3. Типовые режимы схемы тепловой работы печей-теплообменников

3.1 Общие сведения

Наиболее распространенными и широко применяющимися в промышленности являются печи-теплообменники. К ним относятся многочисленные печи, в кото­рых зона генерации тепла (ЗГТ) из другого вида энер­гии расположена отдельно от зоны технологического процесса (ЗТП).

В ЗГТ химическая энергия топлива или электриче­ская энергия превращаются в тепло, которое затем пе­редается к границам ЗТП, которые являются, таким об­разом, поверхностью нагрева. К таким устройствам относятся топливные и электрические плавильные и нагревательные печи для металлов, об­жиговые печи для сырьевых материалов, печи для об­жига кирпича и многие другие.

ЗГТ может быть пламя, слои топлива, электрическая дуга, спираль, лента или угольный электрод, нагревае­мые электрическим током и др., однако во всех случаях ЗГТ имеет вспомогательное значение и предназначена для создания определенных условий на границе ЗТП. К границам ЗТП тепло из ЗГТ передается путем излу­чения или конвекции, так как относительное значение теплопроводности в данном случае пренебрежимо мало.

В рамках общей теории печей-теплообменников рассматриваются только радиационный и конвективный режимы работы, посколь­ку анализ многочисленных смешанных режимов можно осуществить, если известны принципиальные положения о радиационном и конвективном режимах. Существует, однако, большая группа печей, в которых поверхность нагрева не может быть точно определена, а лучистая и конвективная

составляющие теплопередачи настолько переплетены, что при анализе не разделимы. Это так называемые слоевые печи (вагранки, доменные печи, шахтные печи цветной металлургии, обжиговые печи и т. д.). Соответствующий этим печам режим работы бу­дем называть слоевым.

Предметом общей теории печей применительно к ЗГТ является анализ условий, создаваемых на границах ЗТП. Естественно, что эти условия различны для раз­личных режимов работы печей.

Поскольку возникновение тепла в ЗТП при работе печей данного класса зависит от интенсивности тепло­отдачи в эту зону, то этот процесс и является определя­ющим, а соответствующие печи получили название пе­чей-теплообменников.

3.2 Радиационные режимы работы печей

Особенностью природы лучистого теплообмена явля­ется то, что в создании энергетических условий на гра­нице ЗТП участвует не только сам теплогенератор (пламя, дуга, резистор), но и все окружающее ограни­ченное пространство и, в частности, стены ограждения. В зависимости от расположения теплогенератора в ука­занном пространстве меняются граничные условия для ЗТП и, таким образом, условия возникновения тепла в этой зоне. Рассмотрим идеализированную схему ра­диационного теплообмена в печи в виде двух параллель­ных поверхностей М (материал) и К (кладка), т.е. футеровка между которыми расположена ЗГТ в виде пламени (П) (рис. 1). Допустим, что процесс теплообмена происходит в стационарных условиях, т. е. температуры всех эле­ментов рассматриваемой системы постоянны, что воз­можно при условии

Вт (3.1)

причем по условию

Здесь , , - соответственно тепловой поток от пламени и плотности результирующих тепловых потоков для любых элементов поверхностей М и К, Вт/м²;

и - величины поверхностей М и К, м².

Напишем уравнения баланса тепла для поверх­ностей М и К:

(3.2)

(3.3)

Рис. 3.1. К расчету теплообмена с двумя с двумя параллельными поверхностями

где и - соответственно эффективные тепловые потоки для любых элементов поверхно­стей М и К, Вт/м²;

и - соответственно падающие тепловые потоки от пламени на любые элементы поверхности М и К, Вт/м²;

- степень черноты пламени, величина постоянная.

Исключая из уравнения (2) и (3) величину , получим

Вт/м². (3.4)

Из уравнения (4) следует, что интенсивность теплообмена, характеризуемая величиной плотности результирующего потока , зависит при прочих равных условиях от величины значений потоков и , причем в большей степени от , поскольку всегда 0. При =1 величина зависит от потока, падающего от пламени на поверхность нагрева М, и от величины . Поверхность кладки в этом случае не участвует в теплообмене.

Вместе с тем при одном и том же значении 0 степень участия кладки в теплообмене, определяемая соотноше­нием величин и может быть различной.

