Лекция № 3. Общие принципы конструирования печей: тепловая работа печей.

Под тепловой работой печи или ее рабочего пространства понимают всю совокупность тепловых процессов, совершающих­ся в ней.

Основным параметром, характеризующим печь-теплообмен­ник (в дальнейшем для сокращения - печь) как тепловой ап­парат, является ее тепловая мощность, выражаемая в вт или кДж/ч и представляющая собой наибольшее количество тепла необходимого потенциала, которое может быть подведено в печь в единицу времени в результате сжигания топлива или превращения в тепло электрической энергии.

Количество тепла, которое фактически подводится в печь в единицу времени, называют тепловой нагрузкой и выражают в вт или кДж/ч. Изменение тепловой нагрузки в зависимости от времени характеризует тепловой режим печи, тогда как изме­нение во времени температуры газов или электрических нагре­вателей и различных частей кладки характеризует температур­ный режим печи. Печи, работающие непрерывным процессом, характеризуются неизменным во времени температурным режи­мом и постоянной тепловой нагрузкой (например, методические, рисунок 2, а). Наоборот, печам, работающим периодическим процессом, свойственны переменные во времени температурный и тепловой режимы (например, нагревательные колодцы, рисунок 2, б). Количество тепла, которое в единицу времени пере­дается 1 м² поверхности нагрева, называют поверхностной плот­ностью теплового потока, которую выражают в вт/м² или кДж/м² • ч), а общее количество тепла, усваиваемое за 1 ч всей садкой печи,— теплоусвоением, выражаемым в вт или кДж/ч. Отношение теплоусвоения к тепловой нагрузке за один и тот же период времени называется коэффициентом полезного теплоиспользования η_кпт или иначе η_кпд.

Теплообмен в рабочем пространстве печей складывается из следующих процессов:

1) теплообмена между газами, поверхностью нагрева и внутренней поверхностью кладки (в некоторых случаях также с поверхностями элементов охлаждения);

2) теплообмена внутри материала, подвергаемого тепловой обработке;

3) теплообмена между внутренней поверхностью кладки и окружающей средой, который выражается в передаче ей тепла из рабочего пространства через футеровку печи.

1. ТЕПЛООБМЕН МЕЖДУ ГАЗАМИ, ПОВЕРХНОСТЬЮ НАГРЕВА И ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ КЛАДКИ

В печах различают три режима теплообмена: радиационный, конвективный и слоевой.

Тепловая работа печей с различными режимами теплообме­на различна, причем каждому режиму теплообмена соответст­вуют свои, наиболее благоприятные условия теплогенерации и движения газов.

Деление режимов теплообмена только на три вида отражает главные особенности процессов теплообмена. Возможны сме­шанные режимы, например радиационно-конвективный с преоб­ладанием излучения и конвективно-радиационный с преоблада­нием конвекции. Возможен также режим, когда излучение и конвекция равнозначны. Однако все эти режимы носят произ­водный характер и их особенности легко поддаются анализу, если известны принципиальные особенности основных режимов.

Радиационный режим работы печей

Если температура пламени и кладки превышает 1000° С, то основное количество тепла на поверхность нагрева обычно по­ступает в результате излучения, и поэтому режим работы та­ких печей является радиационным.

Рассмотрим простейшую схему топливной печи (рисунок 6). Предположим, что поверхность F_M нагрева (металла) с абсо­лютной температурой Т_M окружена со всех сторон поверхностью кладки F_K с температурой Тк, одинаковой во всех точках клад­ки. Пусть степень черноты раскаленных газов — пламени (ε_г) по отношению к собственному и отраженному излучению печных стенок и металла (ε_м — степень черноты металла) одинакова для всех направлений и отнесена к температуре газов. Тогда, составляя уравнение баланса тепла на поверхностях металла и кладки при наличии газов, заполняющих объем печи, получим

q_мF_M=Q^м_гF_M+Q_к(1-ε_г)φ_км–Q_м (1)

q_к F_K = Q^к_г F_M +Q_м(1- ε_г) ₊ Q_к.к. – Q_к (2)

где q_м и q_к - плотность результирующих потоков на поверхно­сти металла и кладки, вт/м² или кДж/(м²• ч);

Q^м_г и Q^к_г - плотность излучения газа на 1 м² поверхности металла и кладки, вт/м² или кДж/(м²• ч);

Q_м, Q_к, Q_к.к. - полное излучение поверхности металла и клад­ки и излучение кладки самой на себя, вт/м² или кДж/(м²• ч);

φ_км - угловой коэффициент кладки на металл.

Рисунок 6 – Схема теплообмена в простейшей топливной печи

Определяя значение Q_к из формулы (2), подставляя его в уравнение (1) получим:

q_м =Q^м_г+Q^к_г(1- ε_г) + Q_м/F_M[(1- ε_г)²/w-1]+(Q_к.к/F_K-q_к)(1- ε_г) (3)

где w=1/ φ_км= F_K/ F_M – степень развития кладки.

