1.2 Классификация режимов тепловой работы печей.

Систематизация обобщений, возможных в рамках той или иной науки, зависит от совершенства классификации, положенной в ее основу. В классификации, положенной в основу общей теории печей, лежит понятие об опре­деляющем процессе, а именно процессе, от которого зависит возникновение тепла в ЗТП. Такими процессами являются генерация тепла в ЗТП из другого вида энергии или перенос тепла в эту зону из отдельно существу­ющей ЗГТ.

Как следствие, общая теория печей делит режимы работы печей на два характерных класса. К первому клас­су режимов тепловой работы печей, для которого опреде­ляющим процессом является процесс переноса тепла в ЗТП, относят печи-теплообменники, второму классу ре­жимов тепловой работы печей, для которого определяю­щим процессом является процесс генерации тепла в ЗТП, отвечают печи-теплогенераторы.

Разумеется, существует большое разнообразие режи­мов смешанного типа, т. е. режимов, при которых возник­новение тепла в ЗТП определяется в различных пропор­циях и генерацией тепла в этой зоне и процессами тепло-переноса. Общая теория печей не рассматривает режимы смешанного типа, так как они могут быть проанализиро­ваны на основе теории, развитой для режимов печей-теп­лообменников и печей-теплогенераторов.

Без возникновения тепла в зоне ЗТП невозможно проведение тех технологических процессов, для которых строятся печи, и поэтому способ возникновения тепла и отвечающий ему процесс являются наиболее важными, оп­ределяющими. Природа определяющего процесса может быть различной. Так, теплоперенос может осуществлять­ся лучеиспусканием, конвекцией или теплопроводностью. Явление массопереноса может относиться к твердому, жидкому или газообразному окислителю или какому-ни­будь другому веществу, от переноса которого зависит возникновение тепла в ЗТП. Поэтому второй ступенью классификации является классификация по закономерно­стям переноса для определяющего процесса. Третьей сту­пенью классификации является классификация по гранич­ным условиям для ЗТП.

Детализация классификации по граничным условиям практически не ограничена, поскольку граничные усло­вия могут быть весьма разнообразными. Помимо возник­новения тепла в ЗТП для успешного проведения техно­логического процесса необходимо иметь рациональное распределение тепла в этой зоне. Процесс, от которого зависит распределение тепла в ЗТП, будем называть оп­ределяемым. Естественно, что тепловая работа печей су­щественно зависит от того, какой из двух процессов (определяющий или определяемый) лимитирует скорость технологического процесса в целом. В тех случаях когда определяющий процесс одновременно является и определяемым, анализ тепловой работы зоны технологического процесса существенно упрощается.

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

Внутренняя энергия системы слагается из кинетической и потенциаль­ной энергий. Кинетическая энергия - энергия беспорядочного движения атомов и молекул, потенциальная энергия - энергия их взаимного при­тяжения и отталкивания. Для идеального газа энергия притяжения и отталкивания пренебрежимо мала, и поэтому энергия идеального газа однозначно определяется так называемым уравнением состояния.

Поскольку тепло - есть энергия беспорядочного движения частиц, составляющих вещество, постольку температура однозначно характе­ризует тепловое состояние тела во всех случаях, когда можно пренеб­регать энергией взаимодействия сил притяжения и отталкивания частиц.

В соответствии с кинетической теорией газов (закон Максвелла— Больцмана) термодинамическое понятие равновесной температуры для идеального газа может быть расшифровано с помощью уравнения Т=2NE_n/R=Nm /3R, где Е_п - энергия п частиц с массой m в узком диапазоне значений их скоростей (w_n);N - число Авогадро; R - газовая постоянная.

В состоянии термодинамического равновесия средняя кинетичес­кая энергия всех элементов среды при данной температуре является постоянной, хотя скорости отдельных частиц существенно различны. Естественно предположить, что чем дальше система находится от сос­тояния термодинамического равновесия, тем в большей степени она к нему стремится и тем интенсивнее протекают процессы теплообмена, поскольку движущей силой теплообменных процессов является разность потенциалов — температур. В зависимости от характера протекающих в рабочем пространстве печи процессов тепло- и массообмена устанавли­вается весьма сложное пространственное поле температур, в котором можно выделить поля температур в газовой фазе, на поверхностях ма­териала и футеровки печи. Если поля температур неизменны во времени, то режим работы печи называется стационарным, в противном случае— нестационарным. Для упрощения задачи иногда можно предположить, что температура во всех точках поверхности нагрева одинаковая и рав­няется некоторой средней величине. Такое же предположение можно сделать для температуры пламени, поверхности кладки и, таким обра­зом, свести задачу к теплообмену между этими как бы изотермичес­кими поверхностями. Дальнейшим шагом упрощения является введение условного понятия эффективной температуры Т_эф, приме­няемого в расчетах печей.