Как следует из формулы (3.1), роль кладки в тепло­отдаче может быть и существенной, и пассивной. Суще­ственной потому, что при постоянной теплогенерации =const чем больше тепла пропускает поверхность кладки в окружающую среду, тем меньше . Пассив­ной потому, что теоретически совершенно безразлично, будет ли поверхность кладки, получая тепло теплогене­ратора-излучателя, нагреваясь, отдавать тепло поверх­ности нагрева собственным излучением или, оставаясь холодной, возвращать это тепло путем отражения, ибо при стационарных условиях в любом случае поверхность нагрева получит

(3.5)

Таким образом, при постоянстве значений ни геометрические характеристики ЗГТ, ни физические свойства сред, участвующих в теплообмене, не влияют на суммарную теплоотдачу. При изменении свойств сред изменяться будут только температуры теплогене­ратора-излучателя и кладки и система перейдет из од­ного стационарного состояния в другое. К данным ус­ловиям приближается работа некоторых электрических дуговых печей, поскольку в плазме дуги может разви­ваться очень высокая температура, и электрических низкотемпературных печей, температуры нагревателей и кладки которых могут изменяться в широких преде­лах. В большинстве практических случаев, в частности в топливных печах, дело обстоит совершенно иначе, так как допустимая величина теплогенерации ограничена предельными температурными условиями службы ог­неупоров кладки, материала излучателей, а в топлив­ных печах еще температурой отходящих газов и усло­виями диссоциации продуктов горения. Таким образом, возможная в печах-теплообменниках теплогенерация в общем случае является следствием организации теп­лообмена и поэтому зависит от геометрии ЗГТ, разме­щения теплогенераторов-излучателей, степени участия в теплообмене поверхности кладки и физических свойств теплообменивающихся сред. Роль кладки это не только фактор теплообмена, как такового, но и возможность достижения в ЗТП необходимой температуры увеличения кампании печей и повышения эконо­мичности технологического процесса. Во многих случаях именно футеровка является главным ограничителем процесса теплогенерации и поэтому вопрос о роли кладки в теплообмене имеет принципиальное значение. Уровень температуры внутренней поверхности кладки зависит от уровня температуры в ЗГТ. Допустим, что степень черноты поверхности нагрева равняется едини­це ( ). Тогда из уравнения (3.3) легко получить

(3.6)

где — степень черноты кладки.

Заменяя величины тепловых потоков их выражения­ми через температуру, получим

(3.7)

Из уравнения (3.7) следует, что при заданных ус­ловиях ( ) на величину можно влиять толь­ко путем увеличения , что нецелесообразно по усло­виям тепловых потерь, или путем уменьшения . По­лучение <0,4 для огнеупоров

практически невозмож­но, а в пределах возможных изменений =0,950,4 влияние на несущественно.

В силу указанного идея теплового зеркального ог­раждения осуществима только при использовании по­лированных металлов (например А1) и то при поддер­жании этой поверхности при низкой температуре (<40°С).

Основываясь на изложенном, рассмотрим три раз­новидности радиационного режима работы печей, кото­рые отличаются степенью участия кладки в теплообмене и тем самым влиянием на граничные условия ЗТП: рав­номерно распределенный теплообмен ( ); прямой направленный  и косвенный направлен­ный (  ).

Необходимо установить, при каких условиях для каждой разновидности радиационного теплообмена до­стигается наибольшее значение плотности результирующего потока к поверхности металла, т.е. в ЗТП.

Равномерно-распределенный радиационный режим. В топливных печах равномерно распределенный режим для условий схемы, представленной на рис. 3.1, достигается равномерным распределением температур и степени черноты по высоте ЗГТ. Для ЗГТ сложной формы достижение одинаковых удельных тепловых потоков на различные элементы поверхности нагрева и поверхности кладки задача сложная, но решается соз­данием соответствующего температурного поля с уче­том влияния свойств пламени. Для электрических печей этот режим достигается соответствующим размещением теплогенераторов-излучателей, которые в дальнейшем по установившейся терминологии будем называть на­гревателями. Из уравнения (3.4) следует, что максимальная теплоотдача в топливных печах достигается при =1 и поэтому тем выше, чем больше . При =1

(3.8)

Уравнение (5) является уравнением Стефана—Больцмана, выраженным в потоках.

Указанное справедливо, однако, только для топлив­ных печей, в которых пламя является нагревателем. В электрических печах газовая среда между нагрева­телями и поверхностью нагрева экранирует, указанные поверхности друг от друга и ухудшает условия теплоотдачи.

