ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГТУ ˝МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ˝

КАФЕДРА ТЕПЛОФИЗИКИ И ЭКОЛОГИИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Учебное пособие по теоретической части дисциплины

ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ

И КОНСТРУКЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПЕЧЕЙ

для подготовки бакалавров техники и технологии по направлению

"Металлургия"

профиль

˝Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей˝

Пособие разработали:

д.т.н., профессор Ю.П.Филимонов

к.т.н., доцент С.Н.Шибалов

Москва 2007

АННОТАЦИЯ

В пособии рассмотрены общие вопросы теории тепловой работы и элементы конструкций промышленных печей. Пособие предназначено для самостоятельной работы по проработке лекционного материала при подготовке к практическим занятиям и семинарам. Владение методологией общей теории тепловой работы промышленных печей позволяет применять знания, приобретенные при изучении дисциплин естественно-научного цикла, для решения широкого круга задач металлургической теплотехники, а также выполнения детального анализа процессов, формирующих комплекс явлений, формирующих понятие "тепловая работ печи" с целью улучшения выбора. Особенностью дисциплины «Общая теория тепловой работы и конструкции промышленных печей» является ее практическая направленность в сочетании с теоретическим анализом тепловых процессов.

Оглавление

1. Основные понятия и общие характеристики тепловой работы печей 3

1.1 Задачи общей теории печей. Главные зоны печей. 3

1.2 Классификация режимов тепловой работы печей. 5

1.3 Температурный режим печей и тепловой режимы печей, их основные разновидности 7

1.4 Тепловой баланс печей периодического и непрерывного действия 12

2. Тепло- и массообмен в ЗТП печей различного технологического назначения. 18

2.1. Общие характеристики и требования к технологии нагрева твердых тел 18

2.2 Процессы и явления при нагреве металла 22

2.3 Рациональные температурные режимы нагрева металла 30

2.4 Расчеты нагрева металла 39

2.4 Физическая картина и особенности теплообмена при протекании процессов плавления и затвердевания 50

2.6. Тепло и массообмен в процессе сушки 66

3. Типовые режимы схемы тепловой работы печей-теплообменников 74

3.1 Общие сведения 74

3.2 Радиационные режимы работы печей 75

4. Применение положений общей теории тепловой работы печей при математическом моделировании и выполнении теплотехнических расчетов. 113

4.1 Общие принципы математического описания тепловой работы печей 113

5. Библиографический список 116

1. Основные понятия и общие характеристики тепловой работы печей

1.1 Задачи общей теории печей. Главные зоны печей.

Теплотехника, т. е. техника получения и использования тепла, с давних времен играет важнейшую роль в про­мышленном производстве. Особенно велико ее значение в производствах, технология которых требует создания высоких температур. К таким производствам в первую очередь относится металлургия, а соответствующие технологические процессы нередко называются пирометаллургическими.

В современном металлургическом производстве применяются многочисленные типы промышленных печей, принци­пы действия которого существенно различны. С помощью этого оборудования осуществляются различные операции, необходимые с точки зрения реализации тех или иных технологических процессов, с затратой соответствующих количеств энергии. Все промышленное оборудова­ние может быть разделено на три группы: энергетиче­ское, технологическое и вспомогательное.

Назначением технологического оборудования являет­ся использование с максимально возможным к. п. д. ра­бочего вида энергии для осуществления данного техно­логического процесса. К технологическому оборудова­нию относятся многочисленные станки для механической обработки, прокатные станы, кузнечные молоты и прессы, грузоподъемные машины и печи.

Что касается печей, то этому виду оборудования наи­более правильно дать следующее определение: печь есть технологическое оборудование, в котором рабочим видом энергии является тепло, и рабочее пространство которого ограждено от окружающей среды.

Печи представляют собой сложное оборудование, в котором процесс генерации тепла из другого вида энер­гии органически сочетается с процессами передачи теп­ла в зону технологического процесса.

Главная сложность печей, однако, заключается не в их конструктивном оформлении, а в комплексе явлений, сопровождающих получение тепла, его преобразования и использования для осуществления технологического процесса. Это обстоятельство чрезвычайно затрудняет выбор рациональной системы классификации и математическое описание процессов, совершающихся в печах.

Как будет показано в дальнейшем, в основу научной классификации печей положено понятие об определяющем процессе, т. е. процессе, от которого зависит возник­новение тепла в технологической зоне.

Все виды оборудования, работа которого в явном ви­де не связана с получением, преобразованием или ис­пользованием энергии, относятся к категории вспомогательного оборудования. Примером такого оборудования служат всевозможные отсекающие устройства (заслонки, шибера, клапаны и др.), строительные конструкции и т.д.

Предложенная классификация по энергетическому признаку позволяет создать обобщающее представление о принципиальных особенностях различного тепло-технологического оборудования.

Все процессы в природе имеют энергетическую сущность, т.е. связаны с поглощением или выделением энергии. В силу указанного всякий технологический процесс можно представить как определенную совокупность элементарных процессов, протеканию которых препятствуют определенные силы, например силы химического сродства, силы сцепления между частицами, силы трения и т. д. Таким образом, технологический процесс с энергетической точки зрения есть работа по преодолению сил, препятствующих протеканию технологического процесса, с помощью энергии, которую условимся называть рабочей.

В качестве рабочих видов энергии в технологии используются тепло, механическая и электрическая энергия. Тепло и механическая энергия наиболее часто используются в качестве рабочего вида энергии, однако электрическая энергия имеет исключительные преимуще­ства при транспортировании, особенно на далекие расстояния. Тепло играет исключительную роль в развитии человечества не только потому, что является одним из основных видов рабочей энергии, но и потому, что все основные виды естественной энергии поступают в распоря­жение человека путем первоначального превращения в тепло.

Промышленные печи представляют собой технологи­ческое оборудование, и поэтому основной задачей печей является создание оптимальных условий для протекания соответствующих технологических процессов.

Силы, препятствующие протеканию технологического процесса в печах, преодолеваются с помощью тепла как рабочего вида энергии. Поэтому энергетическая сущность работы печей, объединяемая понятием их тепловой работы, является наиболее важной частью науки о конструировании и расчете печей.

Общие черты тепловой работы всех типов печей являются предметом общей теории печей, в задачу которой входит установление наиболее рациональных энергетиче­ских параметров работы печей, обеспечивающих оптимальные условия для протекания технологических процессов. В промышленности применяются сотни различных типов печей при исключительном многообразии их размеров и оборудования, однако в

каждой печи обязательно имеются два элемента — зона технологического процесса (ЗТП) и зона генерации тепла из другого вида энергии (ЗГТ). Указанные зоны могут в печах существо­вать раздельно или быть территориально объединены. Общая теория печей рассматривает взаимодействие указанных зон, причем, учитывая технологическое назначение печей, ЗТП является основной, а ЗГТ вспомогательной, призванной обеспечить необходимые энергетические условия в ЗТП.

Общая теория печей это наука, возникшая на стыке технической физики и эмпирических представлений о конструировании печей. В отличие от технической физики общая теория печей рассматривает не отдельные яв­ления (теплопроводность, излучение, движение газов, диффузию и т.д.), а их совокупность и взаимное влияние. В отличие от эмпирических методов конструирования печей общая теория печей схематизирует представления о тепловой работе печей и устанавливает для этих аппроксимаций оптимальные условия протекания совокупности процессов и, как следствие, принципы конструиро­вания.