методам утилизации тепла отходящих ды­мовых газов печи подразделяют на регенеративные и рекуператив­ные.

Нагревательные печи так же классифицируют по принципу тепловыделения, т. е. в зависимости от того, какой вид энергии преобразуется в тепловую:

1. топливные печи, в которых источником тепла является химическая энергия топ­лива;

2. электрические печи, в которых источником тепла является электрическая энергия.

Классификация и общая характеристика режимов работы печей

В печах, главным образом, существуют две основные ступени передачи тепла: от теплоносителя (пламени, электрической дуги и др.) к поверхности материала и от поверхности внутрь материала. Первый случай называется внешней задачей, второй – внутренней задачей.

При внешней задаче теплоотдача осуществляется в основном в результате теплового излучения и конвекции.

При внутренней задаче теплообмен происходит в основном в результате теплопроводности.

Рассмотрим режимы, присущие внешнему теплообмену.

Радиационный режим. При данном режиме преобладает тепловое излучение. Если температура и излучательная способность пламени или объема раскаленных газов одинаковы по толщине, то теплоотдача металлу и кладке печи равно­мерна. При неравно­мерном температурном поле и переменной излучательной способ­ности по толщине пламени или объему газа теплоотдача будет неодинаковой в разных направлениях. Таким образом, возможны следующие виды радиационного теплообмена.

1. Равномерно распределенный радиационный теплообмен

,

где и – соответственно тепловой поток от пламени на металл и кладку.

2. Направленный прямой радиационный теплообмен

.

3. Направленный косвенный радиационный теплообмен

.

Первый вид теплообмена следует применять в печах, в которых нагревают массивные изделия, т. к. в этом случае быстрота нагрева определяется условиями внутреннего теплообмена и небольшая ин­тенсивность внешнего теплообмена не имеет лимитирующего значения.

С равномерно распределенным режимом теплообмена работают нагревательные колодцы, не­которые камерные печи, сварочные зоны методических печей и др. В качестве топлива выбирают виды, обеспе­чивающие хорошую светимость факела (мазут, природный газ, коксодоменная смесь).

Направленный прямой радиационный теплообмен используют в плавильных (мартеновских, электросталеплавиль­ных) и нагревательных печах при нагреве тонких и массивных изделий, размещенных по поду печи. Для обеспече­ния такого режима в топливных печах требуется высокотемпературный хорошо светящийся факел, который размещают вблизи поверхности нагреваемого или проплавляемого материала. В дуговых электро­печах эту задачу выполняет близко расположенная к поверхности материала электрическая дуга.

Режим направленного прямого теплообмена нецелесообразно использовать, когда поверхность нагрева распределена по всему объему рабочего пространства печи, например в нагревательных колодцах.

При направленном косвенном радиационном теплообмене тепло, выделя­ющееся при сгорании топлива, передается нагреваемому мате­риалу через посредника (кос­венно), которым чаще всего является кладка свода печи.

Направленный косвенный радиационный режим тепло­обмена следует применять, когда необходим равномерный нагрев, исключающий местные перегревы.

Термин “косвенный нагрев” иногда применяют в смысле, связанном с осуществлением муфельного нагрева металла. Часто нагрев металла в термических печах должен осуществляться без малейшего окис­ления, что возможно лишь в том случае, когда поверхность металла не контактирует с продуктами сгорания топлива. Принцип муфелирования заключается в отделении газов от металла. Отделить газы от металла можно, осуществив сжигание топлива в радиационных трубах или закрыв садку металла муфелем. И в том, и в другом случае имеет место косвенный нагрев, т. е. нагрев без возможности соприкосновения металла и окисляющих газов.

Конвективный режим. Теплообмен конвекцией имеет преобладающее действие при температурах ниже 550–600 °С.

Таким образом, этот режим характерен для низкотемператур­ных термических и сушильных печей. Объем, в котором сжигают топливо, выносят за пределы рабочего пространства печи. Температура в рабочем про­странстве ниже температуры горения топлива. Для равномерного нагрева материала стремятся получить развитое движение газов. Конвективный режим применяют также в ванных печах, в которых теплоносителем служит жидкая среда.

Слоевой режим работы печей. Такой режим характерен при обработке кускового материала. Например, в вертикальных пе­чах, где материал либо располагается по всему объему и раскаленные газы проходят между его кусками, либо частицы его распределены в газообразном теплоносителе. При слоевом режиме работы печи присутствуют все три вида теплопередачи (тепловое излучение, конвекция, теплопроводность) и они настолько тесно переплетены ме­жду собой, что разделить их практически не удается.