Выше, при схематизации процесса радиационного теплообмена, было принято, что есть величина по­стоянная, не зависящая от температуры и длины волны. Такая схематизация необходима и допустима в рамках общей теории печей, поскольку все вопросы рассматри­ваются в сравнительном аспекте, однако при уточнении расчетов теплообмена необходимо учитывать спект­ральный характер излучения. Это особенно важно в отношении поверхности нагрева, так как падающее на поверхность нагрева излучение практически можно рас­сматривать как серое. Обозначим через е_к степень чер­ноты кладки и также примем эту величину не завися­щей от температуры и длины волны. Отношение поверхностей кладки и нагрева будем называть степенью развития кладки.

Рис.3.2. К расчету теплообмена между плоской и вогнутой поверхностями

Уравнение (4) не может быть использовано для выяснения влияния степени развития кладки, посколь­ку было выведено для условия k=1. Для более общего случая k>1 (рис. 3.2) и =const уравнение (3.4) долж­но быть заменено уравнением (3.9)

(3.9)

(

Из уравнений (3.9) и (3.4) следует, что при >0 степень черноты кладки не влияет на теплоотдачу. Физически это объ­ясняется тем, что эффективное излучение кладки ( ) при этом остается неизменным и меняет­ся только соотношение собствен­ного и отраженного излучения. Из уравнения (9) следует, что влияние степени развития клад­ки в общем случае незначитель­но, но возрастает при уменьше­нии степени черноты пламени и при увеличении температуры поверхности нагрева, при­чем при k>1 увеличение k несколько уменьшает тепло­отдачу. Последнее объясняется уменьшением плотности падающе­го на кладку теплового потока от поверхно­сти нагрева М. При =1 влияние величины k на теплоотдачу отсутствует. В общем случае малое влияние степени развития кладки на теплоотдачу объясняется тем, что с увеличением k уменьшается угловой коэффи­циент кладки на поверхность нагрева. Выше указыва­лось, что при равномерно распределенном режиме теп­лообмена максимальная теплоотдача достигается при =1. При этом условии температура кладки является наиболее высокой и приближающейся к

температуре пламени, а при k=0 равной ей. Вследствие указанного при данном режиме теплообмена температура кладки является главным показателем интенсивности теплоот­дачи.

Прямой направленный радиационный теплообмен. В топливных печах режим прямого направленного теплообмена достигается путем приближения зоны наивысших температур и наибольшей оптической плотности пламени к поверхности нагрева (рис. 3.3). В электрических печах это достигается путем соответствующего размеще­ния нагревателей.

Уравнение (3.4) может быть использовано для анализа данного режима теплообмена, если под степенью черноты по­нимать усредненное ее значение ( ) и иметь в виду, что приведенные значения температуры пламени для излуче­ния в сторону поверхности нагрева и кладки раз­личны ( > ). Для рассматриваемого режима теплообмена раз­ность тепловых потоков в сторону поверхности нагрева и кладки может быть весьма различной и поэтому может существовать множе­ство частных случаев реализации данного режима. Но всегда, чем больше , тем ниже температура кладки при одном и том же значении плотности результирующего потока . Это объясняется тем, что относительно холодные слои пламени экранируют кладку от излучения слоев пламени, имеющих более высокую температуру.

В электрических печах уменьшение температуры кладки достигается не экранированием кладки газами, а соответствующим расположением нагревателей. Предель­ным случаем прямого направленного теплообмена в пе­чах является равенство температур и эффективных излу­чений кладки и металла. Тогда:

(10)

((((((((((99999

Рис. 3.3. Распределение температуры при прямом направленном радиационном теплообмене

Из уравнения (3.10), полученного вычитанием фор­мулы (3.3) из уравнения (3.2) и при допущением , а также из сравнения его с уравнением (3.4), следует, что в предельном случае теплоотдача минимальна, так как практически очень трудно достичь высоких значений величины . Поэтому к предельному случаю прямого направлен­ного теплообмена прибега­ют только в тех случаях, когда по условиям техноло­гии температура поверхно­сти нагрева достигает предельно допустимых температур поверхности кладки. Не­предельные случаи прямого направленного теплообме­на используются весьма часто, так как на практике да­же небольшое облегчение условий футеровки играет существенную роль, особенно когда на кладку влияет не толь­ко тепловое, но и химическое воздействие.