Из уравнения (3) следует, что плотность результирующего потока на металл при постоянных значениях Т_M, q_к и и при ε_м=1 зависит от четырех факторов:

- излучения газов на поверхность металла Q^м_г, вт/м² или кДж/(м²• ч);

- излучения газов на поверхность кладки Q^к_г, вт/м² или кДж/(м²• ч)

- степени черноты газов ε_г;

- степени развития кладки w.

Могут быть три различных случая организации радиацион­ного режима работы печей: равномерно-распределенный (при Q^м_г=Q^к_г) направленный прямой (при Q^м_г > Q^к_г ) и направлен­ный косвенный (при Q^к_г > Q^м_г ).

Для каждого из этих режимов влияние величин ε_г и w на интенсивность теплообмена различно.

Конвективный режим работы печей

При конвективном режиме работы печей преобладает тепло­передача конвекцией. Печи, работающие чисто конвективным режимом, сравнительно редки. Так, при нагреве черных металлов и неметаллических материалов такой режим может возникнуть, если температура в печи не превышает 300°С. При нагреве цвет­ных металлов, поверхность которых характеризуется меньшей степенью черноты, конвективный режим может сохраняться до достижения температуры 500-600° С. Более широко применяют смешанный режим, когда конвекция и радиация соизмеримы.

Например, при нагреве в камерной печи штабеля труб поверхность труб, расположенных внутри штабеля, получает тепло не от стен печи, а только от газов. Так как газовые прослойки сравнительно тонки, то теплоотдача кон­векцией здесь может преобладать над теплоотдачей излучением от газов. Такое положение возможно в печах с температурой до 1000° С и даже выше. Интенсифицируя циркуляцию газов внут­ри штабеля, можно добиться равномерного нагрева труб, распо­ложенных в различных местах штабеля.

Другим примером конвективных печей являются печи для нагрева металла в жидких средах (расплавленный свинец, КС1, NaNО₃ и др.).

Из теории теплопередачи конвекцией известно, что интенсив­ность теплопередачи этого вида зависит главным образом от скорости движения теплоносителя около поверхности нагрева. Влияет также относительное расположение поверхности нагре­ва. Так, при поперечном смывании штабеля труб теплопередача конвекцией при той же скорости движения теплоносителя ока­жется интенсивнее, что объясняется условиями омывания пото­ком поверхности нагрева.

Сжигание топлива в конвективных печах осуществляется в топочном объеме, обособленном от рабочего пространства печи. Объясняется это тем, что для получения устойчивого процесса горения необходимо поддерживать в топочном объеме темпера­туру не ниже 1000° С. Но в рабочем пространстве конвективных печей температуры значительно ниже. Для создания равномер­ной температуры газов в конвективных печах широко использу­ют рециркуляцию продуктов сгорания (рисунок 7). Для этого продукты сгорания по выходе их из рабочего пространства подмешивают к продуктам сгорания, поступающим из топки.

Рисунок 7 – Схема рециркуляции продуктов сгорания

Процесс смешения описывается равенством

V_тc_тt_т + V_вc_вt_в = (V_т+V_в)c_рt_р (4)

где V_, c и t - соответственно секундное количество продуктов сгорания при 0° С и 760 мм. рт.ст., средняя теплоемкость и тем­пература, причем индексом «т» обозначены величины, характе­ризующие продукты сгорания при выходе из топки, индексом «в» - за выходом из рабочего пространства, индексом «р» — при входе в рабочее пространство. Вследствие потерь тепла в окружающую среду температура подмешиваемого возврата t_в всегда меньше температуры t'_р газов, покидающих рабочее про­странство. Из равенства (4) можно заключить, что для полу­чения одной и той же температуры t_р количество возвращаемых продуктов сгорания тем меньше, чем ниже их температура. Однако чем меньше значение t_в, тем хуже работает печь в теп­лотехническом отношении.

Наиболее неблагоприятно в этом смысле сказывается раз­бавление топочных газов холодным атмосферным воздухом, хотя конструктивно это и наиболее просто. Чем меньше падение температуры газов (t_р - t'_р) по длине рабочего пространства печи и чем больше скорость газов, тем интенсивнее работает конвективная печь. Рециркуляция продуктов сгорания увеличи­вает скорость газов, в результате повышается коэффициент теп­лоотдачи конвекцией. Однако одновременно при рециркуляции уменьшается среднелогарифмическая разность температур меж­ду газами и поверхностью нагрева (температурный напор), вследствие чего понижается интенсивность теплоотдачи. Поэто­му существуют определенные границы рентабельности примене­ния рециркуляции продуктов сгорания, если исходить из условий теплоотдачи.