Эффективная температура представляет собой некоторую условную (приведенную) температуру греющей части печи, при которой обеспечивается такая же плотность теплового потока излучения на поверхность нагрева только от греющей части печи, какая в действитель­ности имеется в рассматриваемой печи. Понятие эффективной темпе­ратуры может быть распространено на любую систему, а сама темпера­тура может быть отнесена к любой греющей (излучающей) части этой системы (дуге, резистору, футеровке и т.д.). Чем дальше отстоит систе­ма от термодинамического равновесия, тем выше Т_эф и тем больше она отличается от реальной температуры греющей части.

Действительные температуры пламени (нагревателя) и внутренней поверхности футеровки зависят от температуры поверхности нагрева и теплогенерации и в общем случае, кроме того, от места расположения в печи и от времени. Изменение этих величин по длине печи и во времени T=f(l, t) характеризует температурный режим печи. Так для печей непрерывного действия тепловой режим не изменяется во времени и является функцией только координаты по длине печи Т = f(l) ; при этом возможно представить три температурных режима: прямоточный, противоточный и камерный. При прямоточном режиме (рис. 1, а) в топливных печах нагреваемые материалы и про­дукты сгорания движутся в одном направлении и поэтому холодные материалы поступают в высокотемпературную часть печи. При противоточном режиме (рис. 1, б) нагреваемые материалы и продукты сгорания движутся навстречу друг другу — холодные материалы поступают в низ­котемпературную часть печи. При камерном режиме (рис. 1, в) темпе­ратура по длине печи постоянна. Камерный режим рассматривается и для печей периодического действия и означает примерное равенство тем­ператур в различных точках рабочего пространства в каждый момент времени, т.е. температура является функцией только времени T=f(t).

Второй важной характеристикой тепловой работы пе­чей является тепловой режим, т. е. изменение во време­ни интенсивности теплогенерации в ЗТП или в ЗГТ. Величина теплоге­нерации, выражаемая в Вт (кВт), называется тепловой нагрузкой (Q_т._н.). При стационарном режиме тепловая нагрузка является величиной постоянной, независящей от времени (Q_т._н.=const). При нестационарном режим Q_т._н.=f(t). Q_т.н. — средняя во времени тепловая на­грузка, a (Q_т._н.)_max—максимальное ее значение.

Рис. 1.2. Тепловая диаграмма (графическое изображение теплового режима)

Отно­шение максимальной тепловой нагрузки к средней иног­да называют коэффициентом форсирования ( ).ξ_ф=(Q_т.м.)_max/(Q_т.м.)_ср.Физическое тепло топлива и воздуха, вносимое в печь или непосредст­венно в рабочее пространство печи, в понятие тепловой мощности не входит. На рис. 5 представлено графическое изображение теплового ре­жима печи, так называемая тепловая диаграмма. Нижняя часть диаграммы характеризует расход тепла на холостой ход печи (Q_т.м)_хол, т.е. в данном случае на поддержание печи при постоянной рабочей темпера­туре. Верхняя часть диаграммы - дополнительный расход тепла в связи с тем, что в печи совершается полезная тепловая работа - полезная тепло­вая мощность (Q_т.м)_пол. Общая тепловая мощность Q_т.м = (Q_т.м)_xoл+ (Q_т.м)_пол. Площадь диаграммы между кривой тепловой мощности и осью абсцисс представляет полный расход тепла на всю технологичес­кую операцию, т.е. величину Q_.

Если через ∆t обозначить длительность технологической операции, тогда

(Q_т.м)_ср = Q_/∆t. В зависимости от характера технологического процесса и условий его осуществления (периодический или непрерывный) возможны различ­ные сочетания температурного и теплового режимов:

1. Практически постоянные во времени температурный и тепловой режимы Т_п (t) = const; Q_т.м (t) = const) — печи непрерывного дейст­вия, например, методические нагревательные печи в установившемся режиме.

2. Переменный температурный и постоянный во времени тепловой режимы (Т_п (t) const; Q_т.м (t) = const), например, некоторые камер­ные печи периодического действия.

3. Переменные во времени температурный и тепловой режимы Т_п (t) const; Q_т.м (t) const, например, нагревательные колодцы для слитков.

4. Практически постоянный во времени температурный и перемен­ный тепловой режимы (Т_п(t)=const; Q_т.м (t) const). Этот вариант встречается при неустановившемся режиме работы печей, например, при изменении параметров заготовок или производительности. Тогда система автоматического управления поддерживает заданную темпе­ратуру печи именно за счет изменения тепловой мощности.