При прямом направленном режиме теплообмена вли­яние на теплоотдачу усредненной степени черноты пла­мени и степени черноты кладки аналогично тому, как это было отмечено для равномерно распределенного режи­ма теплообмена, а роль степени развития кладки еще меньше. Следует, однако, подчеркнуть, что влияние ве­личины степени развития кладки нельзя однозначно свя­зывать с влиянием геометрии ЗГТ.

Дело в том, что от геометрии и, в частности, от высо­ты ЗГТ зависит степень черноты пламени, которая в ра­нее приведенных рассуждениях была принята постоян­ной.

Косвенный направленный радиационный теплообмен.В топливных печах режим косвенного направленно­го теплообмена достигается путем приближения зоны наивысших температур в пламени к поверхности кладки (рис. 3.4). В электрических печах это достигается путем соответствующего размещения нагревателей.

Применив уравнение (3.4) для анализа данного ре­жима теплообмена, как и в предыдущем случае, исполь­зуем понятия об усредненной степени черноты пламени ( ) и о приведенных температурах пламени в сторону поверхности нагрева или у кладки. Разность плотностей теп­ловых потоков в данном случае мо­жет быть различной по величине и, как следствие, могут наблюдаться разные случаи реализации косвенного на­правленного режима теплообмена. Чем больше , тем выше температура кладки при одном и том же зна­чении теплоотдачи ( ). Объясняется это тем, что распо­ложенные у поверхности нагрева относительно холодные слои пламени экранируют поверхность нагрева и от бо­лее горячих слоев пламени, и от кладки.

Влияние усредненной степени черноты пламени на этот режим теплообмена противоречиво. Оптимальное значение >0,5 и тем больше, чем меньше отношение . Это объясняется тем, что, с одной стороны, чем больше , тем больше тепловой

поток от пламени на кладку, но, с другой стороны, чем больше , тем силь­нее пламя экранирует поверхность нагрева от кладки.

Предельные случаи косвенного направленного тепло­обмена в печах возникают, когда поверхность кладки на­гревается в условиях отсутствия теплового потока от пламени или нагревателя на поверхность нагрева =0, например, если электри­ческие нагрева-

Рис. 3.4. Распределение температур при косвенном направленном радиационном теплообмене

тели рас­положены так, что они «видят» кладку и «не ви­дят» поверхность нагре­ва, если поверхность кладки нагревается за счет поверхностного сжи­гания топлива у кладки (инфракрасные нагрева­тели, керамические го­релки) или когда внут­ренняя поверхность клад­ки разогревается за счет передачи тепла теплопроводностью с внешней стороны. Для данного случая можно получить уравнение

Вт/м², (3.11)

где - плотность результирующего теплового потока, поступающего на внутреннюю поверхность кладки.

Для случая разогрева кладки потоком, поступающим снаружи, =0 и - заменяется на + .

Как следует из уравнения (3.11), степень развития кладки k в данном случае оказывает большее влияние на теплоотдачу и при прочих равных условиях уменьшает ее, так же, как и для других режимов радиационного теплообмена. Отсутствие влияния степени черноты клад­ки при ee контактном нагреве объясняется тем, что при заданных значениях тепловых потоков теплоотдача оста­ется неизменной за счет изменения температуры кладки. Однако практически допустимые температуры кладки ог­раничены, и поэтому целесообразно работать с более вы­сокими значениями и тем самым получать более высо­кую теплоотдачу. К сожалению, реальные свойства огнеупоров предоставляют в этом отношении малые возмож­ности. По сравнению с другими режимами радиационного теплообмена

при косвенном направленном теплообмене, особенно в предельных случаях при одном и том же значении теплового потока к металлу имеют место наиболее тяжелые тем­пературные условия службы кладки.

Выше отмечено, что в печах-теплообменниках величина теплового потока к границам ЗТП не всегда является определяющим процессом. Во всех тех случаях нагрева, когда скорость распространения тепла в ЗТП практически неограниченна (физически тонкие тела), определяющий процесс теп­лоотдачи является и определяемым. В случае если при нагреве ЗТП ведет себя как физически массивное тело, определяемым процессом становится процесс распростра­нения тепла в ЗТП.

В этом случае требования к ЗГТ упрощаются, так как необходимая величина внешнего теплового потока достигается легче. В основу анализа картины теплообмена в печи в этом случае кла­дется определяемый процесс. Более подробно этот воп­рос рассмотрен ниже, в разделах технологии нагрева и плавления металла.