Пусть К =(V_т+V_в)/ V_т -кратность рециркуляции;

∆t и ∆t' - соответственно средние температурные напоры без рециркуляции и при ее наличии;

m = t_в/t_р отношение температуры возврата к температуре газов при входе в рабочее пространство.

Пользуясь сравнительным расчетом теплоотдачи конвекцией при наличии рециркуляции и без нее, можно найти условие рен­табельности рециркуляции: К^0,8>∆t/∆t'

Практически рециркуляция в отношении теплоотдачи всегда невыгодна, если m < 0,5.

Организация механики газов в конвективных печах имеет первостепенное значение, так как от равномерности омывания газами поверхности нагрева зависит эффект теплоотдачи. Прак­тически это решается применением различного типа вентилято­ров - центробежных для создания внешней рециркуляции про­дуктов сгорания и пропеллерных (осевых) для рециркуляции в пределах рабочего пространства.

Слоевой режим работы печей

Под слоевым режимом работы печей подразумевают тепло­вую обработку материала в том случае, когда он расположен по всему объему или сечению рабочего пространства печи и поэто­му газообразный теплоноситель проходит (фильтруется) через материал или материал оказывается распределенным в теплоно­сителе.

Могут быть три разновидности слоевого режима:

1) материалы расположены плотным слоем и перемещаются медленно по сравнению с газообразным агентом, проходящим через слой; печи этого типа принято называть шахтными (рисунок 4 а); их применяют для тепловой обработки кускового ма­териала;

2) слой под динамическим воздействием газообразного или жидкого агента находится в состоянии перемешивания (рисунок 4 б), что достигается выбором надлежащей скорости агента, причем агент фильтруется через этот слой; печи этого типа при­нято называть печами с псевдоожиженным или «кипящим» сло­ем; их применяют для тепловой обработки мелкокускового или зернистого материала;

3) слой под динамическим воздействием газообразного аген­та находится во взвешенном состоянии, перемещаясь вместе с агентом, и энергично перемешивает­ся под действием турбулентных пульсаций; печи этого типа принято называть печами для процесса во взвешенном состоянии; их применя­ют для мелкораздробланного мате­риала (пылевидное состояние).

Характерными особенностями слоевого режима являются наличие весьма развитой поверхности мате­риала, неопределенность величины активной части (участвующей в теп­лообмене) этой поверхности и тес­ное переплетение теплопередачи всех видов (радиации, конвекции, теплопроводности), вследствие чего разделить их очень трудно. В силу неопределенности поверхности на­грева теплоотдачу при слоевом режиме очень часто приходится оценивать коэффициентом, отнесенным не к поверхности нагре­ва, а к единице объема слоя вт/(м³•град) или кДж/ (м³ • ч • град).

2. ТЕПЛООБМЕН ВНУТРИ МАТЕРИАЛА, ПОДВЕРГАЕМОГО ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКЕ

Теплообмен внутри греющихся твердых тел происходит вследствие теплопроводности. При нагреве жидкостей главное значение имеет конвекция, а если жидкости лучепрозрачны, то известную роль может играть лучистый теплообмен. Теплообмен внутри греющихся тел, не изменяя принцип работы печей в смысле принадлежности к тому или иному режиму внешнего теплообмена, весьма существенно влияет на их производитель­ность. Поэтому нагрев и плавление тел всегда следует вести в условиях, наиболее благоприятных для развития внутреннего теплообмена.

Такими условиями являются:

1) возможно более быстрый нагрев поверхности тела до ко­нечной температуры, ибо при этом и равномерный нагрев тела достигается в наиболее короткие сроки;

2) возможно более полное и равномерное использование по­верхности нагрева тепла.

Соблюдение этих условий, однако, зависит от технологии процесса тепловой обработки и поэтому должно рассматривать­ся совместно с ней. Исключение составляет тех­нология нагрева металла перед последующей пластической об­работкой (прокаткой, ковкой, штамповкой). Как следует из теории теплопередачи, по усло­виям внутреннего теплообмена тела можно разделять на тонкие и массивные.

Тонкие тела, обладая относительно малым внутренним теп­ловым сопротивлением (высокой теплопроводностью, малой толщиной в направлении теплового потока), при заданных ус­ловиях внешнего теплообмена нагреваются практически равно­мерно по толщине. Производительность печей для тепловой обработки тонких изделий определяется исключительно условиями внешнего теплообмена.

Массивные тела нагреваются по толщине неравномерно, поэтому в конце нагрева требуется выдержка для выравнива­ния их температуры. Для увеличения производительности подоб­ных печей надо правильно сочетать, учитывая требования тех­нологии, медленный нагрев, быстрый нагрев и выдержку. Оп­тимальное решение этого вопроса зависит от типа печи, разме­ров нагреваемых изделий и сорта металла.